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

книги из ГПНТБ / Майзель В.С. Сварные конструкции учебник

.pdf
Скачиваний:
41
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
13.42 Mб
Скачать

Влияние остаточных напряжений на прочность. В теории сварочных напряжений и деформаций достаточно подробно рас­ смотрены особенности работы элементов, имеющих начальные сварочные напряжения, и показано, что действие внешней на­ грузки вызывает в сварной конструкции местные пластические деформации и приводит к снижению начальных напряжений при первом нагружении Последующие нагружения (если они по величине не превосходят первое) не вызывают дополнительного роста местных пластических деформаций, поэтому дальнейшая работа конструкции происходит упруго.

Рис. 5.1. Схема

суммирования

остаточных

напряжений

с напряжениями

от

внешней

нагрузки:

а — сварная

пластина;

б — исходная эпюра остаточных

напряжений;

в — эпюра

суммарных

напряжений

при нагрузке; г

эпюра остаточных

напряжений

после

разгрузки в кгс/см2

 

 

 

(10 МПа)

 

 

Особенности суммирования сварочных напряжений с напря­ жениями от внешних сил можно показать при рассмотрении про­ цесса нагружения сварного элемента, имеющего остаточные напряжения.

Для простоты рассмотрим пластину с продольным швом (рис.5.1). В результате процесса сварки в ней созданы уравновешенные остаточные напряжения, величина которых в районе шва дости­ гает предела текучести (рис. 5.1, б).

Если материал пластины будет достаточно пластичным — таким, например, как малоуглеродистая сталь, диаграмма растя­ жения которой имеет площадку текучести — то при растяжении пластины усилием Р напряжения в средней части ее поперечного сечения не будут расти. Материал здесь уже будет находиться в пластическом состоянии и не окажет сопротивления растяже­ нию. Сопротивление действию растягивающего усилия будет

только со стороны крайних участков элемента,

находящихся

в упругом состоянии. При этом внешняя нагрузка

Р (в данном

случае P = 44 тс) вызовет в крайних частях элемента, находя­ щихся в упругом состоянии, напряжение, равное

 

 

аг = Р

44 ПОП = 2200 кгс/см2 (220 МПа).

Здесь

Fо — площадь

поперечного сечения упруго работающих

участков

элемента.

В данном случае F0 — 22 — 2 = 20 см2

(рис.

5.1,

а).

 

Суммарное напряжение в этих участках с учетом и остаточных напряжений по эпюре на рис. 5.1, б будет равно

Ошш = —240 + 2200 = 1960 кгс/см2 (196 МПа).

Эпюра распределения напряжений для этого случая представ­ лена на рис. 5.1, в.

При разгрузке деформации элемента происходят упруго во всех его частях, поэтому при разгрузке и средняя часть будет оказывать сопротивление. В связи с этим уменьшение растягива­

ющих напряжений произойдет

на величину

 

о2 = -у- = ■44 | 00 =

2000 кгс/см2 (200 МПа).

Здесь

F — площадь поперечного сечения всего элемента (в дан­

ном случае F = 22 см2).

произойдет уменьшение напряже­

В

результате суммирования

ний (рис. 5.1, г), которые в этом случае будут равны для средней части ошах = 2400 — 2000 = 400 кгс/см2 (40 МПа); для крайних частей ат1п = 1960 — 2000 = —40 кгс/см2 (—4 МПа).

Таким образом, в результате нагрузки и разгрузки элемента, имеющего уравновешенные сварочные напряжения, начальные остаточные напряжения значительно уменьшаются. При этом чем больше прикладываемое внешнее усилие, тем в большей сте­ пени уменьшаются внутренние напряжения. И если величина внешнего усилия будет создавать в элементе напряжения, равные пределу текучести по всему сечению, то при разгрузке внутрен­ ние напряжения будут полностью сняты.

Так, для того же примера, нагружение внешним усилием Р —

52,8 тс вызовет в крайних

частях элемента напряжения

аг =

=

2949 кгс/см2 (264 МПа).

Го

Лѵ

 

Суммарное напряжение в крайних частях при этом будет

сгтш = —240 + 2640 = 2400 кгс/см2 (240 МПа).

В этом случае напряжения равны пределу текучести по всему сечению элемента, т. е. весь материал находится в пластическом состоянии и дальнейшего роста нагрузки допустить на элемент уже нельзя.

Попутно можно отметить, что то же по величине усилие Р =

=52,8 тс могло бы вызвать состояние текучести по всему сечению

идля элемента, не имеющего внутренних напряжений

о = ~ =

= 2400 кгс/см2 (240 МПа).

Поэтому по условиям достижения предельных напряжений, равных пределу текучести, элементы, имеющие начальные свароч­ ные напряжения, и элементы, не имеющие этих начальных (взаимно уравновешенных) напряжений, находятся в одинаковых условиях.

Ввиду того, что при разгрузке сопротивление деформациям сжатия оказывается всеми частями сечения, снижение напряже­ ний произойдет по всему сечению на величину

а2 =

— -Ï— L -

2400 кгс/см2 (240 МПа).

Суммарные напряжения при этом будут

 

<W = Qmm =

2400 — 2400 = 0.

Таким образом, из приведенного примера видно, что внутрен­ ние уравновешенные в сечении сварочные напряжения не отра­ жаются на работоспособности элемента, поэтому они и не учиты­ ваются при проектировании сварных конструкций, точно так же, как они те учитываются и при проектировании клепаных конструк­ ций, создаваемых тоже из элементов с начальными остаточными напряжениями (созданными прокаткой, литьем, холодным дефор­ мированием и другими методами, применяемыми при изготовле­ нии элементов конструкций).

Совсем иначе процесс суммирования внутренних напряжений с напряжениями от внешней нагрузки проходит в конструкциях из хрупких материалов, разрушение которых происходит без пластических деформаций. В этом случае сварочные напряжения могут складываться с напряжениями от внешней нагрузки по всему сечению детали и вызывать преждевременное ее разрушение.

Так же будут складываться с напряжениями от внешних сил и напряжения реактивные, не уравновешенные в сечении. Поэтому они опасны для прочности сварных конструкций.

Все сказанное полностью подтверждается опытом эксплуатации сварных конструкций, а также специальными опытами по опре­ делению прочности различно напряженных сварных элементов.

Наличие значительных пластических деформаций при разру­

шении статической нагрузкой само по себе

уже свидетельствует

о том, что к моменту разрушения образцы

не могут иметь суще­

ственных различий в начальном напряженном состоянии.

В то же время известно, что сварочные

напряжения снижают

прочность конструкций из хрупких материалов, неспособных

давать пластические деформации. Следовательно, в конструкциях из малоуглеродистых и низколегированных сталей внутренне уравновешенные сварочные напряжения могут снизить прочность сварного соединения лишь в том случае, если материал сварного соединения будет приведен в абсолютно хрупкое состояние, т. е. практически полностью потеряет способность пластически де­ формироваться. Такое состояние материала может иметь место при температурах ниже критической температуры хрупкости, значение которой зависит от формы образца. В этом случае сва­ рочные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, приведут к снижению величины разрушающей нагрузки. Однако если этим исключительно тяжелым условиям работы предшествовала работа конструкции в более легких условиях (например, при положительной температуре), то снижения раз­ рушающей нагрузки не произойдет вследствие смягчения остроты концентратора напряжений за счет пластических деформаций, происходящих при предшествующих нагружениях. Этим и объяс­ няется то обстоятельство, что в реальных конструкциях при ста­ тических нагрузках практически не наблюдается снижения проч­ ности от действия остаточных напряжений.

Анализ результатов всех исследований показал, что при ста­ тической нагрузке низкая температура и высокие концентраторы напряжений сами по себе весьма существенно влияют на прочность элементов, значительно снижая ее. Поэтому, хотя проявление отрицательного влияния остаточных напряжений тоже возможно, все же степень этого влияния ничтожно мала по сравнению с дру­ гими факторами и с ней поэтому практически можно не считаться.

Таким образом, для конструкций эксплуатирующихся при низких температурах, снятие сварочных напряжений с целью повышения их прочности оказывается бесполезным. Предупре­ дить возможное в этих условиях снижение прочности можно лишь устранением концентраторов напряжений.

Пластические деформации при ударном разрушении оказы­ ваются по величине не меньшими, чем при статическом разрушении.

Таким образом, на основании тех же соображений, можно заключить, что общая оценка влияния остаточных напряжен й на прочность при ударе должна быть такой же, как при статиче­ ской нагрузке. Наличие пластических деформаций при ударном разрушении также свидетельствует о том, что разницы в напряжен­ ном состоянии отдельных образцов к моменту разрушения суще­ ствовать уже не должно, поэтому остаточные напряжения не могут оказывать влияния на прочность.

При вибрационной нагрузке разрушение не сопровождается пластическими деформациями. В связи с этим предел выносливо­ сти элементов конструкций в значительной степени зависит от концентрации напряжений, а также от местного изменения свойств металла, которое возможно при различных технологических воз­ действиях в процессе изготовления конструкций. По тем же

причинам влияние остаточных напряжений при вибрационной на­ грузке должно проявляться более заметно, чем при статической нагрузке и ударе, при которых значительные пластические де­ формации, происходящие в процессе нагружения, устраняют остаточные напряжения.

Результаты вибрационных испытаний показали, что при отсутствии концентраторов напряжений остаточные сварочные напряжения не снижают вибрационную прочность образцов из малоуглеродистой и низколегированной стали.

При этом отжиг уничтожает остаточные напряжения, однако

влияет

отрицательно, понижая предел

выносливости.

 

 

 

 

 

 

Понижение вибрационной прочности

 

 

 

после отжига связано с общим пониже­

 

 

 

нием прочностных свойств как основ­

 

 

 

ного металла, так и металла

шва,

что

 

 

 

выражается также и в соответствующем

 

 

 

снижении предела прочности и предела

 

 

 

текучести.

 

 

концентрации

напря­

 

 

 

При наличии

 

 

 

жений

остаточные

напряжения

прояв­

 

 

 

ляются

более заметно.

 

 

 

 

 

 

На диаграмме рис. 5.2 представлены

 

 

 

результаты

вибрационных

испытаний

 

 

 

крестовых образцов (см. рис. 3.17).

что

Рис. 5.2. Результаты вибра­

Эти

результаты

показывают,

ционных

испытаний

кресто­

даже при

резком изменении формы об­

вых образцов с различной

разцов

наличие

остаточных

сварочных

технологической обработкой:

/ — после

сварки;

2 — после

напряжений

не

приводит к снижению

отжига; 3

— после растяжения;

предела выносливости. Это можно объяс­

4 — после отжига и растяжения

нить тем,

что

положительное

упроч­

 

 

 

няющее

действие

наклепа

в

районе

сварных швов компенсирует отрицательное действие растяги­ вающих остаточных напряжений. Поэтому отжиг образца, унич­ тожающий упрочняющее влияние наклепа, приводит к сни­ жению вибрационной прочности. Предварительное растяжение, которое значительно повышает вибрационную прочность, следует

прежде всего рассматривать не как меру снятия

напряжений

(так как положительное влияние предварительного

растяжения

в равной мере проявляется как при наличии остаточных напряже­ ний, так и без них), а как метод упрочнения, связанный с появле­ нием местных пластических деформаций. Местные пластические деформации при растяжении создают упрочнение металла в наи­ более напряженном участке и, кроме того, приводят к некоторому изменению формы переходов, смягчая их резкость. Последнее для образцов с высокой концентрацией напряжений может иметь весьма существенное значение. Кроме того, местные пластические деформации от внешней нагрузки приводят также и к снижению остаточных напряжений.

Как отмечалось выше, в обычных условиях влияние растяги­ вающих остаточных напряжений в районе шва всегда компенси­ руется упрочняющим влиянием местных пластических деформа­ ций. Но в некоторых случаях, например при сварке жестко за­ крепленных деталей или когда остаточные напряжения созданы другими методами, районы действия остаточных напряжений и концентрации местных пластических деформаций могут быть отделены друг от друга. Если при этом действие внешней нагрузки будет в большей степени сконцентрировано в районе действия остаточных растягивающих напряжений, а участки, в которых произошли местные пластические деформации, будут располо­ жены в слабо работающей зоне элемента конструкции, то благо­ приятное влияние местных пластических деформаций не будет уже компенсировать отрицательное действие остаточных напря­ жений. В этом случае произойдет снижение предела выносливости, определяемое суммированием остаточных напряжений с напряже­ ниями от внешней нагрузки и изменением характеристики цикла суммарных напряжений. Это может быть подтверждено резуль­ татами испытания крестовых образцов, приведенными в табл. 5.1.

Т а б л и ц а

5.1. Результаты испытания крестовых образцов

 

с различными остаточными напряжениями

 

 

 

 

Остаточные

Предел выносливости

 

 

 

напряжен ия

 

 

 

в опасной

от внешней

нагрузки

Характеристика

напряженного

з°ие а ост

°-i,k

состояния

образцов

 

 

 

 

 

 

кгс/мм2

КГСм2

%

 

 

 

(ІО"1 МПа)

(ІО“ 1 МПа)

Без остаточных напряжений

0

4,00

100

С остаточными растягивающими напряже­

12,7

2,85

71

ниями

 

 

 

 

 

С остаточными

сжимающими напряже­

—15,3

5,35

134

ниями

 

 

 

 

 

После сварки все образцы были подвергнуты отжигу для снятия в них сварочных напряжений. Таким образом, в исходном состоя­ нии сварочных напряжений в образцах не было. Остаточные напряжения в них создавались последующей специальной обра­ боткой кромок центральной пластины (пластическим обжатием или нагревом), вызывающей в них (в кромках) местные пластиче­ ские деформации. При данной форме образцов влияние местных пластических деформаций, сосредоточенных на кромках, не могло проявляться, так как напряжения на кромках от внешних на­ грузок были незначительными и возможность появления разру­ шения кромок была исключена. Прочность образцов определя­ лась напряженным состоянием их центральных участков, находя­

щихся в упругом состоянии, в которых остаточные напряжения суммировались с напряжениями от внешней нагрузки. Таким образом, при испытании образцов были созданы условия, при которых действие местных пластических деформаций и остаточ­ ных напряжений было разделено, что позволило оценить влияние остаточных напряжений отдельно от влияния других факторов.

Как видно по результатам испытания, влияние остаточных напряжений в данном случае проявилось достаточно определенно. Растягивающие остаточные напряжения привели к снижению предела выносливости, тогда как сжимающие остаточные напря­ жения привели к его повышению.

Рассмотренные условия испытания крестовых образцов с раз­ личными остаточными напряжениями представляют собой слу­ чай, когда остаточные напряжения оказывают влияние на проч­ ность. При этом влияние остаточных напряжений в зависимости от их знака может быть как отрицательным, так и положительным.

Следует отметить, что в данном случае остаточные напряжения не являлись сварочными, а были вызваны другими технологиче­ скими воздействиями. Проявление остаточных напряжений ока­ залось возможным благодаря искусственному разделению районов их проявления от районов с местными пластическими деформа­ циями, а также благодаря применению образцов с предельно высокой концентрацией напряжений.

В настоящее время считается установленным, что при исполь­ зовании в сварных конструкциях достаточно пластичных мате­ риалов, таких, например, как применяющиеся марки конструк­ ционных сталей, уравновешенные в сечении сварочные напряже­ ния на прочность конструкций не влияют при любых условиях загружения и статической и динамической нагрузками.

Поэтому нет необходимости в этих случаях при изготовлении конструкций применять особые меры для снижения напряжений. Это положение не может быть распространено на изделия из хрупких материалов, для которых сварочные напряжения опасны и могут привести к появлению трещин еще при изготовлении изделий. В таких случаях предотвращение появления внутренних напряжений в процессе изготовления необходимо.

Следует также принимать меры для уменьшения реактивных напряжений в сварных конструкциях, появляющихся при сварке в закреплениях, например, при сварке монтажных стыков.

Необходимость снятия сварочных напряжений может быть оправдана также в случаях, когда требуется высокая точность сохранения размеров сварного изделия в продолжении всего периода его службы. Это, в частности, имеет значение для фунда­ ментов под сложные агрегаты, точность центровки валов которых очень высока. При этом, учитывая, что под действием внешней нагрузки внутренние напряжения могут уменьшаться, следует считаться с возможным изменением размеров изделия вследствие перераспределения напряжений и упругих деформаций. Такое

изменение размеров может произойти и при механической обра­ ботке, при которой удаление напряженных слоев металла также может вызвать перераспределение напряжений.

Таким образом, прибегать к специальным мерам снятия сва­ рочных напряжений следует только в редких случаях.

§ 21. МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

Уменьшение сварочных деформаций и напряжений может быть в большинстве случаев достигнуто соответствующим выбором последовательности сборки и сварки. Такое решение наиболее рационально, так как в этом случае отпадает необходимость при­ менения дополнительных приемов, усложняющих технологиче­ ский процесс изготовления сварных конструкций.

Однако при изготовлении сварных конструкций не во всех случаях удается избежать необходимости применения некоторых дополнительных мер.

Без применения специальных мер нельзя предотвратить или уменьшить сварочные напряжения. При сварке остаточные на­ пряжения возникают всегда, причем их величина в районе швов, как правило, достигает значений, равных пределу текучести. Следует только отметить, что действительная необходимость пред­ отвращения или снятия сварочных напряжений, как уже было отмечено, встречается сравнительно редко. Более частыми могут быть случаи применения специальных мер по борьбе со свароч­ ными деформациями.

Искажение формы отдельных деталей сильно осложняет изго­ товление сварных конструкций дополнительными трудоемкими операциями по подгонке в местах сопряжений и приводит к уве­ личению непроизводительных затрат. Кроме того, искажение формы элементов конструкции может привести к недопустимым изменениям условий работы и вызвать перенапряжения в отдель­ ных участках.

Так, например, образовавшийся после сварки общий изгиб стержня, работающего на растяжение, приведет к появлению в нем дополнительных напряжений от изгиба. Местные деформации поясов двутавровой балки вызывают перераспределение и местную концентрацию напряжений в отдельных сечениях, при которой максимальные напряжения могут значительно превышать сред­ нюю их величину.

Таким образом, сварочные деформации оказывают вредное влияние на конструкцию. Они увеличивают трудоемкость изго­ товления и могут привести к снижению прочности сварных кон­ струкций. Поэтому при изготовлении сварных конструкций не­ обходимо принимать меры для предотвращения деформаций или ограничения их величины определенными пределами, при кото­ рых их влияние не будет существенным.

Ниже приведен краткий обзор различных мер, применя­ ющихся с целью предотвращения или уменьшения сварочных деформаций н напряжений.

Выбор последовательности сборки и сварки. При сборке и сварке конструкций но мере скрепления отдельных деталей и формирования поперечного сечения происходит постепенное уве­ личение жесткости. Учитывая, что при этом расположение швов по отношению к центру тяжести формирующегося сечения также меняется, следует ожидать, что деформации, вызываемые сваркой

 

 

 

отдельных швов при разной после­

а)

2

; 5)

довательности

сборки

и

сварки,

 

будут

различны.

 

 

 

 

 

 

 

 

последова­

 

 

 

Выбор оптимальной

 

 

 

тельности сборки и сварки может

 

 

В)

быть сделан на основании сопоста­

 

 

вления

различных

технологиче­

 

 

 

ских

вариантов.

 

 

 

 

 

 

 

Например, при разработке тех­

 

 

 

нологического

процесса

изготов­

 

 

 

ления переборки (рис. 5.3),

состоя­

 

 

 

щей

из

продольных

уголков

/,

 

 

 

поперечных ребер 2 и обшивки 3,

 

 

 

могут

быть намечены

варианты,

 

 

 

схема

 

которых

представлена

 

 

 

в табл. 5.2.

 

 

 

 

 

Рис. 5.3. Схема переборки (а) и ее

При раздельной сборке и сварке

 

отдельных узлов и в)

могут быть намечены два варианта:

 

 

 

вариант I, при котором вначале

собирается набор, затем приваривается

обшивка,

и вариант

II,

при котором вначале привариваются поперечные ребра к обшивке, а затем к ним привариваются продольные уголки.

Вариант III представляет собой обычно применяемый метод

общей сборки, при

котором вначале все

элементы собираются и

затемпроизводится

сварка. При этом в

каждом варианте могут

быть намечены свои подварианты, в которых имеется своя особая последовательность выполнения швов А, Б и В. В таблице эти подварианты отмечены буквами а и б.

Для каждого такого подварианта (их всего шесть) можно произвести качественную оценку деформаций. При этом общие деформации переборки могут быть выражены стрелкой прогиба продольных уголков, являющихся наиболее жесткими элемен­ тами и характеризующих деформации всей секции. В таблице указаны стрелки прогиба продольных уголков от сварки каждого шва.

В первом варианте центр тяжести шва А расположен ниже центра тяжести сечения уголка (рис. 5.3, б), поэтому сокращение шва вызовет прогиб уголка вверх (/ф). При сварке шва Б продоль­ ное сокращение шва также вызовет прогиб уголка вверх (/2).

Т а б л и ц а 5.2. Деформации при различной последовательности сборки и сварки переборки

Схема и наименование

Обозначение

Последо-

Прогиб

Суммарный

 

от сварки

метода сборки

вариантов

сварки

различных

прогиб

 

 

швов

 

 

 

швов

 

 

 

 

 

Раздельная сборка и свар-

ка

 

А

H W — ____ Г

г

11

В Б

TbWWW

Раздельная сборка и сварка

В

.....і

T“ dT

Общая сборка

I

f

[

а

А

h

Б

h

 

В

h

 

А

/1+ / 2 + / 3

б

h

В

h

 

Б

f2

 

В

0

а

А

- f l

 

Б

h

и

 

fi~~f1

 

В

0

б

Б

h

 

А

- f l

 

В

fz

а

Б

fi

 

А

- f l

іи

 

/2+ / 3f\

 

А

б

- r

В

h

 

Б

h

При сварке швов В от поперечных сокращений прогиб будет иметь то же направление (/3). Изменение последовательности сварки (вариант Іб) не изменяет расположения швов относительно центра тяжести сечений переборки, и поэтому величина стрелок прогиба будет такой же, как и для варианта Іа.

В варианте II при приварке поперечных ребер к обшивке швом В прогиба уголка не будет.

При сварке же шва Л, прикрепляющего поперечное ребро к уголку, положение центра тяжести шва по отношению к центру тяжести поперечного сечения секции изменится, так как все эле­ менты собраны на прихватках и представляют собой одно целое