Распределение напряжений в соединениях с фланговыми швами.

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 14Следующая ⇒

Распределение напряжений в соединениях с фланговыми швами.

В соединениях с фланговыми швами имеет место концентрация напряжений в швах и в основном металле полос между швами.

Рассмотрим соединение из двух узких полос, соединенных швами с катетом К длиной l (рис2. 24). Ввиду незначительной ширины полос условно примем распределение напряжений о в полосах равномерным по их ширине.

Основные элементы под действием растягивающих усилий удлиняются и перемещаются, во фланговых швах образуются сдвиговые деформации. Прямоугольный элемент d_x 1-1-2-2 обращается в 1'-1"-2"-2' (рис 2. 24). Наибольшие деформации наблюдаются в крайних точках шва, наименьшие - в средних. Поэтому касательные напряжения распределяются по длине швов неравномерно.

В соединениях, у которых площади поперечных сечений соединяемых элементов деталей равны (F₁=F₂)

Эпюра τ_х , приведенная на рис представляет собой график функции гиперболического косинуса и называется цепной линией.

Термическое воздействие сварки на металл. Сварочные напряжения и деформации.

Процесс сварки плавлением сопровождается нагреванием металла сварного соединения, который претерпевает структурные и химические изменения. В связи с этим различают три зоны соединения (рис.2. 25): зону наплавленного металла, зону термического влияния сварки и зону основного металла.

Рис 2. 25.

Обязательным условием сварки является поддержание температуры расплавленного металла шва (стали) в интервале 1500—1600 °С (участки 0, 1), При более низкой температуре сварочный процесс неэффективен, так как холодный металл отличается высокой теплопроводностью, что приводит к большим энергетическим потерям.

Расплавленный металл соединяемых элементов и электрода перемешивается и после прекращения действия дуги подвергается первичной кристаллизации. Остывание металла вызывает появление усадочных усилий, которые могут явиться причиной возникновения трещин в горячем металле (при температуре 1000—1350 °С), не успевшем еще приобрести прочность. Эти трещины называются «горячими». Незаметные вначале, они могут в дальнейшем привести к разрушению конструкции, особенно при действии динамических нагрузок. Появлению трещин способствует крупнозернистая структура металла, повышенное содержание углерода, серы и других, примесей, большая толщина свариваемых элементов. К образованию горячих трещин весьма склонны кипящие стали, имеющие внутренние концентраторы напряжений в виде газовых и

шлаковых включений. По этой причине в ответственных сварных конструкциях необходимо применять спокойную сталь.

Зоной основного металла считается та его часть около шва, которая нагревается при сварке не выше температуры 723°С, до которой металл сохраняет свои механические свойства (участки 5, 6). Зона термического влияния сварки охватывает участки 2, 3, 4 находящиеся между основным и наплавленным металлом. Для нее характерен резкий температурный перепад—от 1500 до 723 °С, что приводит к возникновению неоднородной структуры металла.

На участке 2, где температура превышает 1100°С, находится перегретый металл с крупнозернистой структурой игольчатой формы (видманштеттова структура). Этот металл имеет пониженное механическое качество по сравнению с основным.

На участке 3, в диапазоне 900—1100°С, металл претерпевает полную перекристаллизацию, приобретая мелкозернистую структуру сорбита и повышенные механические свойства. Участок 4 находится в интервале 723—900°С. Здесь металл претерпевает частичную перекристаллизацию и по свойствам мало отличается от основного. Он состоит из крупных зерен феррита и мелких— феррита и перлита.

При сильном охлаждении зоны термического влияния возможно также образование закалочных структур, например мартенсита. Он обладает высокой твердостью, но имеет пониженную пластичность и поэтому склонен к образованию трещин, называемых «холодными». Появлению таких трещин, как и горячих, способствует повышенное содержание углерода (более .0,2 %), применение кипящей стали и большая толщина свариваемых элементов.

Таким образом, в области сварного шва существует несколько участков, где возможно образование трещин. Но трудность легирования металла зоны термического влияния и неизбежные структурные превращения делают ее наиболее уязвимым местом соединения.

Нагревание свариваемых деталей и последующее охлаждение порождают их деформирование и появление напряжений. При равномерном нагревании и охлаждении стержень, закрепленный только одним концом (рис.2. 26 ),

Рис. 2. 26.

свободно удлиняется и укорачивается. Никаких напряжений и остаточных деформаций в нем возникнуть не может. При равномерном нагревании стержня, свободный конец которого упирается в стену (рис.2. 27),

Рис2. 27.

в нем возникают напряжения сжатия, возрастающие с повышением температуры. После достижения предела текучести (точка А на рис.2.21) дальнейшее повышение температуры вызовет в стержне пластическую деформацию, а сами напряжения будут следовать закону изменения предела текучести (участок АВ). При остывании напряжения снижаются по прямой ВС до нуля. Дальнейшее охлаждение вызовет укорочение стержня без остаточных напряжений.

Установим температуру, при которой в стержне из стали марки ВСтЗ наступает текучесть. Согласно закону Гука,

При равномерном нагревании и последующем охлаждении стержня, жестко защемленного обоими концами (рис 2. 28), возникают остаточные напряжения, которые могут достигать предела текучести.

Рис 2. 28.

В процессе нагревания такой стержень ведет себя аналогично предыдущему (участки ОА и АВ на рис.2. 28). При остывании напряжения уменьшаются до нуля по-прежнему по прямой ВС, однако при дальнейшем охлаждении стержень не имеет возможности укорачиваться свободно и в нем возникают напряжения растяжения σ₁ (участок CD), которые будут или меньше предела текучести, или равны ему (рис 2. 28), в зависимости от температуры нагревания t₁

В сварных конструкциях происходит неравномерное нагревание и остывание узкой полосы металла, вследствие чего процессы возникновения температурных деформаций и напряжений несколько отличаются от рассмотренных схем.

При наплавке валика на кромку листапроисходит ее местное нагревание до температуры плавления стали 1530 °С. Распределение температуры по мере удаления от кромки, т. е. по ширине листа, имеет вид убывающей функции t = f(x), график которой изображен на рис.2. 29.

Если бы лист состоял из отдельных, не связанных друг с другом продольных волокон, то они получили бы свободное относительное удлинение (  ) и их концы образовали бы поверхность aΔt = af(x) (рис.2. 29). В действительности все волокна связаны одно с другим, и лист может деформироваться только как единое целое, претерпевая изгиб выпуклостью со стороны наплавленного металла.

Лист представляет собой пластину, но в случае, когда его ширина b значительно меньше длины l, пластину можно условно принять за брус. Так как температура большей части листа ниже той, при которой сталь теряет упругие свойства (t<600°C), то, согласно вводимой в сопротивлении материалов гипотезе Я. Бернулли, поперечные сечения листа при его изгибе не искривляются, а остаются плоскими

Рис 2.29

Поэтому произвольное сечение аа в результате нагрева повернется в новое положение а'а', наклон которого определяется из условия равновесия внутренних сил:

Отрезки, заключенные между кривой aΔt и прямой а'а', характеризуют стесненные деформации волокон листа при нагревании, которые приводят к возникновению температурных напряжений σ. В упругой зоне эти напряжения не превышают предела текучести. Они пропорциональны деформациям и имеют значение, приведенное в (   ), т. е. эпюра ε соответствует очертанию эпюры σ.

После достижения предела текучести условно полагают, что напряжения остаются постоянными до температуры t=500°C, a затем снижаются до нуля при t=600°C (σ_t =0). В зоне с более высокой температурой (вблизи сварочной ванны) температурные напряжения отсутствуют, поскольку металл здесь находится в пластическом состоянии. При этом он получает продольную усадку в виде остаточных деформаций сжатия, поскольку удлинению волокон препятствует жесткость листа.

В процессе остывания после сварки лист стремится укоротиться, но свободному деформированию более нагретых волокон препятствуют соседние, менее нагретые и раньше остывшие волокна. В результате напряженное состояние охладившегося листа характеризуется новой эпюрой сварочных, теперь уже остаточных напряжений с растянутой зоной в области наибольшего разогрева при сварке (рис.2. 29)- Лист при этом изгибается в противоположном направлении, т. е выпуклостью со стороны, не имеющей наплавленного металла. Соответственно меняется и положение прямой а'а', наклон которой по-прежнему определяется из условия равновесия (  ).

Значение сварочных напряжений и деформаций зависит от технологии сварки (ширины зоны разогрева) и ширины листа. При слабой силе тока или высокой скорости сварки зона разогрева имеет небольшую ширину вследствие малого количества вводимого тепла. В этом случае основная масса металла нагревается слабо (изотерма 600°С находится близко к сварочной ванне) и оказывает резкое противодействие свободному удлинению волокон разогретой зоны. В результате возникают значительные пластические деформации нагрева, которые при остывании вызывают большие остаточные напряжения со стороны наплавленного металла.

При увеличении силы тока зона разогрева становится шире, кривая температурных удлинений принимает более пологий характер (изотерма 600°С распространяется в глубь листа, протяженность его упругой - зоны сокращается). Это приводит к уменьшению пластических деформаций нагрева, а следовательно, к уменьшению остаточных напряжений после остывания, которые на кромке могут стать даже отрицательными.

Аналогично силе тока на характер эпюры остаточных напряжений влияет изменение ширины листа при постоянном режиме сварки. Очевидно, что более узкий лист нагревается равномернее и имеет меньшие напряжения.

При сварке двух листов встык (рис.2. 30) возникают не только продольные, но и поперечные сварочные напряжения и деформации. Эпюру продольных напряжений а_у можно представить как комбинацию эпюр, получающихся при наплавке валика на кромку каждого листа. Благодаря симметрии эпюры прямая аа в этом случае не поворачивается и остается горизонтальной.

Рис 2.30

Поперечные напряжения σ_х возникают вследствие неодновременного (последовательного) наложения сварного шва по длине стыка. В процессе сварки листы стремятся изогнуться выпуклостью внутрь, чему препятствуют напряжения, характер распределения которых представлен на рис. 2. 30. При остывании листы стремятся разогнуться и принять форму выпуклостью

наружу (штриховые линии на рис.2. 30.), отчего возникают напряжения, эпюра которых изображена на рис 2. 30.. Суммарная эпюра σ_х большей частью следует второй эпюре.

Наличие в средней части соединения двухосного растяжения затрудняет развитие пластических деформаций и повышает возможность хрупкого разрушения. Опасность разрушения существенно возрастает при сварке встык детален, закрепленных от свободных перемещений по краям, что случается довольно часто. Поэтому возможно большая свобода деформирования стыкуемых элементов является основным признаком правильно сконструированного соединения.

В соединениях угловыми швамитакже возникают сварочные напряжения и деформации. В накладываемом листе нахлесточного соединения развиваются однозначные напряжения по краям и разнозначные в середине (рис.2. 31 )• Если лист узкий, т. е. швы находятся на небольшом расстоянии друг от друга, то существенно возрастают поперечные напряжения σ_х

Рис2. 31

В самих швах тоже возникают поперечные усадочные напряжения, поскольку жесткость свариваемых листов препятствует свободному сокращению шва при остывании. Внутренняя часть шва при этом оказывается растянутой, а поверхностный слой, остывающий быстрее,—сжатым (рис.2. 31.) В многослойном угловом шве (как, впрочем, и стыковом) каждый последующий слой при остывании сжимает предыдущий, отчего усадочные напряжения уменьшаются.

Поперечные напряжения часто бывают невелики вследствие угловой деформации соединяемых элементов. На рис.2. 31 показано коробление листов при сварке угловыми швами и стыковым с V-образной разделкой кромок. В тавровых соединениях угловая деформация приводит к искривлению полок, называемому грибовидностью (рис.2. 31 ). Коробление и грибовидность практически не оказывают влияния на несущую способность элементов и поэтому в большинстве случаев допустимы. Исключение составляют лишь те случаи, когда угловая деформация влияет на точность примыкания соседних элементов или деталей.

Тавровые и двутавровые элементы кроме грибовидности страдают от изгиба в плоскости стенки из-за продольной усадки (рис.2. 31) Такое деформирование называется серповидностью (саблевидностыо). Оно обусловлено односторонним расположением сварных швов по отношению к полкам и существенно ухудшает эксплуатационные качества строительных конструкций. Эпюра продольных усадочных напряжений в полке аналогична эпюре <т_у в стыковом соединении (см. рис.2. 31 ).

Сварочные напряжения и деформации относятся к собственным факторам, т. е. они возникают в конструкциях при отсутствии внешних сил. Влияние остаточных напряжений на прочность и эксплуатационную способность сварных конструкций может оказаться существенным, особенно в условиях плоского напряженного состояния, способствующего хрупкому разрушению. Крайне неблагоприятны напряжения, появляющиеся при сварке толстых элементов. В этом случае напряженное состояние является объемным, что еще больше затрудняет пластическую работу материала. Отрицательное влияние остаточных напряжений усиливается наличием концентраторов вследствие дефектов сварного шва.

Остаточные сварочные деформации влияют на геометрическую форму сооружений и иногда на несущую способность конструкций и их элементов. Так, например, коробление стенки балки или колонны способствует потере устойчивости. Размер остаточных деформаций зависит от технологии сборочно-сварочных работ и конструктивной формы. Последняя может иметь решающее значение, поэтому в процессе конструирования должны быть заранее известны характер ожидаемых деформаций и их ориентировочные размеры.

Конструктивные и технологические мероприятия по устранению и уменьшению остаточных сварочных напряжений и деформаций в общих чертах основаны на следующих принципах: 1) уменьшение пластических укорочений на стадии нагревания; 2) искусственное создание пластических удлинений на стадии охлаждения; 3) создание предварительных деформаций, противоположных ожидаемым остаточным; 4) уменьшение числа сварных швов и их симметричное расположение; 5) рациональная последовательность сварки. Эти вопросы имеют большое практическое значение и подробнее рассматриваются в последующих главах, посвященных изучению конкретных сварных конструкций и их работе под нагрузкой.

Тема 2. 3. Расчет и конструирование сварных соединений

Познавательные статьи:



Техника нижней прямой подачи мяча

Комплекс физических упражнений для развития мышц плечевого пояса

Стандарт Порядок надевания противочумного костюма

Общеразвивающие упражнения без предметов