
книги из ГПНТБ / Талыпов Г.Б. Сварочные деформации и напряжения
.pdf
|
|
|
|
|
|
|
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
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 (ук |
-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 (Тк—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 |
(Тк—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]. |
|
|
|
|