книги / Сварные конструкции.-1

Принимаемые при расчетах коэффициенты зависят от свойств материала и в более общем случае, как это доказывается в теории сварочных деформаций и напряжений, определяются зависимостью

Здесь а — коэффициент линейного расширения материала;

с— удельная теплоемкость;

у— удельный вес.

Значение этих величин для различных металлов, применяю­ щихся в сварных конструкциях, приведены в табл. VI. 1.

П р и м е р . Определить укорочение и стрелку прогиба элемента от сварки пояс­ ного шва (фиг. VI. 5). Материал: малоуглеродистая сталь.

Фиг. VI. 5. К примеру расчета остаточных деформаций.

По заданным размерам поперечного сечения элемента определяются его ха­ рактеристики. Ç данном случае они будут равны: площадь F = 24 см 2, ордината центра тяжести г = 2,75 см ; момент инерции J = 398 см 4.

Если размеры шва известны, то значение погонной энергии может быть опре­ делено по формуле

Яп == 150Fш.

Здесь qn — погонная энергия, к а л /см ;

Fui — площадь поперечного сечения шва, м м 2. Принимая для углового шва

Общее укорочение элемента по формуле (VI. 3) будет равно

A L = А т 1 = 3,8-10-*.600 = 0,23 см .

Стрелка прогиба элемента по формуле (VI. 4) будет равна

§4. Влияние остаточных напряжений на прочность

Втеории сварочных напряжений и деформаций рассмотрены, особенности работы элементов, имеющих начальные сварочные

напряжения, и показано, что действие внешней нагрузки вызывает в сварной конструкции местные пластические деформации и при­ водит к снижению начальных напряжений при первом загружении. Последующие нагружения (если они по величине не превосходят первое) не вызывают дополнительного роста местных пластических деформаций и работа конструкции происходит упруго.

Наличие значительных пластических деформаций при разру­ шении статической нагрузкой само по себе уже свидетельствует о том, что к моменту разрушения образцы не могут иметь сущест­ венных различий в начальном напряженном состоянии.

В то же время известно, что сварочные напряжения снижают прочность конструкций из хрупких материалов, неспособных да­ вать пластические деформации. Следовательно, в конструкциях из малоуглеродистых и низколегированных сталей, внутренне уравновешенные сварочные напряжения могут снизить прочность сварного соединения лишь в том случае, если материал сварного соединения будет приведен в абсолютно хрупкое состояние, т. е. практически полностью потеряет способность пластически деформироваться. Такое состояние материала может иметь место при температурах ниже критической температуры хрупкости, зна­ чение которой зависит от формы образца. В этом случаесварочные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, приведут к снижению величины разрушающей нагрузки. Однако, если этим исключительно тяжелым условиям работы предшество­ вала работа конструкции в более легких условиях (например, при положительной температуре), то снижения разрушающей нагрузки не произойдет вследствие смягчения остроты концентратора на­ пряжений за счет пластических деформаций, происшедших при предшествующих нагружениях. Этим и объясняется то обстоя-

тельство, что в реальных конструкциях при статических нагрузках снижение прочности от действия остаточных напряжений наблю­ дается весьма редко.

При статической нагрузке низкая температура и высокие кон­ центраторы напряжений весьма существенно влияют на прочность элементов, значительно ее снижая. Влияние остаточных напряже­ ний при этом мало по сравнению с другими факторами и поэтому с ним практически можно не считаться. Таким образом, для конструкций, эксплуатирующихся при низких температурах, сня­ тие сварочных напряжений с целью повышения их прочности ока­ зывается бесполезным. Предупредить возможное в этих условиях снижение прочности можно лишь устранением концентраторов напряжений.

Пластические деформации при ударном разрушении оказы­ ваются по величине не меньше, чем при статическом разру­ шении.

Таким образом, на основании тех же соображений можно за­ ключить, что общая оценка влияния остаточных напряжений на прочность при ударе должна быть такой же, как при статической нагрузке. Наличие пластических деформаций при разрушении ударом также свидетельствует о том, что разницы в напряженном состоянии отдельных образцов к моменту разрушения существо­ вать уже не должно; поэтому остаточные напряжения не могут оказывать влияния на прочность.

При вибрационной нагрузке разрушение не сопровождается пластическими деформациями. В связи с этим предел выносливости элементов конструкций в сильной степени зависит от концентра­ ции напряжений, а также от местного изменения свойств металла, которое возможно при различных технологических воздействиях в процессе изготовления конструкций. По тем же причинам влия­ ние остаточных напряжений при вибрационной нагрузке должно проявляться более заметно, чем при статической нагрузке и ударе, при которых значительные пластические деформации, происходя­ щие в процессе нагружения, устраняют остаточные напряжения.

Результаты вибрационных испытаний показали, что при от­ сутствии концентраторов напряжений остаточные сварочные на­ пряжения не снижают вибрационную прочность образцов из мало­ углеродистой и низколегированной стали. Это можно объяснить тем, что положительное упрочняющее действие наклепа в районе сварных швов компенсирует отрицательное действие растягиваю­ щих остаточных напряжений. При этом отжиг уничтожает оста­ точные напряжения, однако влияет отрицательно, понижая предел выносливости.

Понижение вибрационной прочности после отжига связано с общим понижением прочностных свойств как основного металла, так и сварного шва, что выражается также и в соответствующем снижении предела прочности и предела текучести.

При наличии концентрации напряжений остаточные напряже­ ния проявляются более заметно.

На диаграмме фиг. VI. 6 представлены результаты вибрацион­ ных испытаний крестовых образцов (см. фиг. III. 7). Эти резуль­ таты показывают, что даже при резком изменении формы образцов снятие остаточных сварочных напряжений не приводит к повыше­ нию предела выносливости. Отжиг образца, уничтожающий упроч­ няющее влияние наклепа, приводит к снижению вибрационной проч­

созданы другими методами, районы действия остаточных напря­ жений и концентрации местных пластических деформаций могут быть разделены друг от друга. Если при этом действие внешней нагрузки будет в большей степени сконцентрировано в районе действия остаточных растягивающих напряжений, а участки, в которых произошли местные пластические деформации, будут

будет уже компенсировать отрицательное действие остаточных напряжений. В этом случае произойдет снижение предела вынос-

ливости, определяемое суммированием остаточных напряжений с напряжениями от внешней нагрузки и изменением характерис­ тики цикла суммарных напряжений. Это может быть подтверждено результатами испытания крестовых образцов, приведенными в табл. VI. 2. Как видно по результатам испытания, влияние оста­ точных напряжений в данном случае проявилось определенно. Растягивающие остаточные напряжения привели к снижению предела выносливости, тогда как сжимающие остаточные напря­ жения привели к его повышению.

Рассмотренные условия испытания крестовых образцов с раз­ личными остаточными напряжениями представляют собой слу­ чай, когда остаточные напряжения оказывают влияние на проч­ ность. При этом влияние остаточных напряжений в зависимости от их знака может быть как отрицательным, так и положительным.

§ 5. Меры борьбы с деформациями и напряжениями

При сварке в закреплениях образуются остаточные растяги­ вающие напряжения, которые могут снизить прочность. Подобное положение в реальных конструкциях встречается, например, при сварке монтажных стыков. В монтажных стыках сварка замыкаю­ щих швов производится в условиях достаточно жесткого закрепле­ ния, созданного тем, что детали, свариваемые в последнюю оче­ редь, присоединены к уже сформированной ранее части конструк­ ции; в связи с этим возможность перемещения их сильно огра­ ничена.

При наличии жестких закреплений укорочение в районе шва, вызванное сосредоточенным нагревом при сварке, может привести к появлению трещин ещё в процессе остывания нагретого участка. Если этого не произойдет, то оставшееся так называемое реак­ тивное напряжение, суммируясь 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 сварным швам, где некоторое упрочнение в известной мере может снизить отрицательное влияние остаточных напряжений, но и в сечениях по основному металлу вдали от сварных швов, где упрочняющего влияния от местных пластических деформаций не имеется.

Наиболее эффективной мерой борьбы с реактивными напряже-

формаций.

честве примера можно привести случай сварки монтажного стыка двутавровой балки (фиг. VI. 7). Если осуществить в первую оче­ редь сварку стыка вертикальной стенки, а затем выполнить сварку стыковых швов поясов, то реактивные напряжения в поясах будут растягивающими (фиг. VL 7, а). Если эту последователь­ ность изменить и сваривать в первую очередь стыковые швы по­

ясов, а в последнюю очередь выполнять сварку стыкового шва вертикальной стенки, то растягивающие реактивные напряже­ ния будут в стенке, а пояса будут сжаты (фиг. VI. 7, б).

Если оставить на некотором участке незавершенными поясные швы, которые ограничивают перемещение соединяемых деталей (поясов и стенки), и в таких условиях производить сварку стыко­ вых швов монтажного стыка (в последовательности, указанной, например, для случая на фиг. VI. 7, б), то реактивные напряжения будут значительно уменьшены. При этом величина уменьшения напряжений будет зависеть от длины свободного участка /. Сваркапоясных швов может производиться в последнюю очередь потому, что продольное укорочение от них незначительно и реактивными напряжениями от них можно пренебречь. В этом случае реактив­ ные напряжения можно характеризовать эпюрой фиг. VI. 7, в. Однако при такой последовательности сварки возможно появле­ ние нежелательного изгиба незакрепленных поясов из-за местных угловых деформаций, возникающих при сварке стыковых швов. С целью предупреждения таких деформаций поясам можно при­ дать соответствующий предварительный упругий выгиб, который будет способствовать также еще большему снижению величины остаточных напряжений.

Таким образом, в швах, завариваемых в последнюю очередь, возникают реактивные растягивающие напряжения; поэтому в балках, пояса которых нагружены более интенсивно, швы в пол­ ках целесообразно заваривать в первую очередь.

При сварке монтажного стыка главной балки пролетного строе­ ния моста им. лейтенанта Шмидта в Ленинграде стыковой шов верхнего пояса, выполнявшийся в последнюю очередь, при нали­ чии полного закрепления, созданного приваркой поясных швов к уже сформированной части сечения, был разрушен еще в про­ цессе сварки (фиг. VI. 8 ). Применение роспуска поясных швов на достаточно большой длине позволило осуществить сварку сты­ ковых швов в поясах и стенке; однако отсутствие упругого выгиба поясов, необходимого для устранения угловых деформаций, при­ вело к недопустимым искривлениям поясов (фиг. VI. 8 , б). Только сочетание роспуска поясных швов, применение упругого выгиба поясов (фиг. VI. 8 , в), осуществляемого домкратами, и правильная последовательность выполнения сварки отдельных сварных швов обеспечили высокое качество монтажных стыков. Подобная последовательность сварки монтажных стыков и меры, принимаемые для устранения в них реактивных напряжений, неоднократно применялись при сварке многих других мостовых конструкций и всегда обеспечивали полный успех.

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ § 1. Особенности изготовления сварных конструкций

Применение сварки предоставило большие возможности в деле механизации и автоматизации производственных процессов, что создало благоприятные условия для достижения более высоких показателей качества выпускаемой продукции при одновременном значительном повышении производительности труда.

Однако для полного использования всех преимуществ сварных конструкций необходимо учитывать их некоторые особые свойства, которые заставляют выдвигать ряд новых требований по отноше­ нию к применяемым материалам,' формам сопряжений и узлов, а также к технологии их изготовления.

Процесс сварки оказывает значительное тепловое воздействие на металл, которое может привести к существенным изменениям свойств основного металла и кроме того оно является причиной появления остаточных деформаций и напряжений в конструкции.

Врезультате сосредоточенного местного теплового воздействия

взоне шва могут происходить изменения свойств металла, связан^ ные с процессами плавления, кристаллизации, возможными струк­ турными превращениями, а также с местными пластическими де­ формациями.

Степень изменения свойств металла в районе шва зависит не

только от теплового режима процесса сварки, но и от свойств основ­ ного металла. Материал сварные конструкций должен обладать таким комплексом свойств, при котором высокие прочностные ха­ рактеристики сварных соединений могли бы быть получены при применении сравнительно простых технологических приемов сварки. При этом он должен обладать свойствами, обеспечиваю­ щими не только его высокую эксплуатационную прочность, но, кроме того, еще и достаточно высокую технологическую прочность, т. е. должен выдерживать без разрушения усилия, возникающие в процессе сварки.

В процессе остывания сварного соединения при некоторых условиях возможно появление в нем трещин. Условия образова­ ния таких трещин зависят от свойств металла, формы и размеров подготовленных к сварке кромок и от технологии сварки.

В зависимости от условий образования трещин (в основном в зависимости от температур, при которых отмечается их появле­ ние) различают «горячие» и «холодные» трещины.

«Горячие» трещины возникают при температуре, близкой к ли­ нии солидуса, в процессе уменьшения объема затвердевающей прослойки жидкого металла, находящейся в замкнутом контуре между уже затвердевшими кристаллами. На процесс образования «горячих» трещин большое влияние оказывает химический состав металла шва, определяющий свойства жидких прослоек.

Для некоторых по составу прослоек рост механической проч­ ности идет медленнее, чем рост напряжений, возникающих от сокращения объема. Это и приводит к образованию «горячих» трещин. Сера, углерод, кремний и водород способствуют образо­ ванию «горячих» трещин, а марганец повышает стойкость металла к трещинообразованию. Чем больше в металле шва элементов, способствующих образованию легкоплавких эвтектик и химиче­ ских соединений, располагающихся при кристаллизации по гра­ ницам 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 образо­ вания является концентрация углерода и легирующих элементов, вызывающая закалку. Появлению «холодных» трещин способст­ вует 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 машино­ строения. Основными мерами борьбы с появлением «холодных» трещин является подбор теплового режима сварки, применение дополнительного подогрева и последующей термической обра­ ботки.

Для обеспечения высокой технологической прочности металла сварных конструкций оказалось необходимым устанавливать для него более жесткие ограничения по химическому составу по сравне­ нию с металлом клепаных конструкций. В связи с этим для ме­ талла сварных конструкций ограничено содержание углерода, а также принято более строгое ограничение вредных примесей (серы и фосфора). Правильным выбором основного металла обес­ печиваются не только необходимые свойства металла основных элементов конструкции, но и необходимые свойства металла, рас­ положенного непосредственно в зонах сварных швов, подвергаю­ щихся тепловому воздействию процесса сварки.

Свойствами основного металла, а также и металла шва опре­ деляется и степень того влияния, которое могут оказать свароч­

(а также при соблюдении некоторых требований по отношению к формам сварных соединений и технологии изготовления), свароч­ ные напряжения не снижают прочности сварных конструкций; поэтому не требуется усложнять процесс их изготовления приме­ нением дополнительных специальных мер для предупреждения' сварочных напряжений или мер для их полного снятия.

При проектировании и изготовлении сварных конструкций необходимо учитывать также, что они являются монолитными. Это требует несколько иного подхода к проектированию и изгото­ влению сварных конструкций, которые имеют более жесткие узлы, ограничивающие свободу перемещения отдельных элементов между собой.

Форма сварного соединения имеет особенно большое значение для прочности сварных конструкций, воспринимающих динами­ ческую нагрузку, а также для конструкций, работающих в усло­ виях действия низких температур, при которых даже первона­ чально пластичный материал может потерять свои пластические свойства и перейти в хрупкое состояние.

Опыт изготовления и эксплуатации таких конструкций пока­ зал, что оформление всех основных узлов по типу, напоминающему узлы клепаных конструкций, и применение в них нахлесточных соединений, характеризующихся высокой концентрацией напря­ жений, приводит к преждевременному появлению в отдельных перенапряженных участках местных разрушений. Поэтому такие соединения в основных рабочих элементах сварных конструкций, воспринимающих динамическую нагрузку, рекомендуется не при­ менять .

Соединения основных несущих сварных конструкций осущест­ вляются прямыми стыковыми швами. Болеё трудоемкие косые стыковые швы не должны применяться, так как при условии, когда металл сварных швов не уступает по прочности основному металлу и при обеспечении высокого качества сварных швов, на­ добности в косых швах нет.

Обеспечение высокой технологической и эксплуатационной прочности достигается не только выбором материала и конструк­ тивных форм, но также и технологией изготовления сварной кон­ струкции.

Основной технологической мерой борьбы с появлением трещин в процессе изготовления конструкций является выбор теплового режима сварки.

При изготовлении сварных конструкций следует учитывать также жесткость их узлов. При этом необходимо обеспечивать та­ кую последовательность сборки и сварки, при которой исключа­