На форму и размеры сварной конструкции

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 4Следующая ⇒

Для лучшего понимания возникновения сварочных напряжений и деформаций предварительно сделаем анализ на основе сведений, полученных в курсе сопротивления материалов.

Сначала условно представим показанные в плане заготовку 1 (рис. 5.26-а) и накладываемый на неё по всей длине продольный сварной шов 2 в виде двух раздельных объектов. Заготовка 1 в исходном состоянии не нагрета, т.е. имеет комнатную температуру. В отличие от неё сварной шов 2 в процессе получения был расплавлен, то есть в начальный момент своего образования имеет очень высокую температуру. Из сопротивления материалов известно, что приращение длины Dl любого тела, обусловленное температурным воздействием, определяется формулой

, (5.1)

где a – коэффициент температурного расширения материала, Dt° – приращение температуры, l – начальная длина нагреваемого участка тела в направлении температурной деформации.

в)

а)

б)

г)

Рис. 5.26. Иллюстрация образования напряжений и деформаций

в сварных соединениях:

а – заготовка и сварной шов, условно представленные раздельно; б – укорочение Dl₁ шва при свободном сокращении; в – совместное сокращение Dl₂ заготовки с приваренным к ней швом; г – совместное сокращение шва и заготовки, имевших одинаковую исходную температуру

Поскольку температура шва в результате остывания начнёт уменьшаться, то приращение температуры Dt° и, соответственно, приращение длины Dl будут отрицательными, т.е. шов начнёт укорачиваться. Поскольку мы условно считаем шов отдельным объектом, температурному сокращению которого ничто не препятствует, то при полном охлаждении до комнатной температуры он сократится на величину Dl₁ (рис. 5.26-б), определяемую формулой (5.1), и при этом никаких напряжений внутри шва не возникнет, поскольку отсутствуют силы противодействия.

Совсем иная картина получится в реальных условиях, когда шов в момент окончания своего образования оказывается неразрывно соединённым с заготовкой (рис. 5.26-в). В этом случае ненагретая заготовка будет сильно препятствовать сокращения шва, в результате чего после полного остывания он сможет уменьшить длину не на величину свободного сокращения Dl₁, а на значительно меньшую величину Dl₂ (рис. 5.26-в). В итоге, после полного остывания шов останется растянутым силой, действующей на него со стороны заготовки, а заготовку будет сжатой силой, действующей на неё со стороны шва. Таким образом, в шве возникнут остаточные растягивающие напряжения, а в заготовке – наоборот, сжимающие. Очевидно, что эти внутренние силы и напряжения являются взаимно уравновешивающими, поскольку именно достижение равновесия между ними и определяет итоговую величину одинакового общего сокращения заготовки и шва Dl₂. Величина Dl₂ окажется тем меньше, чем больше сопротивления окажет сокращению шва заготовка, т.е. чем она будет жёстче (напомним, что, согласно сопротивлению материалов, жёсткость определяется формой и размерами поперечного сечения заготовки, а также модулем упругости её материала). Соответственно, чем жёстче будет заготовка, тем больше получится величина остаточных сварочных напряжений.

Заметим, что в реальности заготовка не только будет препятствовать полному сокращению длины шва, но, даже, нагреваясь отдаваемой им теплотой, будет стремиться его растянуть, что может вызвать пластическую деформацию как самого шва, так и непосредственно контактирующей с ним сильно разогретой зоны температурного влияния, а это, соответственно, приведёт после остывания к дополнительному увеличению остаточных напряжений.

Теперь представим, что заготовка предварительно была подогрета до той температуры, которую будет иметь образующийся сварной шов (рис. 5.26-г). Поскольку, согласно формуле (5.1) при температурном сокращении имеет значение только длина объекта в направлении сокращения, а его жёсткость не играет роли, то в этом случае, естественно, сокращение и шва, и заготовки в результате остывания было бы одинаковым, они бы не оказывали друг другу никакого сопротивления, и никаких бы взаимных остаточных напряжений не возникло. Отсюда вытекает важный практический вывод, что предварительный подогрев заготовки способствует снижению остаточных сварочных напряжений и, соответственно, деформаций, притом тем в большей степени, чем ближе будет исходная температура заготовки к получаемой температуре сварочного шва.

Сварочные напряжения приводят к возникновению рассматриваемых далее дефектов в виде трещин, а, кроме того, вызывают искажение размеров и формы полученного сварного изделия (рис. 5.27). Если шов имеет одинаковую ширину по всей высоте стыка (рис. 5.27-а), то соответственно будут одинаковы и температурные деформации по всей высоте стыка. В результате после охлаждения произойдёт лишь уменьшение размера изделия в горизонтальном направлении без изменения его формы. Но если шов имеет переменную ширину по высоте стыка (рис. 5.27-б), то протяжённость его верхней части l_в в направлении температурного сокращения будет значительно больше, чем протяжённость нижней l_н. В соответствии с формулой (5.1) в результате остывания это вызовет большое сокращение ширины верхней части шва Dl_в и, соответственно, верхней части всего сварного изделия, и незначительное сокращение ширины нижней части шва Dl_н. В результате изделие изогнётся в сторону значительно сократившейся верхней части. Аналогичная деформация произойдёт и при одностороннем наложении сварного шва (рис. 5.27-в), поскольку сверху он будет интенсивно сокращаться, а снизу ничто не будет это сокращение уравновешивать. В результате изделие получит характерное искривление.

а)

б)

в)

Рис. 5.27. Образование сварочных деформаций:

а – при шве равной ширины по всей высоте стыка; б – при шве

переменной ширины по высоте стыка; в – при одностороннем шве

Следует указать, что сокращения размеров и искривления могут происходить не только в рассмотренной плоскости, но и в других направлениях, поскольку шов в процессе остывания сокращается во всех направлениях. Например, если посмотреть на деформацию изделия в плане при наложении на него сварного шва равной ширины по всей высоте стыка (рис. 5.28-а), то становится очевидно, что шов и, соответственно, изделие сократятся не только в продольном направлении, но и в поперечном, однако поскольку протяжённость шва в поперечном направлении намного меньше, чем в продольном, то в соответствии с формулой (5.1) усадка Dl_поп также будет намного меньше, чем Dl_прод. Для компенсации усадок такого рода обычно применяют увеличение размеров заготовок для сварки на величины соответствующих деформаций.

б)

а)

д)

Рис. 5.28. Усадка и варианты устранения

изгибных сварочных деформаций:

а – продольная Dl_прод и поперечная Dl_поп усадки сварного изделия; б – предотвращение изгиба сварного изделия с помощью симметричного шва по высоте стыка; в – компенсация изгиба сварного изделия угловым расположением заготовок перед сваркой; г – компенсация изгиба сварного изделия предварительным обратным изгибом заготовки; д – выправление изогнутой сварной заготовки наложением противоположных холостых сварных швов или разогревом этих же зон до термопластического состояния; е – предотвращение изгиба таврового сварного изделия с помощью рёбер жёсткости

Различные варианты устранения сварочных деформаций типов рис. 5.27-б, в, показаны на рис. 5.28-б–д.

Для предупреждения возникновения высоких сварочных напряжений и деформаций изделий не следует допускать скопления сварных швов или их пересечений друг с другом. Также рекомендуется использовать способы сварки, обеспечивающие минимальный разогрев заготовок. Кроме того, весьма эффективным является предварительный подогрев свариваемых заготовок. Для снятия остаточных напряжений применяют высокий отпуск сварных заготовок, а также прокатку или проковку сварных швов по принципу протяжки. В этом случае шов, стремящийся сжаться, будет принудительно деформирован в направлении увеличения длины, что, соответственно, приведёт к уменьшению растягивающих его остаточных напряжений.

При планировании последующей обработки резанием сварных конструкций с большими остаточными сварочными напряжениями следует учитывать, что снятие слоя металл приводит к нарушению взаимного равновесия внутренних сил, в результате чего после извлечения из закрепляющих приспособлений обработанное изделие может самопроизвольно деформироваться. Поэтому при механической обработке (точении, фрезеровании, сверлении и шлифовании) сварных заготовок часто невозможно добиться высокой точности их размеров и формы.

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒