Деформации конструкции от сварки

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 32 из 58Следующая ⇒

Деформация механическая – изменение взаимного расположения частей тела, которое приводит к изменению формы и размеров тела и вызывает возникновение напряжений.

Деформация называется упругой, если она исчезает после снятия нагрузки, и пластической если она после снятия нагрузки не исчезает. Простейшим видом деформации является относительное удлинение или укорочение как отношение изменения длины тела к первоначальной длине:

ε = (L ₁ – L ₀) / L ₀,                                                                                                      (5.2)

где ε – величина безразмерная.

Различают следующие виды деформаций:

а) температурные деформации ε_α = а∙∆Т, где а – коэффициент температурного удлинения, 1/⁰С; ∆Т – изменение температуры тела, ⁰С;

б) наблюдаемые деформации ε_Н – характеризующие изменение размеров тела.

Перемещения при сварке. Наблюдаемые деформации вызывают перемещения отдельных точек сварной конструкции. Перемещения элементов сварных конструкций обычно характеризуют:

 - прогибами - f,

- углами поворота - β,

- укорочениями продольными - ∆пр,

- укорочениями поперечными - ∆поп,

- величинами выхода точек из плоскости – ω.

Многообразные виды перемещений сварных конструкций порождаются относительно небольшим числом видов деформаций и перемещений, возникающих в зоне сварных соединений. Деформации и перемещения в зоне сварных соединений зависят от количества теплоты, вводимого при сварке, распределения температур, свойств свариваемого металла.

Один из наиболее простых расчетных приемов определения перемещений сварных конструкций состоит в выделении двух самостоятельных этапов расчета.

На первом находят деформации и перемещения в зоне сварных соединений эту часть называют термомеханической частью задачи, а на втором этапе - методами сопротивления материалов или теории упругости определяют перемещения в конструкции, используя результаты, полученные на первом этапе. Эту часть называют деформационной частью задачи.

Различают пять основных видов деформаций и перемещений в зоне сварных соединений.

5.4.1. Продольные остаточные пластические деформации, создающие так называемую усадочную силу   Р_у.

Интеграл от распределенной нагрузки, вызванной продольной остаточной пластической деформацией, взятый в пределах зоны пластических деформаций 2 b _п (рис.5.5), дает некоторую силу, которая называется фиктивной усадочной силой Р_ус. Р_ус вызовет по всей ширине свариваемых пластин сжатие σ_сж = Р_ус / (2В· S) и сформирует совместно с внутренними напряжениями, которые образовались в пределах зоны 2 b_n при растяжении полосок, эпюру остаточных собственных напряжений σ _x, которые были в пластине до ее разрезки на полосы (для экспериментального определения остаточных напряжений). Укорочение пластины от силы Р_ус выражается величиной

                          .                                                                      (5.3)

Приближенно усадочная сила (в кГс) в этом случае вычисляется для низкоуглеродистых и низколегированных сталей по формуле:

                      Р_ус [кГс] = - 1,7 ,                                                                (5.4)

где q / v св — погонная энергия сварки, дж/см;

q — эффективная мощность источника тепла, дж/сек;

V _св —скорость сварки, см/сек.

В действительности усадочные силы меньше вычисляемых по формуле (5.4) примерно до 30%. Это связано с тем, что жесткость реальных сварных конструкций меньше чем абсолютно жесткое тело.

Рис.5.5. Сварная пластина с остаточными пластическими деформациями ε_пл.ост

после разрезки на продольные полоски: а – схема резки на полосы для определения остаточных напряжений; б – эпюра распределения пластических деформаций

 Для приближенного определе­ния усадочной силы в алюминиевом сплаве АМг6 можно исполь­зовать формулы:        

 в стыковых соединениях

Р_ус = - (1,4-1,5) q / V _св;                                                                                (5.5)

в тавровых соединениях при одном угловом шве

Р_ус = - (1,6-1,7) q / V _св.                                                                                (5.6)

Погонную энергию q / V _св при сварке углового шва, если режим сварки еще не известен, можно приближенно определить в зависимости от катета шва:

q / V _св = 40000· К² - при ручной дуговой сварке углеродистых и низко-легированных сталей;

q / V _св = 30000· К² - при автоматической дуговой сварке углеродистых и низко-легированных сталей.

5.4.2. Равномерные по толщине поперечные остаточные пластические деформации, сумма которых дает поперечную усадку ∆_поп

При нагреве или проплавлении целой пластины движу­щимся источником теплоты в ней помимо продольных собственных деформаций возникают и попереч­ные собственные деформации ε у, которые обычно создают попе­речные пластические деформации ε у пл.ост. Металл от нагрева расширяется — в нем возникают на­пряжения сжатия. Наиболее низ­кие значения σт наблюдаются в области высокого нагрева, где и образуются пластические дефор­мации. На рис. 5.6, б показан примерный характер распределения ε у _пл.ост по ширине пластины.

Если точку О по оси шва (рис. 5.6, а) принять как неподвижную, то можно определить перемещения v точек А, В, D в направлении к оси шва как интеграл ∫ ε у _пл.ост dy (рис. 5.6, б), где верхний предел интегрирования принимает зна­чения уА, уВ, у D.  Точки В и D одинаково смещаются к оси шва, так как зона поперечных пластических деформаций ограничена размерами — by _п и + by _п, а точки В и D находятся за ее пределами. Ширина пластины сокращается на размер:   

,                                                                              (5.7)

В зависимости от условий и способа сварки ∆_поп имеет разные значения:

                                                                                     (5.8)

где q - мощность, вводимая в обе кромки; V _св - скорость сварки; s - толщина листа; α - коэффициент линейного расширения; сγ - объемная теплоемкость;    А - эмпирический коэффициент.

При электрошлаковой сварке А = 1,6; при электродуговой сварке с полным проплавлением А = 1,0 - 1,2.

Рис.5.6. Распределение εy_{пл. ост} и перемещение V в пластине: а - схема размещения точек оценки поперечных перемещений; б – эпюра ε у _пл.ост; в – эпюра перемещений V в направленииоси О Y

Абсолютное значение ∆_поп из­меняется в широких пределах в зависимости от вводимой при свар­ке энергии. При дуговой одно­проходной сварке стыкового со­единения металлов толщиной до 3-5 мм ∆_поп составляет обычно десятые доли миллиметра, до 5-20 мм ∆_поп = 0,5-1,5 мм, при ЭШС ∆_поп = 3-8 мм и более.

5.4.3. Неравномерные по толщине попереч­ные пластические деформации, образующие угловое перемещение β в зоне сварного соединения

Неравномерные по толщине или неравномер­ные по сечению многослойного шва поперечные пластические де­формации εу пл.ост вызывают поворот одной части пластины отно­сительно другой на угол β (рис. 5.7). При проплавлении целой пластины или выполнении углового шва угол β зависит от отно­шения H / s глубины провара к толщине пластины, формы провара и его ширины.

Рис. 5.7. Угловое перемещение при сварке стыковых (а, б), нахлесточных (в), тавровых (г — е) соединений

Характер зависимости β (H/s) показан на рис. 5.8. При малой глубине провара непроваренная часть сопротивляется усадке проваренной части. При большой глубине провара эпю­ра εу _пл.ост достаточно равномерна по толщине. В обоих случаях угол β мал. Однако и при полном проваре часто возникает угол поворота β (пунктирная линия на схеме, рис. 5.8).

При тавровом двустороннем сварном соединении (рис. 5.7 е) угол β определяется суммой углов β₁ от неравномерной усад­ки листа S _п при сварке шва 1, β₂ от неравномерной усадки шва 2 и β _m от усадки собственно шва 2 в направлении его гипо­тенузы. Угол β_m мал по сравнению с при­мерно одинаковыми β₁ и β₂. Поэтому угол β_∑ ≈2β₁. При К ≤0,5 Sп (рис.5.7 е) угол β_∑ в радианах для сталей можно прибли­женно вычислить по формуле

β_∑  = 0,1 (К/S_п - 0,1) рад,                                                                                   (5.9)

где S_п - толщина полки.

                          Рис. 5.8. Характер зависимости β от Н/ s

5.4.4. Перемещения в зоне шва в на­правлении перпендикуляра к по­верхности свариваемых листов w, которые образуют смещение ∆ z

Пере­мещения w возникают ча­ще всего при сварке ме­талла небольшой толщи­ны. Нагрев металла, со­провождающий сварку, вы­зывает его расширение и образование временных на­пряжений сжатия. В тонком (до 1 мм) металле может возникнуть потеря устойчивости — одна кромка смещается относительно дру­гой, и это положение фиксируется швом. Возникает смещение ∆ z. Неравномерный нагрев по толщине вызывает изгиб листа в про­цессе сварки. Если один лист по этой причине перемещается, а другой — нет, то также возникает смещение ∆ z. Наиболее зако­номерный характер имеют перемещения w при сварке кольцевых швов оболочек. Вследствие расширения при нагреве значительная зона вблизи кромки оболочки удлиняется в направлении окруж­ности, возникают радиальные перемещения свариваемых кромок. Радиальные перемещения кромок w будут разные, если оболочки имеют разную жесткость, как показано на рис. 5.9 а, когда одна из оболочек представляет собой часть шпангоута, а дру­гая не имеет дополнительных жесткостей. Эти перемещения по длине развертки части периметра показаны кривыми 1 и 2. Они реги­стрировались на расстоянии 6 мм от свариваемых кромок. Шов зафиксировал относительное перемещение кромок, и на рис. 5.9 б показано их положение после полного остывания. Возникло сме­щение ∆ z, которое снижает прочность и устойчивость оболочек. Перемещения w могут быть вычислены, но обычно их определяют экспериментально.

Рис. 5.9. Перемещения в зоне кольцевого шва цилиндрической оболочки           (s = 6 мм) из алюминиевого сплава

5.4.5. Сдвиговые деформации γх-у, которые обра­зуют в сварном соединении смещение ∆ x

При сварке в зоне нагрева точки свариваемых пластин переме­щаются в направлении оси х. Впереди источника нагрева они движутся в одном направлении с ним, а позади него — в противо­положном. Максимальные перемещения и различны — наиболь­шие у кромок, они убывают с увеличением координаты у. Возни­кают сдвиговые упругие и пластические деформации. При прочих равных условиях и≈(α / cγ)(q /(Vc ∙ S),  т. е. зависит от удельной погонной энергии, вводимой в каждую из свариваемых пластин. В практи­ческом отношении интерес представляет то обстоятельство, что при одинаковых температурных полях максимальное перемеще­ние uk края пластины, наблюдаемое примерно в точке положения источника, в 1,5 раза больше, чем максимальное перемещение uc середины пластины (рис. 5.10). Такое явление обычно наблюдается при сварке нахлесточных или тавровых соединений. Разница в перемещениях U_c и U_k может оказаться еще больше, если в при­вариваемый лист вводится теплоты больше, чем в полку. Разница в перемещениях ∆ x = U_k — U_c зафиксируется швом и сохранится как остаточная. Привариваемое ребро или нахлестка переместятся после полного остывания в направлении сварки. Значение ∆ x при нормальном ведении сварки металла толщиной 5—10 мм состав­ляет несколько десятых долей миллиметра, но может быть и более миллиметра при сильном разогреве привариваемого элемента. При контактной точечной или шовной сварке нахлесточных соеди­нений также могут возникать смещения ∆ x в результате сдвига электродов относительно друг друга или сильного сопротивления вращению одного из роликов.

Рис. 5.10. Перемещения U впереди источника теплоты при его движении по середине пластины (а) или краю (б)

Рассмотренные выше деформации и перемещения в зоне свар­ных соединений, особенно Р_ус и ∆_поп, будут в дальнейшем неодно­кратно использованы для описания и вычисления разнообразных искажений формы сварных конструкций при решении деформа­ционных задач.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Организация работы процедурного кабинета

Области применения синхронных машин

Оптимизация по Винеру и Калману