§ 6. Остаточные напряжения и перемещения, возникающие в элементах оболочек

Наиболее распространенными сварными соединениями в эле­ментах оболочек являются продольные, кольцевые и круговые швы. Особенностью тонкостенных оболочек по сравнению с дру-

а) РуС			f		б)
	Ч^	!				'f'"lll
		тггЛ	ur		*^~~-~~_	,
			■р,	7777

>

Рис. 6-19. Деформации от продольных швов в цилиндрических оболочках:

а) коротких; 6) длинных

гими сварными конструкциями является пониженная жесткость отдельных листовых элементов.

Образование и распределение напряжений в продольных однопроходных с о е д и и е п и я х цилиндрических обе­чаек, когда они свариваются с закреплением в приспособлениях, принципиально не отличаются от случая сварки двух листов встык. Вследствие гибкости оболочки поперечная усадка проис­ходит беспрепятственно. Остаточные напряжения практически одноосные. После освобождения короткие обечайки получают местный прогиб / (рис. 6-19,а), который иногда составляет бо­лее 10—20 мм. При этом в среднем сечении О_г-<О_нт , а у кра­ев D₂>D_H0M. У длинных обечаек (труб) возникает искривление оси (рис. 6-19,6), а на концах появляется овальность.

В кольцевых швах оболочек, если они свариваются на жестком кольце, после остывания образуются одноосные остаточные напряжения о*_ь мало изменяющиеся по окружности.

П 823

161

Уравновешивание напряжений at на этой стадии происходит благодаря реакциям о (рис. 6-20, а) со стороны кольца

д =

После удаления кольца силы q снимаются и вызывают про­гиб оболочки (рис. 6-20,6). На рис. 6-20, в показана эксперимен­тальная кривая перемещений цилиндрической оболочки 2г₀—145 см, s —1,5 мм из нержавеющей стали после аргоноду-говой однопроходной сварки. Сокращение периметра в зоне шва составляет около 9 мм.

В)

-tie

ft, мм

5 Прснриль % кромки и после \^сбарни

'010302010 I 1В2030Ч050 SO ^ ПО мм

■мм

Рис.

а), ■

MMtf

6-20. Образование перемещений в зоне кольцевого шва цилиндри­ческой оболочки:

>}, е) симметричная деформация; г) смещение кромок относительно друг Друга

Прогибы оболочек вызывают напряжения изгиба поперек шва: внутри — растягивающие, снаружи— сжимающие. Проис­ходит также уменьшение растягивающих напряжений в шве. Сокращение оболочек от кольцевых швов возникает также пос­ле приварки кольцевых элементов жесткости дуговой или кон­тактной сваркой.

Однако не во всех случаях после сварки происходит укоро­чение шва. Например, в оболочках из алюминиевых сплавов тепло распространяется на значительное расстояние, вызывая подогрев участков, где упругие свойства металла еще не утра­чены. Эти участки, расширяясь, вызывают перемещение зоны шва в радиальном направлении. Удлинение и изгиб бывают настолько значительными, что после остывания металла пери­метр шва оказывается увеличенным по сравнению с исходным состоянием.

162

При сварке кольцевым швом различных по жесткости эле­ментов радиальные перемещения в момент сваривания оказыва­ются различными. В результате этого образуется ступенька (рис. 6-20,г), которая может явиться серьезным дефектом, сни­жающим прочность сосуда. Характер деформаций от кольцевых iHBOB па сферических и тороидальных оболочках аналогичен де­формациям на цилиндрах.

В круговом сварном соединении на плоском ли­сте распределение напряжений и деформаций в первом прибли­жении может рассматриваться как осесимметричное. В таком соединении следует различать три основных зоны: внутрен-

а) Л я Ь)

Рис. 6-21. Распределение напряжений и перемещении прл сварке круговых швов в пластине (а, б, в) к в оболочках (г, д)

нюю 1, среднюю 2 и внешнюю 3 (рис. 6-21.а, в). Зона 2 соответ­ствует зоне растягивающих напряжений в обычном прямолиней­ном шве и имеет, как правило, высокие напряжения at,, близкие к пределу текучести. Вследствие уравновешенности зоны 2, пред­ставляющей кольцо, радиальные напряжения о>,, действующие па внешнюю зону 3, всегда больше напряжений *ov_L, действую­щих на внутреннюю зону. В малоуглеродистых и аустенитиых сталях зона 2 находится в состоянии пластической деформации, что соответствует условию пластичности,

₀;_а _|_ _sf_t _ о^ — ol (6.16)

В сочетании с дифференциальным уравнением равновесия уравнение (6.16) позволяет определить распределение напряже­ний ov_a и ог/_а в зоне 2 в зависимости от величины напряжения

163

о,, или G_r, . На рис. 6-21,6 схематично показано несколько воз­можных распределений (Л //> Ш) эпюр напряжений о_Гй и at, в зоне 2. В свою очередь, величина напряжений оу, зависит от соотношения жесткостей элементов в областях / и 3, радиуса /"го, поперечного сокращении шва и ширины зоны пластических деформаций 2Ь_п.

Установить точную количественную связь между всеми эти­ми величинами трудно. Однако всегда напряжение о_г,—растя­гивающее, в то время как о>, может быть и растягивающим и сжимающим. Это объясняется тем, что поперечная усадка соединения вызывает растягивающие напряжения а_г и в обла­сти /, и в области 3, а продольная (окружная) вызывает в об­ласти 3 напряжения растяжения а_п а в области / — сжатие. При больших размерах зоны 3 и малых размерах зоны / попе­речная усадка преобладает, и в области / действуют растягива­ющие напряжения (рис. 6-21,6). Аналогичная картина наблю­дается, если элемент / представляет собой жесткую бобышку или фланец небольшого диаметра (до 100—200 мм). В этом слу­чае могут возникнуть большие радиальные пластические дефор­мации и даже разрушение металла.

Сжимающие напряжения а_Г] в зоне / возникают при относи­тельно малой жесткости области 3, например, при приварке уз­кого кольца; окружное сокращение почти полностью передается на область / и она испытывает сжатие.

Круговые швы на сферических поверхностях вызывают нарушение формы оболочки в зоне кругового шва с приближением ввариваемого элемента к центру сферы (рис. 6-21,(3, пунктирная линия). Деформации появляются вслед­ствие поперечной усадки соединения Д_ио„ и окружного сокра­щения металла в зоне пластических деформаций 2Ь_П. Характер деформаций близок к осесимметричиому. В круговых швах оста­точные напряжения в окружном направлении обычно велики н могут достигать значений сг_т. Напряжения поперек шва могут изменяться от нулевых значений, если круговой шов близок к кольцевому, до значений сг_т в случае расположения кругового шва в зените сферы. Большие значения поперечных напряжений иногда являются причиной разрушений в круговых сварных соединениях.

Деформации от круговых швов на цилиндрических оболоч­ках имеют сложный характер (рис. 6-21,г). Поперечная усадка в зонах В и продольная в зонах А создают сокращение периметра оболочки, в результате чего деталь / переме­щается к оси цилиндра. Прямолинейная образующая искрив­ляется.

При точечном разогреве на сферической или цилиндрической оболочке после остывания происходит перемещение нагревавше­гося пятна к центру оболочки.

164

В толстостенных цилиндрических сосудах продольные и кольцевые швы выполняют многослойной дуговой или однопроходной электрошлаковой сваркой.

Образование напряжений и перемещений при сварке про­дольных швов в основном подчиняется тем же закономерностям, которые свойственны прямолинейным стыковым соединениям и пластинах. Сопротивление угловым деформациям при много­слойной сварке продольного шва зависит от жесткости обечай­ки. Это оказывает влияние на величину напряжении <у_у в корне шва, если он расположен с внутренней стороны обечайки. Они могут быть, как растягивающими, так и сжимающими. Напря­жения а_х вдоль шва в продольном многослойном шве близ­ки к о_т.

В кольцевых многослойных швах на образование напряже­ний 0у оказывают влияние поперечная усадка очередного вали­ка, вызывающая сжатие нижележащих слоев; изгиб, возникаю­щий от поперечной усадки валика, расположенного с эксцентри­ситетом относительно центра тяжести шва; изгиб оболочки вследствие окружного сокращения валиков. Изгибы от попереч­ной усадки п вследствие окружного сокращения валиков вызы­вают растяжение в корне шва. Остаточные напряжения а_и в кор­не шва после заварки всей разделки зависят от жесткости обо­лочки и условий сварки. В гибких оболочках в корне шва могут возникать значительные поперечные деформации п напряжения. Продольные (окружные) напряжения а_х в многослойных швах стальных обечаек близки к a_t.