книги из ГПНТБ / Талыпов Г.Б. Сварочные деформации и напряжения

ческих деформаций нагрева (см. стр. 217 в работе [74]). При за­ данной геометрии свариваемого изделия и заданном режиме сварки каждого слоя, используя теорию в работе [103], всегда можно найти огибающие изотермических поверхностей Тк и Ту, что дает возможность применить приближенную теорию к определе­ нию остаточных сварочных напряжений и деформаций в соеди­ нениях с многослойными швами с учетом усиления. Таким обра­ зом, в каждом конкретном случае задачу определения сварочных деформаций (напряжений) приближенная теория сводит к обыч­ ным задачам исследования упруго-пластических деформаций стержней, пластин и оболочек, для решения которых можно использовать все современные аналитические или численные ме­ тоды. Кроме указанных выше ограничений, приближенная теория обладает двумя недостатками. Она не описывает весь процесс

Глава 9

В Л И Я Н И Е С В А Р О Ч Н Ы Х Н А П Р Я Ж Е Н И Й Н А П Р О Ч Н О С Т Ь С О Е Д И Н Е Н И Й И К О Н С Т Р У К Ц И Й

47. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Приближенная теория в каждом конкретном случае позволяет определить поле остаточных сварочных напряжений (деформаций) с учетом неоднородности материала зоны шва. В зависимости от геометрии свариваемых элементов эти поля могут быть близкими либо к одномерным, либо могут быть двумерными или трехмер­ ными. В важной для практики проблеме оценки влияния оста­ точных сварочных напряжений на прочность соединений и кон­ струкций не существует единого мнения. Некоторые исследова­ тели [83, 84] * придерживаются точки зрения, что «. . . внутренне уравновешенные сварочные напряжения не снижают эксплуата­ ционной прочности сварных конструкций из пластического мате­ риала ни при статической, ни при вибрационной и ударной на­ грузках». Некоторые другие исследователи придерживаются мне­ ния, что остаточные сварочные напряжения при определенных условиях оказывают существенное влияние на статическую и динамическую прочность, на устойчивость и коррозионную стой­ кость конструкций [2, 9, 27, 51, 52, 54, 108, 111, 115, 126, 131—137].

Сварочные напряжения, как и любые другие напряжения, при определенных условиях будут оказывать влияние на прочность соединения и конструкции. Известно, что металл пластичный в одних условиях, может перейти в хрупкое состояние в других условиях. Например, сталь, обладающая достаточно высокой пластичностью при статическом осевом растяжении в нормальных условиях (нормальная температура, отсутствие облучения и аг­ рессивной среды), может перейти в хрупкое состояние даже при нормальных условиях при напряженных состояниях, близких к всестороннему равномерному растяжению. Она может перейти в хрупкое состояние даже при осевом растяжении в условиях пониженных температур, агрессивной среды или облучения.

,Поэтому в каждом конкретном случае необходимо найти закон распределения и величины остаточных сварочных напряжений

*Это утверждение повторяется и в последующих работах [70, 71).

с учетом краевых условий и неоднородности металла зоны шва (гл. 4) и из ряда вариантов конструкции выбрать тот вариант, где при действии заданной системы внешних сил данного харак­ тера действия во времени и заданных внешних условиях материал может наиболее полно использовать свои пластические свойства.

В настоящее время не существует общей теории прочности для элементов конструкций, имеющих начальное неоднородное поле упруго-пластических деформаций (напряжений), работающих как в нормальных условиях, так и в условиях пониженных темпе­ ратур, облучения или коррозионной среды. Если бы такая теория существовала, то она дала бы возможность получить оценку влия­ ния на прочность начального неоднородного поля деформаций (напряжений), возникшего в результате сварки и остывания, опре­ деляемого приближенной или другими теориями. Отсутствие такой общей теории прочности вынуждает использовать непо­ средственный эксперимент по изучению влияния остаточных сва­ рочных напряжений на прочность конструкций. Но из этого не следует, что изучение полей сварочных деформаций (напряжений) и изучение их влияния на прочность должны проводиться в отрыве друг от друга.

Указанные выше две точки зрения по проблеме влияния оста­ точных сварочных напряжений на прочность базируются на опыт­ ных данных. Рассмотрим результаты этих опытов по отдельным разделам.

48.ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ

Исследования показали [114], что в силу неоднородности металла зоны сварного шва и концентрации определенно ориенти­ рованных сварочных напряжений в этой зоне, деформируемость и несущая способность сварного соединения при растяжении и изгибе зависят от ориентировки направления внешней силы по отношению к шву. Это подтверждается результатами опытов и других авторов. Например, в работе [95] приведены результаты

также концентрации напряжений в этих зонах, пластические де­ формации образца с валиками могли происходить лишь за счет более пластичного основного металла между валиками, что при­ вело к разрушению путем образования нескольких зон местных пластических деформаций (шеек) в пределах рабочей длины об­ разца (рис. 51, б) и к тому, что при растяжении образцов дефор­ мации были в сварных образцах значительно больше, чем в образ­ цах без наплавленных валиков. Этот результат не может быть обобщен на другие случаи взаимного расположения швов и их

ориентировки по отношению к направлению действия внешней силы. В работе 183] приведены результаты испытания образцов исходного металла, с поперечным, продольным и пересекаю­ щимися швами, которые приведены на рис. 52, где диаграммы

спересекающимися швами по­

спродольными и крестовыми

швами в два раза меньше работо- 6) способности исходных металлов.

металлов, а также металла зоны термического влияния при усло­ вии, когда общая ширина напряженной зоны термического влия­ ния вместе со швом составляет лишь небольшую долю рабочей

большей или меньшей мере, но всегда существуют как конструк­ тивные концентраторы напряжений, так и разного рода дефекты в швах, также являющиеся концентраторами напряжений. Нало­ жение концентраций сварочных напряжений и концентрации напряжений от внешних сил, обусловленной резкими изменениями формы и наличием дефектов в неоднородном по структуре металле зоны шва, может привести, особенно при пониженных температурах или облучении, к резкому снижению статической прочности сварного соединения, т. е. к его хрупкому разрушению. Это убедительно было показано опытами В. В. Шеверницкого

[131]. В его работе были проведены четыре серии опытов и были получены следующие результаты.

Первая серия. В средней части полоски из стали М16С (рис. 53), пластичной в нормальных условиях, просверлено отверстие, и в нем сделано два симметричных надреза с радиусом закругления

600

падение прочности. Опыты были повторены на таких же образцах, но первая группа сваривалась автоматом под флюсом, а вторая — вручную электродами УОНИИ 13/45. В первом случае резкое падение статической прочности имело место при температуре минус 50° С и ниже, а во втором случае при —10° С и ниже.

Третья серия. Образец со стыковым швом, имеющим непровар, выходящий наружу (рис. 55). Со стороны противоположной не­ провару наплавлялся в канавку продольный валик. Результаты испытаний при температуре минус 60° С приведены в табл. 20.

Пятая серия [133]. Испытывались на растяжение при раз­ личных пониженных температурах полосы из стали М16С с есте­ ственными трещинами без начальных напряжений. Испыты­ вались на изгиб при температуре минус 60° С после высокого отпуска сварные двутавры той же стали с составным продольным ребром, приваренным к нижней полке так, что между смежными частями составного ребра оставалась узкая щель. В том и в другом случае номинальное разрушающее напряжение оказалось не ниже предела текучести этой стали при нормальной температуре. Отсюда следует, что при отсутствии начальных напряжений и при одно­ родности структуры в зоне концентраторов эти концентраторы не снижают номинальной прочности ниже предела текучести малоуглеродистой стали.

Таким образом, результаты опытов [131, 135] убедительно показывают, что сварочные напряжения в сочетании с неоднород­ ностью металла зоны шва могут резко снижать статическую проч­ ность сварного соединения при наличии резкого концентратора напряжений, расположенного поперек максимальных растяги­ вающих рабочих и сварочных напряжений при достаточно низкой температуре, при которой данный металл в зоне концентратора напряжений переходит в хрупкое состояние. Аналогичные ре­

близким к плоскому. Вместе с тем есть работы [31, 53], из кото­ рых можно заключить, что линейное и плоское поля остаточных напряжений не влияют на склонность стали к хрупкому разруше­

в зависимости от температуры. В этой части испытывались образцы типа образцов, приведенных на рис. 54, каждый из которых охла­ ждался до определенной температуры и нагружался на растяжение. При определенной нагрузке образцу сообщался незначительный внешний импульс — наносился удар слесарным молотком со стороны, противоположной стыку ребер. Во всех случаях удар молотком вызывал трещину, начинавшуюся от щели ребра и иду­ щую в основной металл. При больших нагрузках трещина с боль­ шой скоростью пересекала все сечение образца, а при меньших нагрузках она останавливалась.

Аналогичные сведения получены в работах [142, 145]. Опыты [131 ] проведены в интервале температур —60 «S Т ^ 0° С и они дают возможность установить минимальные значения нагрузки, при которых трещина пересекает всю ширину образца. Резуль­

мере характеризуют сопротивление указанных сталей хрупкому разрушению и указывают на возможность отбора металла с более высоким сопротивлением хрупкому разрушению при данном напряженном состоянии от сварки и заданном концентраторе. Но, как известно из фундаментальных исследований Н. Н. Давиденкова и его учеников, к хрупкому разрушению хладноломких ме­ таллов может привести не только понижение температуры, но и увеличение скорости деформации. Для этих металлов, как впер­ вые установил Н. Н. Давиденков, существует зависимость между

напряжений на статическую прочность сварного соединения. Эти результаты объясняют причины самопроизвольных разрушений готовых сварных конструкций до начала их эксплуатации [29, 107] или после кратковременной эксплуатации [133]. Как уже было указано ранее, сварочные напряжения неотделимы от крае­ вых условий (связей), наложенных на границы свариваемых эле­ ментов, так что невозможно изолировать собственно сварочные напряжения от так называемых реактивных напряжений, обуслов­ ленных краевыми условиями. Поля этих напряжений могут быть чисто линейными лишь в исключительных случаях. В основ­ ном эти поля плоские или пространственные. Вместе с тем в зонах сварных швов сварных конструкций всегда имеет место достаточно высокая концентрация сварочных напряжений с резкими гра­ диентами в сочетании со структурной неоднородностью металла этой зоны. Эти сварочные напряжения оказывают существенное влияние на статическую прочность сварной конструкции при сле­ дующих дополнительных условиях:

а) наличие концентраторов напряжений в зоне шва; б) неблагоприятное расположение концентраторов напряже­

ний по отношению к ориентировке наибольших растягивающих сварочных и рабочих напряжений;

в) пониженная температура, агрессивная среда или облу­ чение;

г) высокие скорости деформации.