5.6. Принципы проектирования сварных конструкций

при переменных нагрузках.

1. Проектировать соединения с минимальной концентрацией напряжений. Выбирать очертания швов, обеспечивающих наиболее равномерное распределение напряжений в них. Плавные переходы получаются при аргонодуговой обработке швов. Для углеродистых и низкоуглеродистых сталей эффект повышение усталостной прочности достигается механической зачисткой швов.

2. Учитывать термообработку сталей. В результате термообработки основной металл при переменных нагрузках приобретает пониженную прочность в зоне отпуска. Также понижения предела выносливости в зоне отпуска происходит и у цветных металлов (Al,Mg). Для легированных сталей прочность повышается при последующей термообработке.

3. Повышать усталостную прочность механической обработкой сварных деталей, обеспечивающую плавное сопряжение основного и наплавленного металла. Эффективность такого приема демонстрируется на примере присоединения узкой полосы к пластине.

№19

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕД.

Усталостная прочность повышается при создании в деталях предварительных напряжений. Остаточные напряжения от сварки или от механической обработки иногда снижают несущую способность, чаще всего не оказывают на неё влияния, а иногда повышают.

Предел выносливости образца с растягивающими остаточными напряжениями определяется по формуле:

При сжимающих остаточных напряжениях предел выносливости повышается.

Термический отпуск, устраняющий остаточные сварочные напряжения не повышает усталостную прочность, т.к он снижает остаточные напряжения, и одновременно понижает предел текучести. При нагружениях в условиях асимметрии цикла, т.е при r-1отпуск полезен, при r=0 бесполезен, а при r>0 вреден.

Если в зоне наибольших растягивающих напряжений от внешних нагрузок создать предварительно сжимающие напряжения, то усталостная прочность будет повышена.

Благоприятные остаточные напряжения можно создать пластической деформацией. С этой целью сварные соединения подвергаются поверхностной обработке, прокатке роликами, обработкой пневматическим молотком,пучком проволоки или обдува дробью. При этом происходит наклёп поверхности, что повышает _т и образует остаточные напряжения сжатия. Чем выше К_э тем эффективнее применение поверхностной обработки.

Предел выносливости повышается при обжатии ковочным давлением при остывании. Проковка швов повышает сопротивляемость усталости в 1.4-2.0 раза. Разработана технологии обжатия швов взрывом. Хорошие результаты даёт обработка сварных соединений ультразвуковым инструментом.

Выносливость сварных соединений может быть увеличена предварительным их нагружением, при одновременном устранении вредных растягивающих остаточных напряжений в зоне концентраторов. Иногда полезно создание предварительных растяжений в тонкостенных конструкциях и воздействие на них вибрации.

№20

СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ

Расширение и сокращение от неравномерного нагрева или охлаждения при сварке, а также от структурных превращений в металле вызывают собственные или внутренние напряжения. В отличии от внешних напряжений собственные напряжения присутствуют в металле при отсутствии внешних нагрузок.

Собственные напряжения классифицируют по различным признакам. По причине их возникновения различиают три вида собственных напряжений.

1. от деформирования при сборке, монтаже и правке конструкции;

2. от неравномерного нагрева деталей при сварке и резке;

3. от неравномерного изменения объема при фазовых превращениях.

По времени существования делятся на временные, существующие только в процессе выполнения технологической операции и остаточные – устойчиво сохраняющиеся в течении длительного периода.

Собственные напряжения бывают линейными, плоскими и объемными.

В общем виде НДС в сварном соединении описывают 6 компонент вектора напряжений (_x, _y, _z, _xy, _yz, _zx ), и 6 компонент вектора деформации (Е_x , Е_y, Е_z , _xy, _yz,  _zx ). Введем несколько определений.

Температурные деформации _ вызываются изменением размера выделенного элементарного объема внутри шва при изменении температуры. К ним же условно относят деформации, вызванные структурными превращениями .

_=Т

 - коэффициент линейного расширения , Т- изменение температуры элементарного объема.

При температурной деформации измененяются только  -компонент вектора {}, сдвиговые деформации, т.е  -компоненты не возникают в изотропных телах.

Наблюдаемые деформации _н и _н вызывают изменение размеров тела -линейных и угловых, которые можно зарегистрировать приборами.

Собственные деформации состоят из упругих _упр и _упр и пластических _пл и _пл . Введенные таким образом деформации связаны между собой.

_н=_упр +_пл +_

_н=_упр +_пл +_

В пределах упругости собственные напряжения можно получить, зная деформации

где - модуль сдвига, а

№21

ОСТАТОЧНАЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦМЯ. РАСПРЕД. ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФ. В СВ. СОЕД.

Сварка вызывает искажения размеров и формы сварных конструкций, их укорочение, изгиб, закручивание, потерю устойчивости. Многообразные виды перемещений конструкции порождаются небольшим числом видов деформаций, возникающих в зоне сварных соединений.

Один из простых расчетных приемов определения перемещений сварных конструкций состоит в выделении двух этапов расчета. На первом этапе находят деформации в зоне сварных соединений - термомеханическая часть задачи, а на втором - методами сопромата определяют перемещения в конструкции - деформационная часть задачи.

Различают 5 основных видов деформаций в зоне сварных соединений:

1. продольные остаточные пластические деформации;

2. равномерные по толщине поперечные остаточные пластические деформации;

3. неравномерные по толщине поперечные пластические деформации;

4. деформации в зоне шва в направлении перпендикуляра к и поверхности сварных швов;

5. сдвиговые деформации.