книги из ГПНТБ / Кузьминов С.А. Сварочные деформации судовых корпусных конструкций

ричными швами при сварке тавровых соединений с двух сторон стенки (рис. 7);

эллиптичность цилиндрических (конических) обечаек без шпан­ гоутов, вызываемая угловыми деформациями пазовых соединений

(рис. 8);

эллиптичность цилиндрических и конических обечаек со шпан­ гоутами, вызываемая поперечным укорочением пазовых сварных соединений (рис. 9 и 10);

изгиб пазов цилиндрических (конических) обечаек, вызывае­ мый продольным укорочением пазовых сварных соединений (рис. 11); прогиб кольцевых стыков цилиндрических и конических кон­ струкций, вызываемый продольным укорочением и неравномерным по толщине поперечным укорочением кольцевых сварных соединений

(рис. 12).

§ 3

Механические и теплофизические свойства материалов

Для расчетного определения ожидаемых сварочных деформаций корпусных конструкций необходимо знать для каждого материала следующие механические и теплофизические свойства:

предел текучести (сгт); модуль нормальной упругости (£); коэффициент Пуассона (р);

относительную деформацию, соответствующую пределу теку-

чести

температуру плавления (Тпл); температуру, при которой материал теряет упругие свойства (Т 0); плотность (у); коэффициент теплопроводности (А,); удельную теплоемкость (с);

коэффициент температуропроводности ;

коэффициент теплоотдачи (а0); коэффициент линейного расширения (а);

коэффициент температурной деформации

Как известно [101], эти свойства изменяются в зависимости от температуры материала, термической обработки (закалка, отпуск), старения и пластических деформаций (наклепа).

Из всех параметров наиболее существенное влияние на вели­ чины механических и физических свойств металлов оказывает тем­ пература. В инженерных расчетах применяются как истинные значения характеристик свойств материала при данной температуре, так и средние значения в некотором интервале температур.

20

и теплофизических свойств основных корпусных материалов при различных температурах.

Графики построены частично по литературным источникам [101 ], а главным образом по результатам специальных испытаний, про­ веденных по заданию ЦНИИТС в лабораториях ЛКИ и ЛПИ, так как имеющаяся справочная литература почти не содержит данных для судокорпусных материалов [39], [42], [43].

Предел текучести и модуль нормальной упругости определяли на цилиндрических образцах диаметром 6 мм и длиной 36 мм с вин­ товыми головками [28]. Образец с удлинителями, навинченными на головки, вставляли в муфельную печь и закрепляли в губках пресса Гагарина.

После нагрева до заданной температуры производили испытание на разрыв. Температуру испытания фиксировали термопарой, при­ соединенной непосредственно к образцу.

Модуль нормальной упругости определяли также вибрационным способом [28] на цилиндрических образцах диаметром 8 мм и дли­ ной 200 мм. После обмера и взвешивания образец подвешивали на тонких проволочках и вводили в муфельную печь в горизонтальном положении. После нагрева до заданной температуры определяли частоту собственных колебаний и пересчетом определяли модуль нормальной упругости при данной температуре.

21

с,кал/гград

Рис. 13. Истинные значения теплофизических свойств основных сталей и сплавов, применяемых в судостроении, при различных температурах: а — коэффициент линейного расширения (а); б — удельная теплоемкость (с); в — коэффициент тепло­

22

CL)

6)

ST, н г с /м м 2

Рис. 14. Истинные значения механических свойств основных сталей и сплавов, применяемых в судостроении, при различных температурах: а — временное сопро­ тивление (о*); б — предел текучести (от); в — модуль нормальной упругости (£); г — относительная деформация, соответствующая пределу текучести (es).

/, 2, 3, . . , см. рис. 13.

Из графиков (см. рис. 13 и 14) видно, что-^- и es для каждого мате­ риала в интервале температур (20° С—Т (|) изменяются незначительно.

Поэтому при выводе формул можно принимать и es постоян­

ными (не зависящими от температуры).

В табл. 1 приведены средние значения теплофизических свойств корпусных материалов в интервале указанных температур и истин­ ные значения механических свойств указанных материалов при нормальной температуре (20° С). В расчетах за среднее значение ss принимается истинное значение ss при 20° С.

§ 4

Параметры нагрева и охлаждения при сварке

Сварка плавлением производит я посредством нагрева сваривае­ мых кромок до температуры плавления подвижным сосредоточен­ ным источником с высокой концентрацией выделяемого тепла (сва­ рочная электрическая дуга, газосварочное пламя и т. п.).

Сварка корпусных конструкций обычно производится подвиж­ ной электрической дугой. В этом случае мощность источника опре­ деляется по формуле

На нагрев свариваемых элементов идет часть тепла, выделяе­ мого источником нагрева (дугой); другая часть рассеивается в окру­ жающее пространство за счет конвекции, излучения и разбрызги­ вания металла.

Доля тепла, идущая на нагрев свариваемых элементов, учиты­ вается коэффициентом rj, представляющим собой отношение коли­ чества тепла, переданного свариваемым элементам, ко всему теплу, выделяемому источником.

Для определения сварочных деформаций необходимо знать по­ гонную энергию нагрева свариваемых элементов, которая опреде­

где qn— погонная энергия нагрева свариваемых элементов, кал/см; VCB— средняя скорость сварки, см/с;

т] — эффективный к. п. д. процесса нагрева изделия дугой. Параметры режима сварки (/св, £/д, VCB) определяются экспери­ ментально для каждого метода сварки и данного диаметра электрода исходя из условия хорошего формирования шва, требуемого коли­ чества наплавленного металла и получения сварного соединения

требуемого качества.

26

Оптимальные параметры режимов сварки судостроительных кор­ пусных материалов определены и приведены в «Основных положе­ ниях на сварку . . .» материалов соответствующих марок. Режимы даны для основных сварных соединений, выполняемых ручной, автоматической и полуавтоматической сваркой.

Эффективный к. п. д. нагрева свариваемых элементов г) опреде­ ляется также экспериментально для каждого сварочного материала и каждого метода сварки путем калориметрирования [84 ] образ­ цов, свариваемых в соответствии с «Основными положениями на сварку . . .».

Эксперименты показали, что режим сварки (d3„, / св, Un и Ксв) практически не влияет на эффективный к. п. д., если сварка будет

Коэффициент 0 (в дальнейшем будем называть его коэффициен­ том нагрева) определяется экспериментально одновременно с коэф­ фициентом р при калориметрировании сварных образцов.

При этом коэффициенты 0 и т] связаны между собой зависи­

циент т) уменьшается и для каждого метода сварки можно считать и лц = const. Поэтому коэффициент нагрева для каждого метода сварки, как видно из формулы (10), обратно пропорционален ан.

Коэффициент наплавки (а следовательно, и коэффициент на­ грева) для каждого метода сварки плавящимся электродом зависит от плотности тока и длины нагреваемого участка электрода (при ручной сварке обмазанными электродами — от их длины, а при автоматической и полуавтоматической — от длины вылета элек­ тродной проволоки).

* В действительности эффективный к. п. д. понижается с увеличением длины дуги и плотности тока и повышается с углублением дуги в ванну (в разделку). Од­ нако отклонение от среднего значения не превосходит ±5% при условии сварки на режимах, не выходящих за пределы, рекомендованные «Основными положе­ ниями ...».

27

Экспериментальные исследования показали, что при соблюдении требований «Основных положений на сварку . . . » в части плотности тока и вылета электродной проволоки, а также требований нор­ мали ОН9—227—65 * в части длины электродов отклонения коэф­ фициентов наплавки и нагрева от их средних значений не превос­ ходят 10%.

При сварке вольфрамовым электродом в среде защитных газов коэффициенты наплавки и нагрева не стабильны и зависят от уме­

автоматической сварке под флю­ сом часть погонной энергии дуги идет на расплавление и нагрев флюса. Эта часть энергии переходит в металл с задержкой. Так как поперечные пластические деформации образуются относительно быстро (особенно при сварке тонких листов), то большая часть энер­ гии нагрева и расплавления флюса не участвует в образовании поперечных деформаций. Поэтому при расчетах поперечных дефор­ маций приходится вычитать часть тепла, идущую на нагрев и рас­ плавление флюса (см. § 15).

Погонная энергия нагрева и расплавления флюса определяется как часть погонной энергии нагрева свариваемых элементов и флюса по формуле

от диаметра электродной проволоки и погонной энергии сварки. На рис. 15 приведен график зависимости коэффициента Кф от диа-

* Электроды стальные для дуговой сварки и наплавки. Классификация и тех­ нические требования, 1965 г.

28

Таблица 2

Теплофизические свойства основных сварочных материалов, применяемых для сварки корпусов судов

Сварочные материалы

метра электродной проволоки для флюса ОСЦ-45. График построен по экспериментальным данным в ЦНИИТС.

Полная энергия нагрева свариваемых элементов

а)

Рис. 16. Основные сварные соединения, применяемые в судостроении: а — стыко­ вые; б — тавровые; в — крестообразные.

J, 2, 3, 4 — номера проходов шва.

30