книги из ГПНТБ / Сагалевич, В. М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений

КРУГОВЫЕ ШВЫ В ПЛАСТИНАХ

Вварка в тонкий лист (пластину) элементов жест­ кости в виде круглых фланцев, штуцеров, патрубков приводит к значительным перемещениям в конструкции вследствие потери устойчивости. Наличие ребер, стенок

Рис. 70. Характер перемещений пластины с фланцем после сварки

и т. п. не всегда позволяет в нужной мере снизить вели­ чины отклонений и выдержать проектные допуски. Представление о характере и величине возникающих перемещений пластины при выполнении кругового свар­

кой же характер потери устойчивости наблюдается и при других размерах пластин и ввариваемых штуцеров (фланцев).

Основными особенностями деформаций при выпол­ нении подобных соединений в сферических элементах (часто это отдельные сферические лепестки, из которых собираются сферы), являются следующие: местный про­ гиб оболочки в зоне сварного соединения; потеря устойчивости оболочки; перекос оси ввариваемого флан­ ца; эллипсность фланца, образующаяся в результате сварки; смещение центра фланца и т. п.

Возникающий прогиб оболочки носит, как правило, местный характер и в зависимости от ее размеров мо­ жет достигать около стыка величины 7—15 мм и более. В большинстве случаев такие отклонения от проектной поверхности не укладываются в допуски и представ­ ляют трудности для технолога как в процессе изготов-

150

леиия изделия (стыковка под сварку с другими элемен­ тами), так и при сборке (натяги и перекосы в системах трубопроводов и т. п.). В некоторых типах конструкций наличие прогибов в зоне швов приводит к увеличению веса изделий. Еще большие неприятности возникают при расположении круговых сварных соединений вбли­ зи края оболочки, так как потеря устойчивости послед­ ней, качественно сходная с потерей устойчивости в слу­

элементами значительно осложняется. Особо следует отметить случай близкого расположения нескольких круговых сварных соединений, при котором происходит наложение полей деформаций и напряжений от отдель­ ных швов, а перемещения в конструкции приобретают характер, не поддающийся заранее какому-либо расче­ ту. Указанные факторы, особенно суммирование дефор­ маций, являются наиболее неблагоприятными с точки зрения практики изготовления таких конструкций.

Причины образования деформаций потери устойчи­ вости пластины, возникающих при сварке кругового шва, могут быть установлены путем изучения полей остаточных напряжений. Определение их позволяет раз­ работать практические мероприятия по снижению зна­ чительных отклонений от проектных размеров тонколи­ стовых изделий.

Главными факторами при рассмотрении полей оста­ точных деформаций, перемещений и напряжений данно­ го вида соединения являются: жесткость пластины; же­ сткость ввариваемого кругового элемента (фланец, заплатка), зависящая от конструктивного оформления; режим сварки.

Несмотря на многообразие конструктивных форм, можно сформулировать условия общей задачи по опре­ делению остаточных напряжений и деформаций круго­ вого сварного соединения в пластине.

Расчетные допущения:

а) гипотеза одновременности заварки шва по длине; б) учет степени реализации поперечной и продоль­ ной (окружной) усадок шва, возникающих при выпол­

нении кругового сварного соединения.

При указанных допущениях задача по определению остаточных сварочных напряжений, возникающих в со-

151

единении, сводится к определению этих величин при «сшивании» кольцевой пластины А с кольцом Б, пред­ ставляющим зону пластических деформаций шва, и фланцем В (рис. 71, а) по схемам «сшивания» (рис. 71, б, в), обеспечивающим реализацию попереч-

Рнс. 71. Расчетная схема определения остаточных на­ пряжений в круговом шве:

а — пластина; о — шов; а — фланец; г — схема сшивания

пой и продольной усадок в круговом шве. Под фланцем В здесь следует понимать фланец любой конструкции или заплатку [30].

За величину поперечного укорочения Дп можно принимать величину свободной поперечной деформации прямолинейного стыкового сварного соединения той же толщины, что и рассматриваемая круговая пластина. Дело в том, что поперечная усадка стыкового сварного соединения происходит всегда и независимо от типа соединения (продольный шов; круговой, кольцевой) при условии постоянства тепловложения и теплоотдачи. Определение Дп для разных толщин металла и режимов сварки может быть проведено экспериментально на прямолинейных стыковых швах пластин пли прибли­ женно расчетным путем по формуле для прямолинейно­ го шва:

где q = 0,5-0,241U для сварки в защитных газах;

152

вводимая в условие «сшивания», для сталей достигает величины ет в прямолинейных стыковых соединениях, и 0,5—0,7 ет Для алюминиевых, титановых, магниевых сплавов. Тот факт, что остаточная упругая величина продольной составляющей достигает ет, и положен в основу распространенных методов расчета.

153

Круговое сварное соединение — более жесткое по сравнению с прямолинейным стыковым швов при свар­ ке свободных пластин, и поля пластических продоль­ ных (окружных) укорочений после остывания (а следо­ вательно, и величина упругой тангенциальной деформа­ ции е(), носят несколько иной характер, чем в случае прямолинейного шва. Последний имеет возможность свободно сокращаться в поперечном направлении. Вви­ ду того, что деформация в поперечном (радиальном) направлении в круговом шве под действием продольной усадки затруднена, следует ожидать возрастания вели­ чины упругой тангенциальной составляющей растяже­ ния до величины, близкой к ет, и для таких материа­ лов, как алюминиевые, титановые, магниевые сплавы.

Радиус г2 (рис. 7 1 )— граница упруго-пластической зоны А и пластической зоны Б — может быть опреде­ лен через ширину зоны пластичности для однопроход­ ного прямолинейного стыкового шва:

Величина b находится в линейной зависимости от

удельной погонной энергии — — (рис. 72). ОсвО

Рассмотрим деформационную диаграмму материала.

154

Пренебрегая эффектом Баушингера, имеем:

при 0 < I е I < ех а = гЕ;

характеристика имеет форму, изображенную на рис. 73, т. е. состоит из прямолинейного упругого участка, пере­ ходящего в пластическую область, описываемую зависи­ мостью (50). Если для низкоуглеродистой стали дефор­ мационная кривая с m = , l близка к такой геометрии,

онной кривой с показателем упрочнения п, показанной на рис. 73, б. Обозначение п введено для упрощения. На истинной диаграмме (показанной сплошной линией) точке А с условным пределом текучести соответствует величина деформации ет. Проведем из начала коорди­ нат прямую (показанную прерывистой линией) под уг­

не изменится и будет равен ат, а деформация равна ец. Из точки В проведем касательную к истинной дефор­ мационной кривой, С — точка касания, ек — величина деформации в этой точке. Через точки В и С проведем новую деформационную кривую с новым, так называе­ мым приведенным коэффициентом упрочнения, рав­ ным пг.

155

В области сравнительно небольших пластических де­ формаций подобная аппроксимация вполне оправдана и отклонения от истинной диаграммы невелики. Достоин­ ство данной методики состоит в том, что основные ха­ рактеристики материала Е и от при аппроксимации

Рис. 73. Деформационная характеристика (а) и схемы ап­ проксимации деформационных кривых в общем виде (б) и для сплава АМгб (в)

остаются неизменными. Математически данные опера­ ции описываются следующими простыми зависимо­ стями.

Уравнение касательной, проходящей через точку В, к деформационной кривой в пластической области

где От и еті — координаты точки В, причем

156

k — угловой коэффициент к кривой (50) в точке ёі,

Подставляя формулу (52) в выражение (51), после упрощений, получим

Решая уравнение (53) методом последовательных приближений, найдем е,-, соответствующую ек, т. е. абс­ циссу точки касания С. В точке С, принадлежащей истинной и аппроксимирующей кривым с показателем упрочнения пг, имеем напряжение

",С=ЧЧ)'=ЧЧ)"' (54)

После упрощений и логарифмирования окончатель­ но получаем

lg Ек

главными. Напряжения в пластической области могут быть выра­ жены через интенсивность напряжений сц и тригонометрическую функцию некоторого угла ф [30].

Рассмотрим поля деформаций и напряжений коль­ цевой пластины с большим наружным радиусом R для случая вварки в нее абсолютно жесткого фланца ра­ диуса г. Конструкция фланца подобного типа часто встречается в реальных конструкциях и поэтому анализ этого случая представляет определенный практический интерес. Будем считать толщину пластины и фланца в месте стыка одинаковой и равной б, а конструктивный радиус фланца г\ — известным.

157

Проанализируем характер изменения остаточных напряжений от кругового шва с изменением его диа­ метра, для чего определим остаточные напряжения при вварке фланца в пластину на следующем примере.

Фланец из АМгб вваривают в пластину на режиме

/=160 А, U =\2 В, исп = 4,2 мм/с.

Рис. 74. Зависимость остаточных напря­ жений от диаметра кругового шва

Толщина пластины и фланца 6 = 2,5 мм. Удельная погонная энергия для данного режима будет

стичности при нагреве b « 3 0 мм. Приняв для вваривае­

Б изменяется сравнительно мало с увеличением диамет­ ра кругового шва. То же можно сказать относительно

■158

= 480 мм пластическая область в пластине А исчезает. При дальнейшем увеличении диаметра шва пластина А находится в упругом состоянии, а ога= —сца-

При малых диаметрах круговых швов и радиаль­ ные а,- и тангенциальные at напряжения в зоне соеди­ нения достигают значения от материала. В прямолиней­ ных стыковых соединениях величина максимальных продольных напряжений составляет 0,5—0,7 ат. На уве­ личении значений остаточных напряжений при круговом шве сказывается влияние жесткости сварного соедине­ ния при двухосном напряженном состоянии. Указанные особенности хорошо подтверждаются экспериментом.

Для режима сварки пластины из СтЗ: /=110 А, Ѵ=

ных видно, что картина остаточных радиальных напря­ жений довольно близко с достаточной для практики точностью (в области максимальных величин аг откло­ нение 15%) описывается приведенной системой уравне­ ний, а разница в изменении тангенциальных напряже­ ний объясняется допущением в расчетной схеме, предусматривающим нарушение непрерывности на гра­ нице «сшивания» /у С точки зрения разработки расчет­ ных методов для тех или иных технологических приемов снижения или устранения деформаций, перемещений и напряжений в пластине (также в оболочке) первосте­ пенный интерес представляет поле остаточных радиаль­ ных напряжений. При этом максимальная величина остаточного напряжения определяет вероятность потери

159-