Определение деформаций сварных соединений мк

1 Цель и содержание работы

Цель работы – изучение и расчет остаточных деформаций, возникающих в различных соединениях металлических конструкций при электрической дуговой сварке плавлением.

Содержание работы:

а) выбор конструкции соединения;

б) выбор способа соединения;

в) выбор марки и типа электродов;

г) выбор разделки;

д) расчет деформаций.

2 Теоретическое обоснование

Под воздействием сварочной дуги вследствие неравномерного нагрева металла и фазовых превращений в зоне термического влияния происходят упругие и пластические деформации.

Эти деформации изменяют размеры металлической конструкции, а в некоторых случаях могут вызвать трещины и разрушение металла.

Правильный выбор технологии сварки может в значительной степени уменьшить сварочные деформации.

Основные причины, вызывающие напряжения и деформации при сварке, следующие: неравномерный нагрев, усадка наплавленного металла при переходе его в твердое состояние, структурные изменения наплавленного или основного металла в зоне термического влияния, сопровождающиеся изменением объема.

Величина деформаций и напряжений зависит также от вида сварки, формы деталей, их размеров и зоны нагрева при сварке. Менее выражены напряжения и деформации, возникающие при сварке электрической дугой деталей простой формы. Газовая сварка вызывает повышение деформаций вследствие большой зоны термического влияния.

Деформации от сварки бывают временные, происходящие в процессе сварки, и остаточные, образовавшиеся после полного остывания сварной конструкции.

Остаточные сварочные деформации являются результатом пластических деформаций, происходящих во время сварки в околошовных зонах.

Остаточные сварочные деформации влияют на геометрическую форму конструкции, а иногда и на несущую способность элементов (например, коробление сжатых элементов или стенки балки способствует потере устойчивости).

При сварке строительных конструкций наиболее часто встречаются следующие виды деформаций.

Деформации собственно сварных швов. Они бывают продольные и поперечные. Усадку швов по высоте не учитывают, т.к. она не оказывает влияние на деформации конструкций.

Деформации стальных конструкций от сварки могут быть: общие (они характерны для сварного элемента в целом) и местные (образующиеся в пределах одной или нескольких деталей конструкции). К общим деформациям от сварки, которые наиболее часто встречаются в строительных стальных конструкциях, следует отнести: серповидность (саблевидность) элементов; продольное и поперечное укорочение элементов; скручивание (винтообразность) элементов; грибовидность полок сплошных тавровых, двутавровых, Н-образных и т.п. элементов; перекос полок сплошных составных сечений.

Серповидность (саблевидность) элементов (рисунок 3.1) возникает под действием изгиба от неравномерных продольных усадочных деформаций, например:

при несимметричных сечениях сплошных сварных элементов (рисунок 3.1а);

при приварке наружных деталей, расположенных несимметрично относительно нейтральной оси сечения элементов (рисунок 3.1б);

при несимметричном расположении по стенке сечения элементов (рисунок 3.1в).

Продольное укорочение элемента является следствием продольного укорочения от сварки поясных швов, усадки поперечных стыков, швов, прикрепляющих ребра жесткости, и др.

Рисунок 3.1 – Деформации серповидности (саблевидности) от сварки: а – при несимметричном сечении; б – при приварке односторонних наружных деталей; в – при несимметричной приварке мелких деталей по стенке сечения

Для борьбы с деформациями металла при сварке можно рекомендовать:

1) обратноступенчатый порядок нанесения швов, при котором длинный шов делится на участки длиной 150 – 200 мм и сварку ведут отдельными участками – это препятствует концентрации тепла в одном месте и уменьшает зону разогрева изделия;

2) деформирование детали перед сваркой в обратном направлении на ту же величину, которая вызывается сваркой; этот способ обычно применяется для изделий с несимметричным расположением швов;

3) уравновешивание деформаций, т.е. выбор такого порядка наложения швов, чтобы последующие вызывал деформации, обратные тем, которые получились при наложении предыдущего шва (рисунок 3.2а);

4) увеличение отвода тепла от свариваемого изделия. Это уменьшает объем нагретого металла и соответственно его деформацию. Охлаждение достигается погружением частей деталей в воду или применением медных подкладок под деталь;

5) жесткое закрепление свариваемых элементов в специальных приспособлениях. Этот способ, хотя и уменьшает деформацию, но увеличивает внутренние напряжения; последующим обжигом они устраняются;

6) назначение минимальных объемов наплавленного металла; сечения угловых шов следует принимать по расчету или в соответствии с рекомендациями о минимальных катетах шва;

7) последовательность выполнения швов должна допускать свободную деформацию элементов конструкций. Например, при сварке настила из нескольких листов следует в первую очередь выполнить швы, соединяющие листы полос, и лишь затем швы, соединяющие эти полосы между собой (рисунок 3.2б).

Рисунок 3.2 – Последовательность наложения швов для уменьшения деформаций при сварке: а – поясных швов сварных балок; б – настила из нескольких листов

2. Аппаратура и материалы

Тетрадь для лабораторных работ, линейка, карандаш, ластик, ручка, калькулятор для выполнения инженерных расчетов, ГОСТ 9467-75 «Электроды покрытые. Металлические для ручной дуговой сварки конструкций и теплоустойчивых сталей».

4 Указания по технике безопасности

В помещении проведения лабораторных работ должно быть смешанное освещение, то есть естественное и искусственное, что обеспечивает освещенность зоны работ в соответствии с требованиями СНиП.

5 Методика и порядок выполнения работы

Работа состоит из пяти заданий. Общие для всех заданий исходные данные берутся из текстов государственных стандартов:

1. Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия. ГОСТ 535 – 88*.

2. Прокат для строительных стальных конструкций. ГОСТ 27772 – 88.

3. Прокат сортовой калиброванный со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. ГОСТ 1050 – 88*.

4. Прокат из легированной конструкционной стали. Общие технические условия. ГОСТ 4543 – 71*.

5. Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционной и теплоустойчивой стали. Типы. ГОСТ 9467 – 75*.

Отдельные для каждого задания исходные данные в виде типов конструкций, их вариантов, размеров приводятся в текстах заданий.

План выполнения заданий

1. t=10 – 25 мм

2. t₁=10 – 30 мм; t₂=3 – 8 мм.

3. d₁=20 – 300 мм; d₂=25 – 380 мм (d – диаметр трубы).

4. Определение площади поперечного сечения шва A_w:

Рисунок 3.3 – Пример детального изображения поперечного сечения шва

Следует задаться формой разделки кромок и формой валиков, детально изобразить поперечное сечение шва:

t₁ = t₂ ≥ 4 мм, (1)

t₂ ≥ 0,6t₁. (2)

Другие формы поперечных сечений сварных швов принимать по литературным данным. Площади поперечных сечений сварных швов определяются расчетным путем. В лабораторных условиях можно определять планиметром.

5. Определение времени t_sv, необходимого для наплавления шва длиною в один метр.

, (2 а)

где A_w – площадь поперечного сечения шва (см²), принимать по п. 4;

γ – объемный вес стали (г/см³), принимать – 7,8;

c_n – скорость направления шва (г/А.ч), принимать (8 – 9) для электродов из низколегированной стали и (9 – 12) для электродов из стали углеродистой горячекатанной обыкновенного качества;

I_sv – сила сварного тока (ампер), принимать в зависимости от диаметра электрода d_е в мм по формуле

I_sv=(40 – 50) d_e. (3)

6 Определение погонной энергии (кал/см) процесса направления шва.

Погонная энергия q_p вычисляется на 1 пог.см. вдоль оси z (рисунок 3.4) по формуле

, (4)

где I_sv – по п. 5;

U_q – напряжение дуги (вольт);

V_q – скорость сварки; определяется по п. 5 как (I_sv/t_sv) в м/ч;

η – эффективный КПД, зависящий от технологических условий сварки, для ручной электродуговой сварки η=0,5-0,85;

Q_ef – эффективная тепловая мощность дуги (кал);

V_q – скорость перемещения дуги (см/с).

7 Определение укорочения сварного шва после его остывания

Рисунок 3.4 – К определению температурных деформаций сварного стыкового шва: а – сварной шов, рассматриваемый как отдельное физическое тело; б – поперечное сечение сварного шва с центром тяжести

В момент окончания сварки, горячий шов имеет длину l (см); затем шов остывает и укорачивается на величину ∆l (см). Так как поперечные сечения шва при этом поворачиваются относительно главных осей, то длина шва и ее изменение определяются вдоль продольной оси шва, проходящей через центр тяжести поперечного сечения шва (точка 0 на рисунке 3.4б). Укорочение шва ∆l находится из зависимости

, (5)

где μ – константа, характеризующая теплофизические свойства металла; принимать по таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Значения μ для металлов

Металлы	μ, см3/кал
Сталь углеродистая горячекатаная обыкновенного качества	3,5 10-6
Сталь углеродистая горячекатаная аустенитная	(5-6) 10-6
Сплавы алюминия	(12-14) 10-6

q_p – погонная энергия процесса наплавления сварного шва (по п. 6.);

l – длина сварного шва (по pиc. 3.4a).

8 Кривизна элемента конструкции

Кривизна элемента конструкции определяется из зависимости:

, (6)

где Z – расстояние от оси полосы до центра тяжести площади, характеризующей местные деформаций (до оси зоны нагрева) (см);

I – момент инерции поперечного сечения элемента (полосы) (см⁴).

9 Определение максимальной стрелы прогиба элемента металлической конструкции (полосы) f.

Максимальная стрела прогиба для тавровых сечений определяется по формуле

. (7)

Рисунок 3.5 – Стрела прогиба

Расчетные формулы могут быть использованы как при неравномерном местном нагреве кромок полосы, так и при равномерном нагреве металла, а также для определения деформаций любых сечений при любом расположении валика.

Задание 1

Стыковое соединение двух пластин

Дано:

1. Материал соединяемых пластин сталь С245.

2. Толщины соединяемых пластин t₁= см;

t₂= см;

Определить:

1. Форму разделки кромок в стыке при ручной сварке и доступе к шву с одной стороны.

2. Тип и марку сварочных электродов.

3. Количество времени, необходимое для сварки одного погонного метра стыкового шва.

Задание 2

Стыковое соединение двух пластин

Дано:

1. Материал соединяемых пластин 1 и 2 – ;

2. Толщины соединяемых пластин t₁= см;

t₂= см;

Определить:

1. Форму разделки кромок в стыке пластин 1 и 2 при ручной сварке и доступе к шву с двух сторон.

2. Тип и марку сварочных электродов.

3. Количество времени, необходимое для сварки одного погонного метра стыкового шва.

Задание 3

С тыковое соединение двух труб

Дано:

1. Материал трубы 1 – ;

2. Материал трубы 2 – ;

3. Толщина стенки t₁= см;

4. Толщина стенки t₂= см;

5. Наружный диаметр трубы 1 d₁= см;

6. Наружный диаметр трубы 2 d₂= см;

Определить:

1. Форму разделки кромок в стыке деталей 1 и 2 при ручной сварке и доступе к шву с одной или двух сторон в зависимости от диаметров труб 1 и 2. В соответствии с данными рассмотреть варианты компоновки стыка:

2. Тип и марку сварочных электродов.

3. Количество времени, необходимое для сварки одного стыка труб 1 и 2.

Задание 4

С оединение на угловых швах

Дано:

1. Материал трубы –

2. Материал фланца –

3. Наружный диаметр трубы d= см;

4. Толщина стенки трубы t₁= см;

5. Толщина фланца t₂= см;

Определить:

1. Наиболее рациональную конструкцию сопряжения трубы 1 и фланца 2. Рассмотреть варианты сопряжения трубы 1 и фланца 2.

2. Тип и марку сварочных электродов.

3. Количество времени, необходимое для сварки одного стыка труб 1 и фланца 2.

6 Содержание отчета и его форма

В отчете должны быть представлены: