Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

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

.pdf
Скачиваний:
36
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
12.43 Mб
Скачать

 

 

 

 

 

 

 

Таблица

22

 

Влияние наплавок и приварок на усталостную прочность

 

 

 

 

 

сварных соединений

 

 

 

 

 

 

 

Предел

 

 

Предел

 

Эскиз рабочей

Марка

усталости

Эскиз рабочей

Марка

усталости

 

при изгибе

при изгибе

 

части образца

стали

 

 

части образца

стали

 

 

 

 

 

 

кГ/см*

%

 

 

кГ/см2

%

 

f — 4

10

1770

100

 

10

1220

68,9

40

2370

100

 

40

1520

64.

,

 

 

 

с

»

10

1020

57

 

40

1170

49

 

40

1070

45

 

 

 

 

 

 

 

U - J

10

1620

91,5

 

40

600

25

 

40

2120

89

 

 

 

 

 

 

 

В

работе [148] показано,

что предел усталости образцов с дву­

сторонними продольными валиками после удаления валиков строж­ кой на 21% ниже предела усталости исходного основного металла. Более того, известно, что значительное влияние на предел уста­ лости оказывает состояние поверхности образца или изделия, а сварные соединения, где швы обработаны вровень с поверхностью соединения, на практике применяются относительно редко. Поэтому нет каких-либо оснований для вывода о том, что свароч­ ные напряжения не влияют на предел усталости. Наоборот, ре­ зультаты опытов [148] показывают, что пределы усталости при растяжении, полученные при испытании образцов с продольными двусторонними валиками, наложенными различными электро­ дами, составили 48—57% от предела усталости основного металла. Причем 80% разрушений образцов с продольными швами про­

исходило у начала и у конца

валика, т. е.

там, где имели место

резкие

градиенты сварочных

напряжений.

При рабочей длине

/ = 230 мм образцы

с двусторонними поперечными валиками

имели

тот же предел

усталости, что и образцы той же формы

из исходного материала. Это является следствием того, что при большой длине образца местная неоднородность металла в зоне на­ плавки и местные сварочные напряжения в той же зоне, образуя короткий жесткий узел, не могли оказать заметного влияния на результаты опыта [116]. Аналогичные результаты получены в ра­ боте [141 ], где испытаниями на усталость при изгибе установлено, что предел усталости образцов из мягкой стали с двусторонними валиками, состроганными вровень с поверхностью образца, со­ ставляет 58% от предела усталости основного металла. Авторами [141], кроме того, были испытаны на усталость надрезанные

образцы без начальных и с начальными напряжениями в зоне нагрева. Предел усталости надрезанного образца с начальными напряжениями составил 50% предела усталости такого же образца без начальных напряжений. Эти опытные данные показывают, что

взависимости от ориентировки направления силы по отношению

кшву, в зависимости от характера распределения неоднородно­ сти металла и самих сварочных напряжений в пределах всего

сварного соединения, сварочные напряжения могут привести к значительному уменьшению предела усталости сварного соеди­ нения по сравнению с пределом усталости исходного металла.

Втой же работе приведены результаты испытания швеллеров

сприваренными накладками. Накладка, приваренная попереч­ ными швами, снизила предел усталости на 20%, в то время как накладка, приваренная продольными швами, снизила предел усталости на 60%. Приварка ребер жесткости к растянутым по­ яскам двутавровых балок низкоуглеродистой и низколегирован­

ной

стали привела

к снижению предела усталости в

1,5 раза.

В

работе [126]

приведены результаты исследования

усталост­

ной прочности плоских образцов при различной последователь­ ности наложения шва. Автор [126, 127] приходит к выводу, что влияние сварочных напряжений на усталостную прочность свар­ ного соединения зависит от величины и характера распределения этих напряжений и от формы сварного соединения. С уменьшением величины переменных напряжений растягивающее остаточное сварочное напряжение усиливает свое влияние и значительно снижает предел усталости сварного соединения.

В работе [51 ] испытывались на плоский переменный изгиб при симметричном цикле пластины Ст.З и стали 45 с приваренными накладками. Усталостное разрушение во всех случаях начиналось у торцов накладок около сварных швов. При этом для пластин

Ст.З предел усталости понизился с 1300

до 300 кГ/см2,

для пла­

стин стали 45— с 1650 до 300 кГ/см2.

Изложенные

результаты

опытов указывают на существенное влияние остаточных свароч­ ных напряжений на усталостную прочность сварных конструкций. Это резкое влияние остаточных сварочных напряжений на уста­ лостную прочность является следствием взаимодействия следую­ щих факторов:

а) концентрация самих остаточных сварочных напряжений в зоне шва;

б) неоднородность металла этой зоны; в) конструктивные, эксплуатационные и технологические кон­

центраторы напряжений, которые, будучи неблагоприятно рас­ положены по отношению к ориентировке растягивающих свароч­ ных и рабочих напряжений, приводят к резкому снижению предела усталости. Для исключения или уменьшения влияния остаточных сварочных напряжений на усталостную прочность могут быть использованы комплексы мероприятий, изложен­ ные выше.

50. О ВЛИЯНИИ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ УДАРЕ

В настоящее время нет опытных данных, на основании которых можно бы было заключить, что сварочные напряжения не оказы­ вают влияния на прочность сварных конструкций при ударных нагрузках. Имеющиеся опыты проведены или по схеме на рис. 57, где при принятой ориентировке и расположении шва по отноше­ нию к ударяющей силе и при условиях, когда зона шва составляет лишь незначительную долю длины образца, сварочные напряже­ ния и неоднородность металла этой зоны не могли оказать какоелибо заметное влияние на результаты этих опытов, или, как ука­ зал Н. Н. Давиденков [30], поставлены некорректно [69].

В работе [114] испытанием на удар образцов типа Менаже, содержащих по живому сечению надреза только основной металл, только наплавленный металл или только металл зоны термиче­ ского влияния, показано, что ударная вязкость основного металла зоны термического влияния при принятых размерах образца

 

 

из

данного

металла

составляет

 

 

60—70%

ударной

вязкости

того

 

 

же металла в исходном состоянии.

 

]

В

этих

опытах

концентрация

trf//}//

rf//)/

напряжений в момент удара вызы-

р и с

5 7

валась наличием надреза. В

свар­

 

 

ных

соединениях

неоднородность

 

 

металла

зоны

шва

и

крупнозер-

нистость основного металла, непосредственно прилегающего к шву, имеют место вместе с достаточно резко выраженной концентра­ цией напряжений в этой зоне.

Приведенный выше анализ показывает, что в силу неоднород­ ности металла зоны сварного шва и концентрации определенно ориентированных сварочных напряжений в этой зоне деформи­ руемость и несущая способность сварного соединения при стати­ ческих, усталостных и ударных нагрузках зависят от ориенти­ ровки направления внешней силы по отношению к шву. Учет этого положения в некоторых случаях даст возможность разра­ ботки таких сварных конструкций путем рационального распо­ ложения сварных швов по отношению к направлениям действий внешних сил, обеспечивающих возможно полное использование пластических свойств основного металла и металла шва, путем выбора металлов, способных использовать свои пластические свойства при данных условиях.

51. 0 ВЛИЯНИИ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА УСТОЙЧИВОСТЬ

В общем случае металл зоны шва в результате сварки и осты­ вания находится в упруго-пластическом деформированном со­ стоянии. При последующем приложении внешних сил металл этой

зоны может оказаться в условиях сложного нагружения. Рас­ смотрим простейшую задачу о потере устойчивости плоской формы равновесия прямоугольных полос одинаковой ширины в результате их сварки продольным швом и остывания в упрощен­ ном варианте без прямого учета сложности нагружения. Исполь­ зуя приближенную теорию, можно найти остаточные сварочные напряжения в растянутой и сжатой зонах. Это позволяет найти то значение ширины упруго-пластически растянутой зоны (ее критическое значение ек ), при котором упруго-сжатые зоны могут потерять устойчивость плоской формы равновесия. При принятой толщине полос и используемых для опытов способах и режимах сварки, обеспечивающих качественность соединения, не удается установить соответствующее опытное значение ек . Но можно уста­ новить, что при всех опытных є ]> гк имеет место потеря устой­ чивости плоской формы равновесия сжатых зон.

Вопрос влияния остаточных сварочных напряжений в общей постановке имеет три аспекта.

1.Балки и пластины большой жесткости после сварки и осты­ вания не теряют устойчивости плоской формы равновесия, но на­ чальные сварочные напряжения могут привести к существенному снижению величины критического напряжения от внешних сил. Задача заключается в том, чтобы получить оценку, насколько начальные сварочные напряжения уменьшают величину кри­ тического напряжения от внешних сил.

2.Каким должен быть режим сварки (тепловая мощность ис­

точника, скорость его

перемещения), чтобы в разультате сварки

и остывания сварной

лист заданной толщины и заданных разме­

ров не потерял устойчивость начальной плоской формы равнове­ сия при отсутствии внешних сил. Другими словами, нужно найти тот режим сварки (критический режим), при котором в результате сварки и остывания теряется устойчивость плоской формы равно­ весия пластины заданных размеров.

3. Может оказаться, что найденная область некритических режимов широко применимыми в настоящее время способами сварки не достижима, т. е. может оказаться практически невоз­ можным осуществление таких режимов сварки, при которых одно­ временно обеспечивались бы устойчивость плоской формы равно­ весия пластины и качественность сварного соединения при сварке данным способом. Тогда, если исключить из рассмотрения техно­ логические приемы уменьшения сжимающих напряжений (пред­ варительное растяжение или нагрев), возникает задача разра­ ботки таких новых способов сварки, при которых ширина зоны пластических деформаций нагрева окажется минимальной. К та­ ким новым способам сварки можно отнести, например, радио­ частотную сварку.

По первому аспекту рассматриваемой задачи в последние годы появился ряд исследований. В работах [88, 89] дано исследование влияния начальных сварочных напряжений на устойчивость

балок (колонн) и показано, что эти напряжения существенно снижают величину критической нагрузки [52]. В работах [57, 73, 89, ПО, 144) дано исследование влияния начальных сварочных напряжений на изгиб и устойчивость прямоугольных пластин. * Н. О. Окерблом [89] использует выражение для остаточного сва­ рочного напряжения, полученное им на основе гипотезы плоских сечений, в исследовании местной потери устойчивости прямо­ угольных пластин и приходит к заключению, что «остаточные сварочные напряжения снижают местную устойчивость» (см. стр. 235 в работе [89]) и что «остается недоказанной возможность снижения общей устойчивости сжатых сварных стержней из-за наличия в них внутренне уравновешенных сварочных напряжений» (см. стр. 239 там же). В работе [38] показано достаточно суще­ ственное влияние остаточных напряжений на устойчивость ци­ линдрических труб.

В работе [115] предприняты теоретические и эксперимен­ тальные исследования по второму аспекту задачи в том же про­ стейшем случае [89], когда остается справедливой гипотеза пло­ ских сечений. Результаты указывают на несомненное влияние сварочных напряжений на устойчивость. Рассмотрен случай сварки продольным швом двух свободных пластин длиной /, шириной Ь и толщиной h. Для определения критического значения ширины зоны интенсивного нагрева необходимо найти поле оста­ точных сварочных напряжений. Принято, что металл околошов­ ной зоны 1 вместе с металлом шва с общей шириной є после сварки и остывания оказывается в упруго-пластическом деформирован­ ном состоянии, а остальная часть 2 сварной пластины — в упру­ гом состоянии. При малых упруго-пластических деформациях можно использовать закон линейного упрочнения, в соответствии

с которым относительное удлинение ехх

и напряжение охх за пре­

делом текучести связаны

соотношением

 

где as

средний предел текучести металла зоны шва;

Е' — секущий модуль.

 

 

Для определения напряжений сварной пластины используем

первый

метод

(п.29) и

упрощенный

первый способ

уточнения

(п. 31).

Задача

сводится

к определению деформаций

и напряже­

ний пластины шириной 26, возникающих при ее мгновенном охла­ ждении по закону:

Г = 0;

- 6 < у <

\-\

-у^у^Ь;

Т = -Т'К

= -(ТК0);

 

(9.3)

 

_ - L < y < - l .

*

Некорректность работ [88] и [73] показана соответственно в работах

[131

и [125].

зоной 0 ^ у ^ и эту связь можно принять за упругую заделку, а продольная кромка у = b —- свободна. Известное решение для критического напряжения такой упруго-деформированной пла­ стины, в поперечных сечениях которой действует сжимающее нор­ мальное напряжение охх\ имеет вид [121]

Для напряжений в отдельных зонах получим:

г<1> _ < - ° . ( 4 - - 7 г )

1

Е'

(9.4)

аТ.,

0( 2 ) —Є

( * - f ) +

( - + )

Сварная пластина теряет устойчивость плоской формы равно-

(2)

весия, когда охх достигает критического значения. Ввиду сим­ метрии можно рассматривать лишь половину сварной пластины.

Сжатая зона этой полупластины

будет иметь ширину b

1-.

є

 

&

Вдоль продольной кромки У = ~2

о н а будет связана с растянутой

g

а k '•

(9.5)

где k — коэффициент, зависящий от отношения / к & и от коэф­ фициента защемления, для определения которого можно, напри­ мер, использовать прием, указанный в работе [12] (см. стр. 151— 153). Подставив в (9.4) абсолютное значение охх, для критического значения ширины зоны интенсивного нагрева получим

_

2kn2D

(9.6)

bhE'

 

< - ° . ( - Г - 7 г )

 

где

Екъ

D

12(1 - ц » )

 

Полученная для ек формула имеет вполне ясный механический смысл. Величина гк пропорциональна отношению Е к £", т. е. чем меньше модуль упрочнения за пределом текучести металла

зоны шва, тем больше гк.

Чем больше аТк, т. е. чем больше актив­

ная часть пластических

деформаций нагрева, тем меньше ек .

Чем больше as металла зоны шва, тем меньше ек. Экспериментальная часть исследования потери устойчивости

в результате сварки и остывания тонких листов стали ЗС (4Х250Х х 1000 мм) при ручной, полуавтоматической и автоматической

сварке в среде углекислого газа, а также при автоматической сварке в среде углекислого газа с одновременным двусторонним формированием шва была проведена в сварочной лаборатории

одного из заводов. Исследование механических

характеристик

этой

стали дало Е = 2-Ю6 кГ/см\

Е' = 0,0157-106 кГ/см*,

ц =

0,3 и для металла зоны шва as =

4400 кГ1смг.

Исследование

поведения этой стали при повышенных температурах показало, что за температуру Тк можно принять Тк = 620° С, а на дилато­ метре Leitz было получено а = 14,6- Ю - 6 в интервале температур 20—600° С. При lib = 4, рассматривая крайний случай, когда акр имеет минимальное значение, соответствующее свободному опи­

ранню продольной

кромки у =

получим

^ =

0,516 [121].

При этом формула

(9.6) при Т0

= 20° С дает

гк =

2,53 см. По

всем указанным выше способам сварка производилась в режимах, близких к используемым на практике. При проведении всех опы­ тов автоматически записывались температурные кривые в точках среднего по длине поперечного сечения пластины в процессе сварки, а также измерялись прогибы образцов после сварки и остывания. Используя полученные температурные кривые, можно

установить расстояния ук,

уу и ус от кромки

листа

до

изотерм

Тк,

Ту, Тс

[109]

(п. 31)

предельного состояния

нагрева, где

ус = 0,5 к

-f- Уу),

и определить средние значения ширины зоны

интенсивного

нагрева с

учетом начального

зазора

гс

= 2ус - f

-f- 1,5 мм. Во всех случаях оказалось ес >> гк

и пластины теряли

устойчивость

плоской формы равновесия в

результате

сварки

и

остывания, т. е. при принятых способах

и режимах

сварки

пластин заданной геометрии оказалось невозможным обеспечить одновременно качественность соединения и исключить потерю устойчивости плоской формы равновесия этих пластин. Отсюда следует, что для исключения потери устойчивости тонких пластин в результате сварки и остывания необходимо использовать такие способы Сварки, которые создают достаточно узкую зону пласти­ ческих деформаций нагрева.

Предположим, что пластина в результате сварки и остывания не теряет устойчивость плоской формы равновесия. Обозначим через о 0 абсолютное значение сжимающего напряжения от внеш­ них сил. Тогда, если известна величина гс, критическое значение а0 с учетом влияния начальных сварочных напряжений опреде­ лится по формуле

Здесь была рассмотрена простейшая задача. Аналогично, используя приближенную теорию, можно найти поле остаточных сварочных напряжений в каждом конкретном случае и обычными методами [23, 121] провести исследование их влияния на устой­ чивость.

52. О НАЛОЖЕНИИ ДЕФОРМАЦИЙ (НАПРЯЖЕНИЙ)

ОТ ВНЕШНИХ СИЛ НА СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ (НАПРЯЖЕНИЯ)

Если отвлечься от термического сложного нагружения в про­ цессе сварки и остывания (см. стр. З в работе [117]), то эта про­ блема имеет три аспекта.

1.Сварочные деформации и напряжения во всех точках свар­ ной конструкции находятся в упругой области, и последующее приложение эксплуатационной нагрузки вызывает в этих точках только дополнительные упругие деформации. В таких случаях деформации и напряжения в каждой точке можно найти алгебраи­ ческим суммированием соответствующих сварочных деформаций (напряжений) с деформациями (напряжениями) от эксплуатацион­ ной нагрузки.

2.Сварочные деформации (напряжения) во всех точках свар­ ной конструкции находятся в упругой области, но последующее приложение эксплуатационной нагрузки может вызвать в отдель­ ных зонах пластические деформации. В таких случаях для на­ хождения суммарных деформаций и напряжений в точках этих зон необходимо решать соответствующую задачу пластичности при простом нагружении, используя для этого теорию малых упруго-пластических деформаций [44], причем на поверхностях раздела областей упругих и упруго-пластических деформаций должны быть выполнены условия непрерывности (гл. 4).

3.Сварочные деформации и напряжения в отдельных зонах сварной конструкции находятся в упруго-пластической области. При приложении эксплуатационной нагрузки эти зоны могут оказаться в условиях сложного нагружения. В таких случаях для нахождения суммарных деформаций и напряжений в точках этих зон необходимо решать соответствующую задачу пластич­ ности при сложном нагружении [45] *. На поверхностях раздела

областей упругих и упруго-пластических деформаций простого и сложного нагружения должныбыть выполнены условия непре­ рывности. В общем случае эти поверхности раздела в процессе нагружения могут изменять свои формы, размеры и положение.

Необходимость приведенной выше классификации возможных состояний сварной конструкции обусловлена различием в поведе­ нии металла. Действительно, по теплофизическим и термомеха­ ническим характеристикам можно выделить две группы металлов. К первой из них относятся стали с достаточно высокими значе­ ниями Тк и относительно низкой теплопроводностью, в силу чего изотермические поверхности оказываются вытянутыми по линии перемещения источника нагрева, а наибольшая ширина изотерми­ ческой поверхности Тк весьма ограничена. В этих случаях эта ограниченная по ширине зона получает значительную активную

*Обзор теорий пластичности при сложном нагружении можно найти также

вмонографии [117].

пластическую деформацию нагрева а к—Т0). После остыва­ ния эта зона оказывается в упруго-пластическом деформирован­ ном состоянии (см. гл. 7, 8), и проблема наложения сводится к задаче пластичности при сложном нагружении (см. аспект 3). Ко второй группе можно отнести титановые и алюминиевые сплавы, медь с относительно низкими значениями Тк и большей теплопро­ водностью, приводящей к округлым изотермическим поверхно­ стям. Здесь наибольшая ширина изотермической поверхности Тк оказывается значительной и эта зона получает сравнительно низ­

кую активную пластическую деформацию нагрева

а

к—Т0),

которая к тому же может частично поглощаться

пластическими

деформациями растяжения при остывании ниже

Тк.

Поэтому

после остывания она может оказаться в упруго-деформированном состоянии [20]. В этом случае проблема наложения решается

всоответствии с аспектами 1 или 2.

Взависимости от характера суммарных полей деформаций (на­ пряжений) при статическом и повторно-статическом нагружении, устанавливаемых одним из трех указанных выше методов, для расчета на прочность могут быть использованы те или иные методы.

Вп. 49 на основе анализа опытных данных показано существен­ ное влияние сварочных напряжений на усталостную прочность сварной конструкции. На некоторые сварные конструкции (на­ пример, локомотивы, железнодорожные и трамвайные вагоны,

подъемные краны и т. д.) действует не только вибрационная, но и повторно-ударная нагрузка, приводящая к разрушению в более

короткие сроки

эксплуатации

[3]. Мы не останавливаемся на

предложенных к настоящему

времени

методах расчета

сварных

конструкций на

прочность при усталостных и повторно-ударных

нагрузках. Эти

методы изложены в

известных работах

[3, 37,

51,

52].

 

 

 

 

С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1. А б р а м о в В. В. Расчетный способ определения деформаций много­ слойных полос от внутренних усилий.— Труды Горьковского политехнического

ин-та. Вып. 3, ч.

1, т. 15,

1956.

2. А л а е в

В. М. Исследование хладноломкости малоуглеродистой стали

при наличии остаточных

напряжений от сварки.— Сварочные напряжения и

прочность сварных конструкций. М., Ин-т металлургии им. А. А. Байкова АН

СССР,

1957

(Доклады

на совещании 5/VI

1957 г.).

 

3.

А с н и с А. Е. Динамическая прочность сварных соединений из мало­

углеродистой и низколегированных сталей. Киев, Машгиз,

1962.

4.

Б а й к о в а

И. П. Некоторые упрощения теоретического определения

деформаций

и напряжений.— «Автогенное

дело», 1950, №

2.

5.

Б а й к о в а

И. П. и Л е б е д е в

А. И. Влияние ограниченности раз­

меров пластины по ширине на процесс распространения тепла.— «Сварочное производство», 1960, № 5.

6. Б а к ш и О. А. и К л ы к о в Н. А. Исследование температурных полей и остаточных напряжений при дуговой заварке отверстия в плоском стальном

листе.— «Автоматическая

сварка»,

1962, № 7.

 

 

 

7. Б а к ш и О. А. Деформации и напряжения при местном сосредоточен­

ном

нагреве стального листа.— «Автогенное дело», 1953, № 2.

 

 

8. Б о л и Б. А. и

У э й н е р

Д. Ж- Теория температурных напряжений.

М.,

изд-во «Мир»,

1964.

 

 

 

 

 

 

 

9. Б о л ь ш а к о в

К- П. Вредное влияние собственных остаточных на­

пряжений на выносливость

сварных конструкций и мероприятия

по борьбе

с ним.— Сварочные

напряжения

и прочность сварных конструкций. М., Ин-т

металлургии им. А. А. Байкова

АН СССР, 1957

(Доклады на совещании 5/VI

1957

г.).

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Б о л ь ш а к о в

К-

П.

Исследование

термомеханических

процессов

при сварке элементов пролетных строений.— Труды ВНИИ ж.-д. строительства

ипроектирования. Вып. 2. М., Трансжелдориздат, 1950.

11.Б о н д а р е н к о А. Д. Расчет сварных конструкций. М.Л., Кубуч,

1933.

12.

Б р и д ж м е н

П. Исследование

больших пластических деформаций

и разрыва. М. Изд-во иностр. лит.,

1955.

 

 

13.

Б р а у д е Б. М. О влиянии начального искривления на устойчивость

круговой цилиндрической оболочки.— РЖмех.,

1963.— «Строительная меха­

ника и

расчет сооружений». 1963,

1.

 

 

14.

Б у д а к Б. М., С а м а р с к и й

А. А. и

Т и х о н о в А. Н. Сборник

задач по математической

физике. М., Гостехиздат,

1956.

15.В е й н е р Дж. и Л а н д а у Г. Температурные напряжения в упругопластических телах.— Пластичность и термопластичность. М., Изд-во иностр. лит., 1963.

16.В е й ц м а н Р. И. О тепловых напряжениях вблизи сварного соедине­ ния разнородных труб. — «Прикладная механика», 1964, т. 10, вып. 4.

17. В е л и к о и в а н е н к о

Е. А. и М а х н е

н к о В. И. Численное

решение плоской задачи теории

неизотермического

пластического течения

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ