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

(рис. 5.3, б). При этом прогиб уголка от сварки шва А будет на­ правлен вниз (—fl). При сварке швов Б условия для образования деформаций будут те же, что и в варианте I (/2).

В варианте III при наличии общей связи всех элементов при сварке швов Б и В прогиб уголка будет создаваться таким же, как и в варианте I (/2 и /3), а деформации, производимые сваркой шва А, будут такие же, как и в варианте II (—fl).

В результате сравнения суммарного прогиба можно устано­ вить, что при варианте II деформации наименьшие, а при варианте I они наибольшие. Вариант III занимает промежуточное положение.

Можно отметить, что для всех вариантов в одинаковой степени порядок сварки швов не изменяет общих деформаций переборки.

Вариант II имеет преимущество по сравнению с вариантом III в отношении общих деформаций переборки, но местные угловые деформации обшивки при варианте III вследствие закрепления кромок будут меньшими, чем при варианте II. Таким образом, выбор того или иного варианта будет определяться тем значением, которое эти деформации будут иметь в конкретных условиях службы изделия или теми возможностями по борьбе с деформа­ циями, которые в данных условиях имеются в распоряжении.

Если учесть, что общий прогиб уголка предотвратить проще, чем местные угловые деформации настила от приварки ребер, то может быть принято решение о выборе варианта III с дополнитель­ ным применением закреплений или обратного выгиба.

Закрепление при сварке. Этот прием относится к числу доста­ точно часто применяемых для уменьшения деформаций изгиба при сварке и заключается в том, что свариваемое изделие при­ крепляется на все время сварки к фундаменту, который должен быть достаточно жестким для того, чтобы удерживать изделие. После окончания сварки и полного остывания изделия зажимы удаляются. При этом деформация изделия произойдет, но не­ сколько меньше той, которая имеет место в случае сварки в сво­ бодном состоянии.

Этот способ, однако, не во всех случаях может дать требуемый результат, и применение его поэтому ограничено некоторыми пределами.

Оценка значения этого способа может быть произведена на примере сварки прямолинейного элемента (рис. 5.4). При сварке

мом прижимом элемента к жесткой плите нагрузкой Q (рис. 5.4, б), остаточный прогиб элемента будет /3 (рис. 5.4, в).

Действие зажимов равноценно действию нагрузки, прижима­ ющей элемент к плите, которая производит его прогиб со стрел­ кой /, вызывая растяжение в верхнем поясе и сжатие в нижнем. При этом металл в районе верхних поясных швов, находящийся под действием растягивающих сварочных напряжений, достига­ ющих предел текучести (заштрихованный участок поперечного

сечения на рис. 5.4), не может принимать дальнейшей растягива­ ющей нагрузки и в этой работе не участвует. В нем происходят пластические деформации растяжения, которые частично компен­ сируют пластические деформации сжатия, возникающие в про­ цессе сварки. Процесс компенсации пластических деформаций в результате приводит к уменьшению конечных деформаций.

При снятии закреплений, как и всегда при разгрузке, дефор­ мации будут происходить упруго во всех участках сечения, т. е.

Рис. 5.4. К расчету деформаций при сварке в закре­ плениях: а — деформации при сварке без закреплений; б — схема закрепления; в — остаточные деформации после снятия закреплений

в работе будет участвовать все сечение. Поэтому обратный прогиб при снятии закреплений будет меньше прогиба, вызываемого закреплением.

Окончательный прогиб при сварке в закреплении выражается следующей формулой:

инерции сечения с учетом ослабления сечения швами; J — момент инерции всего сечения.

Из этой формулы видно, что прогиб при сварке в закреплении будет меньше прогиба при сварке в свободном состоянии, так как

J о J .

Учитывая, как и в случае применения закреплений, ослабление сечения за счет участка площади, расположенной в районе верх­ них поясных швов, можно установить следующую зависимость между прогибами при нагрузке и разгрузке от закреплений

Эта зависимость показывает, что прогиб при сварке с выгибом меньше прогиба при сварке только с закреплением.

Путем соответствующего выбора стрелки обратного выгиба можно полностью исключить остаточный прогиб. Стрелка обрат­

О

откуда

Jn

Следует заметить, что полное устранение остаточных деформа­ ций для элементов большой жесткости требует приложения весьма значительных усилий.

Реактивные напряжения. При сварке в условиях жесткого закрепления образуются остаточные растягивающие напряжения, называемые реактивными напряжениями. Такое название связано с тем, что величина этих напряжений определяется реакциями того жесткого контура, в котором производится сварка. Подобное положение в реальных конструкциях встречается, например, при сварке монтажных стыков. В монтажных стыках сварка замы­ кающих швов производится в условиях достаточно жесткого закрепления, созданного тем, что детали, свариваемые в послед­ нюю очередь, присоединены уже к сформированной ранее части конструкции, в связи с чем возможность перемещения их сильно ограничена.

При наличии жестких закреплений укорочение в районе шва, вызванное сосредоточенным нагревом при сварке, может привести к появлению трещин еще в процессе остывания нагретого участка. Если этого не произойдет, то оставшееся реактивное напряжение в сумме с напряжениями от внешних сил может явиться причиной снижения прочности в процессе эксплуатации конструкции.

В данном случае снижение прочности возможно потому, что реактивные напряжения создаются не только в сечениях по свар-

ным швам, где некоторое упрочнение в известной мере может снизить отрицательное влияние остаточных напряжений, а также в сечениях по основному металлу, вдали от сварных швов, где нет упрочняющего влияния от местных пластических деформаций.

Наиб >лее эффективной мерой борьбы с реактивными напря­ жениями является выбор соответствующей последовательности сварки, при которой эти напряжения могут быть сильно снижены

кальной стенки, то растягива­ ющие реактивные напряже­

Ѳния будут в стыке стенки, а пояса будутсжаты(рис. 5.6,6).

ѳЕсли оставить на некото­

ром участке незавершенными поясные швы, которые огра­ ничивают перемещение соеди­ няемых деталей (поясов и стенки), и в таких условиях производить сварку стыко­ вых швов монтажного стыка (в последовательности, ука­

занной, например, для случая на рис. 5.6, б), то реактивные напря­ жения будут значительно уменьшены. При этом степень уменьшения напряжений будет зависеть от длины свободного участка I. Сварка поясных швов может производиться в последнюю очередь потому, что продольное укорочение при этом незначительно и реактивными напряжениями можно пренебречь. В этом случае реактивные напряжения можно характеризовать эпюрой на рис. 5.6, в. Однако при такой последовательности сварки возможно появление неже­ лательного изгиба незакрепленных поясов из-за местных угловых деформаций, возникающих при сварке стыковых швов. С целью предупреждения таких деформаций поясам можно придать соот-

ветствующий предварительный упругий выгиб, который будет способствовать также еще большему снижению величины остаточ­ ных напряжений.

Таким образом, в швах, завариваемых в последнюю очередь, возникают растягивающие напряжения, поэтому в балках, пояса

сварки отдельных сварных швов обеспечили высокое качество монтажных стыков. Подобная последовательность сварки монтаж­ ных стыков и меры, принимаемые для устранения в них реактив­ ных напряжений, неоднократно применялись при сварке мно­ гих мостовых конструкций и всегда обеспечивали полный успех.

§ 22. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЫСОКОЙ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Термин «технологичность» характеризует комплекс свойств, способствующих изготовлению конструкции с наименьшей за­ тратой средств и времени при одновременном обеспечении задан­ ных для нее качественных показателей.

Изделие считают технологичным, если оно запроектировано так, что при его изготовлении обеспечена возможность применения высокопроизводительных технологических процессов.

Выбор материала. Обеспечение высокой технологичности свар­ ного изделия является одним из основных тербований, которые должны учитываться еще в процессе его проектирования. Выбор материала и конструктивных форм сварных соединений и узлов в значительной степени определяет не только прочностные ха­ рактеристики проектируемого изделия, но и технологические возможности последующего процесса его изготовления.

Для сварной конструкции с позиций обеспечения лучшей технологичности наиболее желательным является такой материал, который допускает сварку обычными сравнительно простыми приемами, не требующими создания особых условий, осложня­ ющих производство (таких, например, как предварительный и сопутствующий подогревы изделия или последующая его термиче­ ская обработка и т. п.).

Впроцессе остывания сварного соединения в нем при некото­ рых условиях возможно появление трещин. Условия образования таких трещин зависят от свойств металла, формы и размеров под­ готовленных к сварке кромок и от технологии сварки.

Взависимости от температуры образования трещин различают «горячие» и «холодные» трещины.

Горячие трещины возникают при температуре, близкой к линии солидуса, в процессе уменьшения затвердевшей прослойки жидкого металла, находящейся в замкнутом объеме между уже

затвердевшими кристаллами. На процесс образования горя­ чих трещин большое влияние оказывает химический состав металла шва, определяющий свойства жидких прослоек.

Для некоторых составов повышение механической прочности идет медленнее, чем рост напряжений, возникающих от сокращения объема. Это и приводит к образованию горячих трещин. Сера, углерод, кремний и водород способствуют образованию горячих трещин, а марганец повышает стойкость металла к трещинообразованию. Чем больше в металле шва элементов, способствующих образованию легкоплавких эвтектик и химических соединений, располагающихся при кристаллизации по границам зерен и затвердевающих в последнюю очередь, тем больше вероятность образования горячих трещин.

Холодные трещины возникают в швах и околошовной зоне, как правило, при температурах ниже 300° С. Причиной их обра­ зования является концентрация углерода и легирующих элемен­ тов, вызывающая закалку. Появлению холодных трещин способ­ ствует также загрязнение металла фосфором.

Для большинства сварных конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей холодные трещины не характерны. Они могут появляться при сварке углеродистых и легированных сталей, которые применяются в некоторых отраслях машинострое­

ния. Основными мерами борьбы с появлением холодных тре­ щин является подбор теплового режима сварки, применение дополнительного подогрева и последующей термической обра­ ботки.

Технологические пробы. Для определения пригодности мате­ риала к применению в сварных конструкциях существуют раз­ личные специальные пробы, которые позволяют произвести оценку технологической прочности применительно к выбранным свароч­ ным материалам и технологическим условиям. В технологических пробах в известной мере воспроизводятся условия выполнения

зующие жесткость закрепления, возможную в условиях изготовления корпусных конструкций) создаются

поперечными ребрами, которые привариваются к пластинам с со­ хранением на некоторой длине свободного недоваренного уча­

с условиями сварки монтажных соединений судовых корпусных конструкций.

Выполнение сварки продольного шва этой пробы представ­ ляет собой контрольную проверку, позволяющую убедиться в отсутствии трещин в шве, что свидетельствует о достаточной его технологической прочности для принятых условий.

Наличие подобных проб является показателем того, что к на­ стоящему времени вопрос о выборе материала для различных сварных конструкций в общей форме пока еще полностью не решен. Этот вопрос зависит от большого количества факторов и является весьма сложным.

Некоторые материалы, имеющие хорошие показатели проч­ ности и пластичности при одноосном напряженном состоянии и комнатной температуре, в условиях более сложного напряжен­ ного состояния и низкой температуры работают менее удовле­ творительно. К числу таких материалов можно отнести, например, кипящие малоуглеродистые стали.

В настоящее время проводятся исследовательские работы, чтобы составить общую методику оценки пригодности материала для сварных конструкций. При этом считают, что основными факторами, определяющими стойкость сварных конструкций про­ тив хрупких разрушений, являются: химический состав металла; температура эксплуатации конструкции; толщина элементов; на­ чальные пластические деформации металла, полученные в про­ цессе изготовления конструкции; жесткость напряженного состоя­ ния.

По химическому составу наиболее хорошо свариваемыми считают стали при следующем ограничении основных элементов:

Сsg; 0,22%; М п<1,5% ; Si «s; 0,5%; С + - ^ - ^ 0 ,4 % .

Температурные условия эксплуатации разделяют на четыре

2,5%; 2) с начальными пластическими деформациями в преде­ лах 2,5—5%.

Жесткость напряженного состояния оценивается тремя зна­ чениями коэффициента k, которые принимаются для различных условий равными: k 1 = 1; k 2 = 1,4; k 3 = 2.

Наиболее жесткие условия создаются в конструкциях, состав­ ленных из элементов больших толщин при наличии многоосных остаточных напряжений без последующей термической обработки, при резком изменении конструктивной формы.

Подобная общая система окончательно еще не установлена, в связи с чем пока и применяются отдельные частные пробы на свариваемость, учитывающие особенности конкретных условий производства.

При проектировании сварных конструкций для улучшения их технологичности необходимо стремиться к тому, чтобы принятое общее конструктивное решение предусматривало возможность применения наиболее простых форм сварных соединений и узлов, минимальное количество отдельных элементов и деталей (например, возможно меньшее число различных фасонных профилей, толщин листового проката и т. п.). Принятое конструктивное решение должно обеспечивать также возможность применения наиболее прогрессивных механизированных и автоматизированных мето­

дов на всех этапах изготовления сварной конструкции: при за­ готовке деталей, при сборке и сварке ее отдельных узлов и при ее окончательном монтаже на месте установки.

Сокращение объема монтажных работ. Для общей характе­ ристики технологичности конструкций можно использовать при­ мер примененных цельносварных пролетных строений, в которых главные фермы приняты с жестким нижним поясом (рис. 5.9).

Возможность увеличения длины панели (до 16,5 м) путем при­ менения нижнего пояса в виде балки жесткости, допускающей внеузловое прикрепление поперечных балок проезжей части, позволила значительно сокра­ тить количество монтажных элементов по сравнению с обыч­ ной стержневой системой, для которой длина панели нижнего пояса должна быть принята

всоответствии с шагом попереч­ ных балок, равной 5,5 м. Это значительно сокращает объем работ на монтаже. Кроме того,

вконструкции цельносварного пролетного строения стержне­ вые элементы главных ферм

Количество отдельных деталей составляет для клепаной кон­ струкции 2500 шт., тогда как для сварной конструкции оно равно 1150 шт.

Общий вес пролетного строения клепаной конструкции со­ ставляет 237 т, а для сварной конструкции он равен 172 т, что дает экономию металла 27%.

Основным процессом современного производства сварных кон­ струкций должна являться механизированная или автоматизиро­ ванная сварка.

Недостаточная технологичность конструкции ограничивает применение автоматической сварки. Так, например, при наличии коротких швов в изделиях индивидуального производства при­ менение электродуговой автоматической сварки является неэффек­ тивным, а в некоторых труднодоступных местах применение ее бывает даже невозможным.