книги / Сварные конструкции

Учитывая, как и в случае применения закреплений, ослабление сечения за счет участка площади, расположенной в районе верх­ них поясных швов, можно установить следующую зависимость между прогибами при нагрузке и разгрузке от закреплений

Здесь /3— прогиб при сварке в закреплении (без выгиба).

Эта зависимость показывает, что прогиб при сварке с выгибом меньше прогиба при сварке только с закреплением.

Путем соответствующего выбора стрелки обратного выгиба можно полностью исключить остаточный прогиб. Стрелка обрат­ ного выгиба должна быть подобрана из условия

откуда

Следует заметить, что полное устранение остаточных деформа­ ций для элементов большой жесткости требует приложения весьма значительных усилий.

Реактивные напряжения. При сварке в условиях жесткого закрепления образуются остаточные растягивающие напряжения, называемые реактивными напряжениями. Такое название связано с тем, что величина этих напряжений определяется реакциями того жесткого контура, в котором производится сварка. Подобное положение в реальных конструкциях встречается, например, при сварке монтажных стыков. В монтажных стыках сварка замы­ кающих швов производится в условиях достаточно жесткого закрепления, созданного тем, что детали, свариваемые в послед­ нюю очередь, присоединены уже к сформированной ранее части конструкции, в связи с чем возможность перемещения их сильно ограничена.

При наличии жестких закреплений укорочение в районе шва, вызванное сосредоточенным нагревом при сварке, может привести к появлению трещин еще в процессе остывания нагретого участка. Если этого не произойдет, то оставшееся реактивное напряжение в сумме с напряжениями от внешних сил может явиться причиной снижения прочности в процессе эксплуатации конструкции.

В данном случае снижение прочности возможно потому, что реактивные напряжения создаются не только в сечениях по свар-

ным швам, где некоторое упрочнение в известной мере может снизить отрицательное влияние остаточных напряжений, а также в сечениях по основному металлу, вдали от сварных швов, где нет упрочняющего влияния от местных пластических деформаций.

Наиболее эффективной мерой борьбы с реактивными напря­ жениями является выбор соответствующей последовательности сварки, при которой эти напряжения могут быть сильно снижены

занной, например, для случая на рис. 5.6,6 ), то реактивные напря­ жения будут значительно уменьшены. При этом степень уменьшения напряжений будет зависеть от длины свободного участка I, Сварка поясных швов может производиться в последнюю очередь потому, что продольное укорочение при этом незначительно и реактивными напряжениями можно пренебречь. В этом случае реактивные напряжения можно характеризовать эпюрой на рис. 5.6, в. Однако при такой последовательности сварки возможно появление неже­ лательного изгиба незакрепленных поясов из-за местных угловых деформаций, возникающих при сварке стыковых швов. С целью предупреждения таких деформаций поясам можно придать соот-

ветствующий предварительный упругий выгиб, который будет способствовать также еще большему снижению величины остаточ­ ных напряжений.

Таким образом, в швах, завариваемых в последнюю очередь, возникают растягивающие напряжения, поэтому в балках, пояса

монтажных стыков. Подобная последовательность сварки монтаж­ ных стыков и меры, принимаемые для устранения в них реактив­ ных напряжений, неоднократно применялись при сварке мно­ гих мостовых конструкций и всегда обеспечивали полный успех.

§ 22. О БЕ С П Е Ч Е Н И Е ВЫСОКОЙ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ

С ВА РН Ы Х КО Н СТРУ КЦ И Й

Термин «технологичность» характеризует комплекс свойств, способствующих изготовлению конструкции с наименьшей за­ тратой средств и времени при одновременном обеспечении задан­ ных для нее качественных показателей.

Изделие считают технологичным, если оно запроектировано так, что при его изготовлении обеспечена возможность применения высокопроизводительных технологических процессов.

Выбор материала. Обеспечение высокой технологичности свар­ ного изделия является одним из основных тербований, которые должны учитываться еще в процессе его проектирования. Выбор материала и конструктивных форм сварных соединений и узлов в значительной степени определяет не только прочностные ха­ рактеристики проектируемого изделия, но и технологические возможности последующего процесса его изготовления.

Для сварной конструкции с позиций обеспечения лучшей технологичности наиболее желательным является такой материал, который допускает сварку обычными сравнительно простыми приемами, не требующими создания особых условий, осложня­ ющих производство (таких, например, как предварительный и сопутствующий подогревы изделия или последующая его термиче­ ская обработка и т. п.).

В процессе остывания сварного соединения в нем при некото­ рых условиях возможно появление трещин. Условия образования таких трещин зависят от свойств металла, формы и размеров под­ готовленных к сварке кромок и от технологии сварки.

В зависимости от температуры образования трещин различают «горячие» и «холодные» трещины.

Горячие трещины возникают при температуре, близкой к линии солидуса, в процессе уменьшения затвердевшей прослойки жидкого металла, находящейся в замкнутом объеме между уже затвердевшими кристаллами. На процесс образования горя­ чих трещин большое влияние оказывает химический состав металла шва, определяющий свойства жидких прослоек.

Для некоторых составов повышение механической прочности идет медленнее, чем рост напряжений, возникающих от сокращения объема. Это и приводит к образованию горячих трещин. Сера, углерод, кремний и водород способствуют образованию горячих трещин, а марганец повышает стойкость металла к трещинообразованию. Чем больше в металле шва элементов, способствующих образованию легкоплавких эвтектик и химических соединений, располагающихся при кристаллизации по границам зерен и затвердевающих в последнюю очередь, тем больше вероятность образования горячих трещин.

Холодные трещины возникают в швах и околошовной зоне, как правило, при температурах ниже 300° С. Причиной их обра­ зования является концентрация углерода и легирующих элемен­ тов, вызывающая закалку. Появлению холодных трещин способ­ ствует также загрязнение металла фосфором.

Для большинства сварных конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей холодные трещины не характерны. Они могут появляться при сварке углеродистых и легированных сталей, которые применяются в некоторых отраслях машинострое-

ния. Основными мерами борьбы с появлением холодных тре­ щин является подбор теплового режима сварки, применение дополнительного подогрева и последующей термической обра­ ботки.

Технологические пробы. Для определения пригодности мате­ риала к применению в сварных конструкциях существуют раз­ личные специальные пробы, которые позволяют произвести оценку технологической прочности применительно к выбранным свароч­ ным материалам и технологическим условиям. В технологических пробах в известной мере воспроизводятся условия выполнения

зующие жесткость закрепления, возможную в условиях изготовления корпусных конструкций) создаются

поперечными ребрами, которые привариваются к пластинам с со­ хранением на некоторой длине свободного недоваренного уча­ стка. Толщина листов .принимается наибольшей в соответствии с выбранной в проекте.

Сварка таких проб производится в условиях, сопоставимых с условиями сварки монтажных соединений судовых корпусных конструкций.

Выполнение сварки продольного шва этой пробы представ­ ляет собой контрольную проверку, позволяющую убедиться в отсутствии трещин в шве, что свидетельствует о достаточной его технологической прочности для принятых условий.

Наличие подобных проб является показателем того, что к на­ стоящему времени вопрос о выборе материала для различных сварных конструкций в общей форме пока еще полностью не решен. Этот вопрос зависит от большого количества факторов и является весьма сложным.

Некоторые материалы, имеющие хорошие показатели проч­ ности и пластичности при одноосном напряженном состоянии и комнатной температуре, в условиях более сложного напряжен­ ного состояния и низкой температуры работают менее удовле­ творительно. К числу таких материалов можно отнести, например, кипящие малоуглеродистые стали.

В настоящее время проводятся исследовательские работы, чтобы составить общую методику оценки пригодности материала для сварных конструкций. При этом считают, что основными факторами, определяющими стойкость сварных конструкций про­ тив хрупких разрушений, являются: химический состав металла; температура эксплуатации конструкции; толщина элементов; на­ чальные пластические деформации металла, полученные в про­ цессе изготовления конструкции; жесткость напряженного состоя­ ния.

По химическому составу наиболее хорошо свариваемыми считают стали при следующем ограничении основных элементов:

2,5%; 2) с начальными пластическими деформациями в преде­ лах 2,5—5%.

Жесткость напряженного состояния оценивается тремя зна­ чениями коэффициента А, которые принимаются для различных условий равными: кг = 1; k2 = 1,4; k3 = 2.

Наиболее жесткие условия создаются в конструкциях, состав­ ленных из элементов больших толщин при наличии многоосных остаточных напряжений без последующей термической обработки, при резком изменении конструктивной формы.

Подобная общая система окончательно еще не установлена, в связи с чем пока и применяются отдельные частные пробы на свариваемость, учитывающие особенности конкретных условий производства.

При проектировании сварных конструкций для улучшения их технологичности необходимо стремиться к тому, чтобы принятое общее конструктивное решение предусматривало возможность применения наиболее простых форм сварных соединений и узлов, минимальное количество отдельных элементов и деталей (например, возможно меньшее число различных фасонных профилей, толщин листового проката и т. п.). Принятое конструктивное решение должно обеспечивать также возможность применения наиболее прогрессивных механизированных и автоматизированных мето­

дов на всех этапах изготовления сварной конструкции: при за­ готовке деталей, при сборке и сварке ее отдельных узлов и при ее окончательном монтаже на месте установки.

Сокращение объема монтажных работ. Для общей характе­ ристики технологичности конструкций можно использовать при­ мер примененных цельносварных пролетных строений, в которых главные фермы приняты с жестким нижним поясом (рис. 5.9).

Возможность увеличения длины панели (до 16,5 м) путем при­ менения нижнего пояса в виде балки жесткости, допускающей внеузловое прикрепление поперечных балок проезжей части,

Количество отдельных деталей составляет для клепаной кон­ струкции 2500 шт., тогда как для сварной конструкции оно равно 1150 шт.

Общий вес пролетного строения клепаной конструкции со­ ставляет 237 т, а для сварной конструкции он равен 172 т, что дает экономию металла 27%.

Основным процессом современного производства сварных кон­ струкций должна являться механизированная или автоматизиро­ ванная сварка.

Недостаточная технологичность конструкции ограничивает применение автоматической сварки. Так, например, при наличии коротких швов в изделиях индивидуального производства при­ менение электродуговой автоматической сварки является неэффек­ тивным, а в некоторых труднодоступных местах применение ее бывает даже невозможным.

В таких случаях необходимо улучшать конструкцию, устра­ няя в ней труднодоступные места и изменяя, если это возможно, конструктивные решения, которые требуют применения большого числа коротких швов.

Применение коротких швов, кроме того, может быть нежела­ тельным еще и потому, что они создают концентрацию напряже­ ний, которая, не являясь опасной при статической нагрузке, оказывает отрицательное влияние при действии вибрационной нагрузки. В таких случаях замена коротких швов непрерывными дает двойной эффект — не только обеспечивает возможность при­ менения автоматической сварки, но и способствует повышению выносливости элементов конструкций.

Примером подобного сочетания условий является конструк­ тивное решение-, принятое в цельносварных пролетных строениях железнодорожных мостов.

При проектировании стержневых элементов сварных ферм вместо обычно применяемых составных стержней со сквозным сечением, состоящих из отдельных веток, связанных между собой большим количеством элементов соединительных решеток, при­ вариваемых короткими швами, были приняты стержни со сплош­ ным сечением, составленные из отдельных полос, связанных ме­ жду собой непрерывными поясными швами.

Короткие швы, выполняемые электродуговой сваркой, в не­ которых случаях могут быть заменены сварными точечными со­ единениями, выполняемыми высокопроизводительным способом контактной сварки. Это относится к узлам легких стропильных ферм и другим элементам строительных конструкций.

Сварные точечные соединения применяются достаточно широко в узлах легких тонкостенных конструкций. За последние годы появились новые более мощные машины для точечной сварки, что позволило расширить применение этого способа сварки в область конструкций, характеризующихся применением элементов с более значительной толщиной. Многие строительные конструкции вы­ полняются в настоящее время с применением сварных точечных соединений. Это позволяет значительно повысить уровень приме­ нения механизированных способов сварки и снизить стоимость изготовления конструкций.

§ 23. С О В РЕМ ЕН Н Ы Е Н А П РА В Л Е Н И Я В П РО ЕК ТИ РО В А Н И И И И ЗГО ТО ВЛЕН И И СВА РН Ы Х К О Н СТРУ КЦ И Й

Возможность выбора наиболее удачной для заданных условий формы сварных соединений позволяет достигать высоких показа­ телей технологичности сварных конструкций.

П роектирование технологии сварки. В большой степени каче­ ство сварной конструкции зависит от выбора надлежащего режима сварки, обеспечивающего получение заданных свойств металла