Толстостенные оболочки

В толстостенных цилиндрических сосудах продольные и кольцевые швы выполняют многослойной дуговой или однопроходной электрошлаковой сваркой.

В кольцевых многослойных швах на образование напряжений σ_уоказывают влияние поперечная усадка очередного валика, вызывающая сжатие нижележащих слоев; изгиб, возникающий от поперечной усадки валика, расположенного с эксцентриситетом относительно центра тяжести шва; изгиб оболочки вследствие окружного сокращения валиков. Изгибы от поперечной усадки и вследствие окружного сокращения валиков вызывают растяжение в корне шва. Остаточные напряженияσ_ув корне шва после заварки всей разделки зависят от жесткости оболочки, и условий сварки. В гибких оболочках в корне шва могут возникать значительные поперечные деформации и напряжения. Продольные (окружные) напряжения σхв многослойных швах стальных обечаек близки к σт.

В толстостенных оболочках при электрошлаковой сварке радиальные перемещения незначительны, но возникают перемещения поперек шва, которые сильно изменяют сварочный зазор в процессе сварки. Ввиду пространственного расположения стыка в отдельных местах периметров возникает значительное закрывание зазора, которое, будучи зафиксировано швом, после полного остывания превращается в остаточные перемещения. Наибольшая поперечная усадка возникает в зоне около 0,4 периметра, считая от места начала сварки. Это вызывает излом продольной оси свариваемого цилиндра. При больших длинах цилиндров или осей необходимо проводить предварительную сборку, создавая клиновидный зазор.

10. Деформации и напряжения в соединениях с круговыми швами

В круговом сварном соединении на плоском листе распределение напряжений и деформаций в первом приближении может рассматриваться как осесимметричное.

В таком соединении следует различать три основных зоны: внутреннюю 1, среднюю 2 и внешнюю 3 (Рис. 9 .94). Зона 2 соответствует зоне растягивающих напряжений в обычном прямолинейном шве и имеет, как правило, высокие напряжения σt, близкие к пределу текучести. Вследствие уравновешенности зоны 2, представляющей кольцо, радиальные напряжения σr₃, действующие на внешнюю зону 3, всегда больше напряжений σr₁, действующих на внутреннюю зону. В малоуглеродистых и аустенитных сталях зона 2 находится в состоянии пластической деформации, что соответствует условию пластичности,

	(9.0)
Рис. 9.94 Характерные зоны кругового шва

В сочетании с дифференциальным уравнением равновесия уравнение ( 9 .0) позволяет определить распределение напряжений σ_r2иσ_t2в зоне 2 в зависимости от величины напряженияσ_r1илиσ_r3. На (Рис. 9 .95) схематично показано несколько возможных распределений напряженийσ_r2иσ_t2в зоне 2. В свою очередь, величина напряженийσ_r1зависит от соотношения жесткостей элементов в областях 1 и 3, радиусаr₂₀ ,поперечного сокращения шва и ширины зоны пластических деформаций2b_п.

Рис. 9.95 Возможные распределения напряжений в зоне 2

Установить точную количественную связь между всеми этими величинами трудно. Однако всегда напряжениеσ_r3— растягивающее, в то время какσ_r1может быть и растягивающим и сжимающим. Это объясняется тем, что поперечная усадка соединения вызывает растягивающие напряженияσ_rи в области 1, и в области 3, а продольная (окружная) вызывает в области 3 напряжения растяженияσ_r, а в области 1 — сжатие. При больших размерах зоны 3 и малых размерах зоны 1 поперечная усадка преобладает, и в области 1 действуют растягивающие напряжения (Рис. 9 .95.). Аналогичная картина наблюдается, если элемент 1 представляет собой жесткую бобышку или фланец небольшого диаметра (до 100—200 мм). В этом случае могут возникнуть большие радиальные пластические деформации, и даже разрушение металла.

Сжимающие напряжения σ_r1в зоне 1 возникают при относительно малой жесткости области 3, например, при приварке узкого кольца; окружное сокращение почти полностью передается на область 1 и она испытывает сжатие.

Круговые швы на сферических поверхностях вызывают нарушение формы оболочки в зоне кругового шва с приближением ввариваемого элемента к центру сферы (Рис. 9 .96, б, пунктирная линия). Деформации появляются вследствие поперечной усадки соединения Δ_попи окружного сокращения металла в зоне пластических деформаций2b_п. Характер деформаций близок к осесимметричному. В круговых швах остаточные напряжения в окружном направлении обычно велики и могут достигать значенийσ_T. Напряжения поперек шва могут изменяться от нулевых значений, если круговой шов близок к кольцевому, до значенийσ_Tв случае расположения кругового шва в зените сферы. Большие значения поперечных напряжений иногда являются причиной разрушений в круговых сварных соединениях.

Рис. 9.96 Деформации круговых швов

Деформации от круговых швов на цилиндрических оболочках имеют сложный характер (Рис. 9 .96, а). Поперечная усадка в зонах Ви продольная в зонахА создают сокращение периметра оболочки, в результате чего деталь 1 перемещается к оси цилиндра. Прямолинейная образующая искривляется.

При точечном разогреве на сферической или цилиндрической оболочке после остывания происходит перемещение нагревавшегося пятна к центру оболочки.