25.11.2021

                                            группа: 412

 Предмет: Контроль качества сварных соединений.

Тема урока:Деформации и напряжения при сварке соединений различных видов. Влияние остаточных напряжений и деформаций на работоспособность сварных конструкций

Поперечное укорочение. Обусловлено поперечной усадкой шва и околошовной зоны. Оба вида деформации образуются при симметричном наложении сварных швов. Численные значения усадки для различных типов сварных соединений зависят от способа сварки.

Поперечные швы, расположенные перпендикулярно продольной оси балки, вызывают укорочение балки, а если они расположены не в центре тяжести ее поперечного сечения, то вызывают изгиб балки (Рис. 3а).

Деформация изгиба конструкции возникает при несимметричном расположении швов относительно центра тяжести сечения или продольной оси изделия, и определяется стрелой прогиба ƒ. Например, в тавровом сечении или при сварке двух листов разной ширины встык (Рис. 3 а, б).

 

Рис. 3. Остаточные деформации изгиба:

а – сварных тавровых балок; б – сварных листов.

 

Угловые деформации (V-образность) возникают в результате поперечной усадки сварных швов и зон, в которых при нагреве образовались пластические деформации (Рис. 3 б). Угловые деформации возникают при неполном проплавлении шва на всю толщину свариваемых заготовок. При полном же проплавлении металла на всю толщину угловые деформации незначительны или полностью отсутствуют. Такие деформации измеряются углом отклонения элемента заготовки от прямолинейного расположения или величиной отклонения в миллиметрах на определенной длине этого элемента.

 

Грибовидность полок(Рис. 3 а), как разновидность угловой деформации свариваемых тавровых или двутавровых профилей, представляет собой свисание, отклонение полок в направлении к сварным швам. Сварной шов при поперечной деформации тянет металл заготовки на себя. Величина угловой деформации оценивается величиной угла β.

Большие прогибы балок возникают, если имеется много поперечных швов, и они расположены несимметрично по ширине элемента (Рис. 4) и они придают изделию волнистость.

Выпучины и волнистость (Рис. 4) образуются в конструкциях из листового металла в результате возникновения в разных местах остаточных напряжений сжатия и потери устойчивости листов.

Рис. 4. Местные остаточные деформации:

а – выпучивание листов;

 При сварке на отдельных участках сварного соединения часто возникают напряжения, которые достигают величины предела текучести – т.е. напряжения, при котором образец, деформируясь, получает остаточное удлинение еще до приложения к нему внешней нагрузки.

Прочность сварной конструкции может оказаться ниже расчетной, когда остаточные сварочные напряжения и рабочие напряжения будут одного направления – одного знака и просуммируются.

Резервом повышения прочности сварной конструкции являются рабочие и остаточные напряжения разного знака, которые в некоторых случаях могут взаимно компенсироваться, но это носит вероятный характер и встречается редко.

При статической нагрузке остаточные сварочные напряжения в значительно меньшей мере влияют на прочность сварных соединений и конструкций. Если напряжения от внешней нагрузки складываются с остаточными сварочными напряжениями, то наступает местная пластическая деформация конструкции чаще всего в околошовной зоне, в результате которой увеличения напряжений выше предела текучести на отдаленных от шва участках практически не происходит.

Металл утрачивает способность пластически деформироваться в следующих случаях:

– при наличии значительной площади или объема металла с остаточными сварочными напряжениями, т.е. при малых удельных напряжениях;

– при низкой температуре окружающей среды, что может перевести металл в хрупкое состояние, с последующим образованием трещин.

Металлы с низкими пластическими свойствами, такие как некоторые легированные стали склоны к переходу в хрупкое состояние в значительно большей степени. В связи с этим, сварные соединения и конструкции из высокопрочных сталей весьма чувствительны к наличию остаточных напряжений.

Остаточные напряжения увеличивают вероятность усталостного разрушения конструкций при переменных и вибрационных нагрузках, особенно при наличии концентраторов напряжений в виде острых надрезов, а также с понижением пластических свойств металла.

Хрупкое разрушение конструкции при наличии сварочных собственных напряжений растяжения имеет следующие особенности:

– разрушение носит внезапный характер и не имеет следов предшествующей ему пластической деформации;

– хрупкая трещина, возникая в местах концентрации напряжений, пересекает большую часть или все сечение;

– разрушение наступает при незначительных рабочих напряжениях.

В этом случае поле остаточных сварочных напряжений играет роль источника энергии для развития возникающей хрупкой трещины.

В том случае, когда возникают не растягивающие, а сжимающие остаточные сварочные напряжения значительной величины, они могут вызывать потерю устойчивости элементов или конструкции (резервуаров, трубопроводов и др.) в целом, то есть стать причиной значительной деформации или разрушения конструкции.

 

Влияние остаточных деформаций на качество сварных конструкций.

Остаточную деформацию в результате сварочных напряжений могут иметь детали, узлы и крупные конструкции. Эти деформации являются причиной таких негативных явлений, как:

– затрудняют сборку конструкции или монтаж ее на фундаменте без подгонки, правки, подрубки; это усложняет технологию работ и увеличивает их трудоемкость;

– очень опасны искажения геометрической формы элементов и конструкции в целом, так как в процессе их правки и монтажа создаются дополнительные неучтенные напряжения в несущих элементах, что может привести к разрушению конструкции даже при небольших эксплуатационных нагрузках;

– искажение геометрической формы сварных рабочих органов машин (например, шнек дозатора, транспортера или пресса), трубопроводов существенно ухудшает эксплуатационные характеристики этих изделий;

– назначение повышенных припусков на механическую обработку из-за деформации деталей или узлов, предназначенных для механической обработки с целью придания им требуемой точности размеров и геометрической формы, увеличивает расход металла;

– ухудшается внешний вид изделий, что в основном относится к листовым обшивкам кабин автомобилей, комбайнов, вагонов; снижается рыночная конкурентоспособность деформированной конструкции с искаженной геометрической формой.

Прогнозирование возникновения вероятных напряжений и полей их распределения в сварных конструкциях позволяет уже на стадии проектирования этих конструкций и разработки технологии их изготовления уменьшить или почти исключить возникновение сварочных напряжений и вызываемых ими деформации. Аналитические методы определения напряжений, ввиду сложности решения этих задач, большого распространения не получили. Поэтому чаще всего используют экспериментальные методы определения остаточных напряжений и деформаций, а наиболее эффективны – практические приемы минимизации сварочных напряжений на стадиях проектирования конструкций, обработки, технологии подготовки и выполнения сварочных работ, а также ликвидации напряжений путем термообработки готового изделия.

– поскольку увеличение поперечного сечения швов ведет к увеличению объемов металла, создающего напряжения и деформации, то необходимо назначить минимальные, но допускаемые прочностным расчетом сечения сварных швов, обеспечивающие необходимую прочность и плотность конструкции;

– использовать способы сварки с минимальным тепловложением, например, контактную сварку вместо электродуговой, многопроходную вместо однопроходной;

– располагать швы, возможно, ближе к оси, проходящей через центр тяжести сечения;

– компенсировать ожидаемые деформации и перемещения путем симметричного расположения швов, создания дополнительных зон пластической деформации; целесообразно избегать одностороннего расположения поперечных швов в балках, а каждую пару швов располагать симметрично относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения;

– балочные конструкции проектировать такого поперечного сечения и с таким расположением швов, чтобы изгибающие моменты, создаваемые сжимающими напряжениями, были взаимно уравновешены, это обеспечивает минимальный изгиб балок;

– число швов в конструкции должно быть, по возможности, минимальным; избегать пересечения нескольких швов и большого скопления металла в узлах, что позволит уменьшить концентрацию тепла в одном месте;

– для уравновешивания, деформаций в изделии припуски деталей на усадку должны быть равны усадке, чтобы размеры конструкции после сварки соответствовали проектным;

– для уменьшения угловой деформации стыкового соединения угол раскрытия V-образной разделки должен быть минимальным;

– если позволяют условия прочности конструкции, то выполнять прерывистые швы, вместо сплошных;

– при сварке заготовок разной толщины, необходимо на более толстой заготовке снять фаску, чтобы в месте контакта (сварки) заготовки были одинаковой толщины;

– в пространственно развитых конструкциях коробчатого сечения для предотвращения потери устойчивости свариваемых элементов и образования выпучин целесообразно применять вспомогательные элементы в виде ребер жесткости, диафрагм, косынок, распоров;

– необходимо предусматривать размещение в конструкции свариваемых элементов, отверстий, полок и т.п. таким образом, чтобы обеспечить возможность использования зажимных сборочных приспособлений;

– в конструкциях с тонкостенными заготовками для уменьшения вероятности потери их устойчивости необходимо располагать швы на жестких элементах либо вблизи них, чтобы разгрузить тонкие листы от напряжений сжатия;

– во всех случаях, когда есть опасение, что могут возникнуть нежелательные искажения размеров и формы конструкции, проектирование ведут так, чтобы обеспечить возможность последующей правки изделия.

Изучить:  1. Виды деформаций и напряжений при сварке.

                  2. Влияние остаточных напряжений на вероятность усталостного разрушения конструкций.

                  3. Влияние остаточных деформаций на качество сварных конструкций.