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

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

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 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

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

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

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.

g

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

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

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

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

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

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

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