02.12.2021

                                            группа: 303

 Предмет: Контроль качества сварных соединений.

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

Сварочные напряжения, возникающие в сварной конструкции, уравновешены в ее пределах: они вызываются внутренними процессами, а не воздействием внешних сил и, следовательно, как во всякой конструкции, так и в любом ее полном сечении в сумме равны нулю. Однако в отдельных элементах конструкций остаточные напряжения от сварки суммируются с напряжением от внешней нагрузки и появляются местные пластические деформации.

На основании схематизированного рассмотрения процесса приложения и снятия внешней нагрузки к образцу, в котором были остаточные сварочные напряжения, можно сделать следующие выводы:

• 1) приложение внешней нагрузки сразу вызывает перераспределение внутренних напряжений в образце и пластическую деформацию зоны шва;
• 2) после снятия внешней нагрузки образец остается удлиненным, а внутренние напряжения в нем уменьшаются;
• 3) если при внешнем нагружении образца напряжения по всему его сечению достигли предела текучести, то после снятия нагрузки никаких внутренних напряжений в образце не останется.

Как видно, сварочные напряжения не снижают прочности конструкции, изготовленной из пластичного материала, обладающего площадкой текучести на диаграмме растяжения. При первом же эксплуатационном нагружении эти напряжения будут уменьшаться. При нагружении до полного исчезновения сварочных напряжений величина пластической деформации зоны шва будет находиться в пределах 0,12-0,15%. Например, для стали Ст. 4С при bs - 2400 кг/м² относительное удлинение = 0,12%.

Так как протяженность площадки текучести на диаграмме растяжения составляет 2-3%, то ясно, что при указанном процессе снятия сварочных напряжений под нагрузкой пластические свойства материала используются в весьма малой степени.

Рассмотренная картина относилась только к линейному, т. е. одноосному напряженному состоянию. Однако, как показывают исследования, она остается справедливой и в случае плоского напряженного состояния, т. е. при действии напряжений в двух взаимно-перпендикулярных направлениях.

Некоторое исключение может составить только случай, когда зона растягивающих сварочных напряжений совпадает с очагом местной высокой концентрации напряжений, вызванных конструктивными или технологическими причинами. Например, плоское и даже объемное напряженное состояние, при котором затруднено пластическое деформирование металла, создается в вершине острого угла или надреза. Не исключена возможность, что в таком напряженном участке при резком понижении температуры или других неблагоприятных обстоятельствах может произойти хрупкий разрыв, однако наличие пластичного материала вокруг очага значительно ослабляет эту опасность. Объемное напряженное состояние от укорочения зоны шва может также возникнуть при сварке встык материала большой толщины (50 мм и выше). Г.А. Николаев сообщает, что при сварке элементов из низкоуглеродистых сталей толщиной свыше 50 мм третий компонент остаточных сварочных напряжений достигает 500 кг/см 2, а при толщине 70 мм и более он значительно возрастает (приблизительно пропорционально квадрату толщины свариваемого элемента). В условиях такого резко выраженного объемного напряженного состояния материал становится склонным к хрупким разрушениям. Ввиду этого при сварке стали больших толщин приходится принимать во внимание сварочные напряжения и даже снимать их (например, термообработкой конструкций).

Вопрос о влиянии сварочных напряжений на усталостную прочность в настоящее время находится в стадии изучения.

Нельзя не учитывать также и влияние пластических деформаций (наклепа), возникающих при сварке. Как известно, при наклепе повышаются пределы текучести и прочности, а соответственно и предел усталости материала. В результате оба названных фактора взаимодействуют, и поэтому резкого влияния сварочных напряжений на циклическую прочность сварных соединений не наблюдается. Несколько иначе должен рассматриваться вопрос о влиянии реактивных напряжений на прочность конструкций.

Применением рационального технологического процесса можно предотвратить появление широких зон реактивных напряжений одного знака. Чтобы избежать, например, значительных растягивающих напряжений в палубе, нужно сваривать последними швы, расположенные ближе к нейтральной оси корпуса. В этом случае в палубе и днище либо уменьшатся растягивающие напряжения, либо появятся напряжения сжатия, уравновешивающие растяжение в бортах. По целому периметру корпуса напряжения будут уравновешены, а в наиболее удаленных волокнах - палубе и днище - однозначные растягивающие напряжения не появятся.

При расчетах общей прочности и выборе размеров связей судового корпуса (а также и других металлических конструкций) остаточные уравновешенные напряжения, безусловно, не должны учитываться.

Для предотвращения же реактивных напряжений требуются тщательная проработка и соблюдение технологического процесса изготовления конструкции.

Рассмотрим влияние на прочность структурных напряжений. Под воздействием внешней нагрузки на сварное соединение в зоне шва будут происходить пластические деформации, которые, как мы видели, не оказывают отрицательного влияния на прочность соединений, изготовленных из пластичных материалов. Структурные напряжения свидетельствуют о наличии в зоне шва закалочных структур с пониженной деформационной способностью. В таких зонах при действии внешней нагрузки беспрепятственное перераспределение и снятие напряжений невозможно. На основании этого приходим к выводу, что структурные напряжения при действии внешней нагрузки могут привести к трещинам и надрывам в зоне шва. Наиболее эффективным средством устранения структурных напряжений (если их не удалось избежать выбором режима сварки) является термическая обработка деталей, которая должна осуществляться сразу же после сварки (до образования трещин) с нагревом до 800-850° С. Применение термообработки для снятия сварочных напряжений в изделиях из низкоуглеродистых сталей, как правило, нецелесообразно; в ряде случаев она может привести даже к отрицательным результатам, так как при отжиге снижаются прочностные свойства металла. В таких сталях проводят термообработку только в отдельных конструкциях (при толщине металла свыше 50 мм) для снятия объемных напряжений.

Для конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей малой и средней толщин снятие сварочных напряжений путем термообработки проводится только в том случае, если конструкция в дальнейшем поступает на механическую обработку. Это обусловливается следующим.

Как указывалось, во всякой конструкции после сварки внутренние напряжения находятся в равновесии. При механической обработке приходится удалять некоторую часть металла. В связи с этим происходит перераспределение напряжений, и в конструкции возникают вторичные деформации. Верхняя часть эпюры продольных напряжений в строганой балке окажется смещенной вниз, хотя общий характер эпюры останется неизменным. Вторичное деформирование сварных деталей во время или после механической обработки (если деталь была жестко закреплена на станке) недопустимо, например, для точных машиностроительных конструкций. Низкотемпературный отпуск позволяет предотвратить это. Вопрос о влиянии сварочных напряжений на прочность конструкций при действии динамических, ударных нагрузок нельзя считать окончательно изученным. Можно предполагать, что в этих условиях влияние напряжений сказывается сильнее, чем при статическом нагружении. Степень динамичности действующего усилия характеризуется коэффициентом динамичности, который выражает отношение наибольшей деформации конструкции к ее деформации при статическом действии того же усилия. При больших коэффициентах динамичности деформации будут происходить в сравнительно ограниченной зоне конструкции. Если зона деформации при динамическом воздействии совпадает с зоной активных сварочных напряжений, то в этом участке можно ожидать появление разрыва. Иногда стремятся избежать этого значительным усилением размеров шва или использованием электродных материалов с особенно высокими пластическими свойствами, обеспечивающими в то же время необходимую прочность.

Сварочные деформации, т. е. внешние формоизменения сварных конструкций в результате сварки, являются очень серьезным фактором, который может повлиять на работу сварной конструкции.

В судовых конструкциях, выполняемых преимущественно из листов, сварочные деформации, с одной стороны, вызывают неравномерность в распределении усилий между отдельными участками конструкций, а с другой, - могут изменить критические нагрузки, вызывающие потерю устойчивости.

Предположим, что на перекрытие действуют продольные растягивающие или сжимающие силы. Если на участках пластин между продольными балками в результате сварки появится волнистость (от укорочения швов по периметру каждой клетки), то пластины не смогут воспринимать усилия; они исключаются из работы и при этом уменьшают расчетное сечение перекрытия.

Вследствие этого участки поясков вдоль продольных балок и сами балки окажутся перенапряженными. При последовательной смене знака нагрузки или многократном снятии и возрастании ее к этому еще добавляются усталостные явления. Пластина будет то выпрямляться, то снова выпучиваться. Поперечные швы будут испытывать многократно повторяющийся изгиб и в них иногда могут возникнуть трещины. Как видно, наличие остаточных деформаций из плоскости весьма неблагоприятно влияет на работу перекрытия. Особенно сильно это влияние может сказаться в тех районах, где уже имеется концентрация напряжений, вызванных конструктивными особенностями.

Исключающиеся из работы деформированные участки будут дополнительно увеличивать степень концентрации, доводя ее до опасных пределов. Местные выпучины и волны на обшивке перекрытий часто сопровождаются общим изгибом балок перекрытий. Начальная кривизна балок вызывает появление в них дополнительных напряжений.

В практике чаще наблюдаются сложные деформации конструкций - изгиб, сопровождаемый выпучиванием обшивки и сокращением размеров в плане. Кроме того, в целом корпусе судна могут происходить общий подъем носа и кормы и искажение обводов против теоретического чертежа. Волны и неровности по обшивке судов, так же как и искажение проектных обводов, увеличивая сопротивление и изменяя осадку, отражаются на мореходных качествах судна. Для надстроек и надводной части корпуса они также играют важную роль, потому что мятые, покоробленные перекрытия с выступающими на них валиками швов портят внешний вид судна.

Таким образом, можно сделать заключение, что проблема борьбы с деформациями сварных конструкций имеет первостепенное значение. Деформации сварных конструкций могут быть значительно уменьшены применением не только соответствующего технологического процесса, но и ряда конструктивных мероприятий, что всегда следует иметь в виду проектировщикам.

Изучить:  1. Сварочные напряжения возникающие внутри конструкции.

                  2. Что необходимо для предотвращения реактивных напряжений?

                  3. Влияние сварочных деформаций на работу конструкции.