Меню

Виды напряжений сварных швов



Теоретические основы дуговой и электрошлаковой сварки

Основные понятия. Напряжением называется внутреннее усилие, приходящееся на единицу площади поперечного сечения тела. Величину напряжения выражают в кГ/см 2 или в кГ/мм 2 . Различают два вида напряжений, которые могут быть в теле: собственные напряжения (иногда называемые внутренними), существующие в теле независимо от приложения к нему внешних сил, и рабочие напряжения, вызываемые приложением к телу внешней нагрузки.

В зависимости от причин, вызвавших собственные напряжения, различают:

1) тепловые напряжения, вызванные неравномерным нагревом и охлаждением изделия при сварке;

2) усадочные, вызванные усадкой металла шва при затвердевании;

3) структурные напряжения, возникающие вследствие структурных превращений, происходящих в металле, нагреваемом выше критических температур.

В сварных соединениях незакаливающихся низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей, нержавеющих хромоникелевых и хромоникельмарганцовистых ферритно-аустенитных и аустенитных сталей, а также высокохромистых сталей ферритного класса возникают только тепловые и усадочные собственные напряжения.

В сварных соединениях закаливающихся сталей возникают как тепловые, так и структурные собственные напряжения.

Собственные напряжения в металлических деталях могут возникнуть при их сварке, отливке и закалке. Поэтому в зависимости от технологического процесса изготовления изделий собственные напряжения называют соответственно сварочными, литейными, термическими.

Например, при неравномерном остывании отливки в ней появляются значительные собственные напряжения. То же самое наблюдается при быстром охлаждении толстостенного металла в процессе термической обработки. Причины возникновения сварочных, литейных и термических напряжений одинаковы.

Рис. 15. Возможные напряжения в твердом теле

Рис. 15. Возможные напряжения в твердом теле: а — линейные (одноосные), б — плоскостные (двуосные), в объемные (трехосные).

По направлению действия сварочные собственные напряжения бывают продольные (направленные вдоль шва) и поперечные (направленные перпендикулярно оси шва).

В зависимости от пространственного расположения и направления действия различают:

1) линейные (одноосные) напряжения, действующие в одном направлении (рис 15, а);

2) плоскостные (двухосные) напряжения, расположенные в одной плоскости и действующие во взаимно перпендикулярном направлении (рис. 15,б);

3) объемные (трехосные) напряжения, действующие по всем направлениям пространства (рис. 15, в).

Линейные собственные напряжения образуются при сварке тонких стержней, плоскостные — в сварных соединениях тонких листов и объемные — в сварных соединениях толстого листового металла.

Напряжения бывают растягивающие и сжимающие. Собственные сварочные напряжения в свою очередь могут быть реактивными и остаточными.

Реактивными называются напряжения, возникающие при сварке деталей, находящихся в жестко закрепленном состоянии (например, при сварке встык двух стержней, несвариваемые концы которых жестко закреплены).

Реактивные напряжения не уравновешиваются внутри металла и поэтому при устранении закрепления они исчезают.

Остаточные напряжения, возникающие в изделии благодаря протеканию в металле местных пластических деформаций или местных структурных превращений, сохраняются в изделии после сварки независимо от того, закреплено оно или нет.

Они могут быть устранены либо термической обработкой изделия (отпуском или отжигом), либо приложением к изделию внешней нагрузки, достаточной для пластической деформации металла.

Напряжения, возникающие в местах нагреваемого участка изделия, подверженных пластическим деформациям, вызывают образование напряжений в соседних участках изделия, причем эти напряжения имеют противоположное направление. Растягивающие и сжимающие остаточные напряжения равны между собой и взаимно уравновешиваются внутри изделия.

В зависимости от размеров участка, в пределах которого имеются и -взаимно уравновешиваются собственные напряжения, различают три рода напряжений:

1) напряжения первого рода, которые существуют и взаимно уравновешиваются в сравнительно больших объемах металла;

2) напряжения второго рода, которые существуют и уравновешиваются в пределах зерен металла;

3) напряжения третьего рода, которые существуют и уравновешиваются в пределах кристаллической решетки металла.

При сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей в сварных соединениях возникают напряжения первого рода. Напряжения второго и третьего рода могут возникать при сварке некоторых легированных и высоколегированных сталей.

В сварочной практике преимущественно встречаются собственные напряжения первого рода. Эти напряжения вызывают деформации ( коробления) сварных соединений. Если в сварных швах имеются дефекты (поры, непровары и др.), значительные остаточные напряжения, особенно объемные, могут вызвать преждевременное разрушение сварной конструкции в процессе ее эксплуатации.

Поэтому при дальнейшем изложении материала основное внимание будет уделено сварочным напряжениям первого рода, главным образом линейным и плоскостным.

Деформацией называется изменение формы и размеров твердого тела под действием приложенных к нему или возникающих в нем напряжений. Размеры деформации определяются величиной действующих напряжений: чем больше напряжение, тем больше вызываемая им деформация.

Деформация может быть упругой и пластической (остаточной) в зависимости от величины действующего на тело напряжения и механических свойств материала данного тела.

Если величина напряжения недостаточно велика и после прекращения действия нагрузки тело принимает первоначальную форму и размеры, то в этом случае материал тела под действием напряжения претерпевал лишь упругую деформацию.

Если же величина напряжения достигает предела текучести материала данного тела или превосходит его, то в последнем возникает пластическая деформация и после прекращения действия нагрузки оно сохраняет новую, приобретенную им форму, т. е. в этом случае тело претерпело остаточную деформацию.

Чем больше усилие (напряжение), приложенное к данному телу, тем больше его остаточная деформация. Точнее, чем больше напряжение сверх предела текучести материала данного тела, тем большую остаточную деформацию будет иметь тело.

Источник

Сварочные напряжения и деформации

Образование напряжений и деформаций при сварке обычно связано с несоблюдением технологических требований. Такие соединения ненадежны, так как на швах могут появиться трещины, снижающие прочность. После деформации при сварке геометрические параметры могут измениться настолько, что конструкция будет непригодна для эксплуатации.

Определение сварочных напряжений и деформаций

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению. По направленности они могут быть:

  • растягивающего действия;
  • изгибающего;
  • крутящего;
  • сжимающего;
  • срезающего.
Читайте также:  Целесообразная деятельность человека работа требующая умственного или физического напряжения

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил. Нарушения могут проявиться не сразу после завершения сварочных работ, а во время эксплуатации из-за увеличения нагрузки. В лучшем случае снизится антикоррозийная устойчивость, в худшем ― разрушится конструкция.

Наглядная картинка деформации сварного соединения при сварке и после остывания

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению.

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил.

Причины возникновения

Причины образования деформаций и напряжений при сварке подразделяются на основные и побочные категории. К первым относят те, которые возникают во время сварки, поэтому неизбежны. Вторые нужно предотвращать.

Основные причины возникают как следствие:

  1. Неравномерного нагрева сварочной зоны и прилегающих участков. Более горячий металл расширяется больше чем холодный, поэтому между слоями с разной температурой начинает концентрироваться напряженность. Ее величина определяется степенью нагревания и коэффициентом теплового расширения. Чем больше эти значения, тем выше вероятность нарушения геометрии конструкций.
  2. Усадки. Когда при охлаждении после сварки металл переходит из жидкой фазы в твердое состояние, объем уменьшается. Этот процесс сопровождается растягиванием прилегающих участков с образованием напряжений, направленных вдоль или поперек шва. Продольное воздействие изменяет длину соединения, а поперечное способствует образованию угловой деформации.
  3. Структурных изменений. При сварке высокоуглеродистой или легированной стали с большим нагревом происходит процесс закаливания с изменением объема и коэффициента теплового расширения. Это явление создает напряжения, приводящие к образованию трещин внутри и на поверхности швов. У сталей, в составе которых углерода меньше 0,35%, структурные изменения настолько малы, что не оказывают существенного влияния на качество сварных соединений.

К побочным причинам причисляют:

  • неправильный выбор электродов или режимов сварки, некачественная подготовка деталей перед сваркой, другие нарушения технологии;
  • неверный выбор вида швов или малое расстояние между ними, большое количество точек пересечения соединений и прочие конструктивные ошибки;
  • неопытность сварщиков.

Классификация напряжений и деформаций

В зависимости от причины образования напряжения называются тепловыми и структурными. Первые возникают во время нагрева/остывания, вторые возникают при структурной перестройке металла. При сварке легированных или высокоуглеродистых сортов стали они проявляются совместно.

Виды сварочных деформаций

По месту действия напряжения присутствуют в границах конструкции, зернах, кристаллической решетке металла. По виду напряженного состояния их называют:

  • линейными, с односторонним действием;
  • плоскостными, действующими по двум направлениям;
  • объемными, распространяющиеся по трем осям.

По направленности продольные напряжения действуют вдоль сварного соединения, а поперечные перпендикулярно.

Деформацию конструкции, которая происходит в процессе сварки, называют общей, а если изменяются размеры и форма только одной или нескольких деталей ― местной. По продолжительности существования действие временных сварочных деформаций проявляется только в процессе соединения деталей. После охлаждения геометрические параметры восстанавливаются. Остаточной называют сварочную деформацию, которая остается неизменной после устранения причины появления. Если геометрические параметры восстанавливаются после завершения сварки, деформации называются упругими, если нет ― пластичными.

Как предотвратить возникновение

Для снижения величины сварочных напряжений и деформаций при подготовке к работе специалисты рекомендуют:

  • при проектировании выполнять расчет деформаций для правильного формирования сечения сварочных швов, припусков для усадки;
  • располагать швы симметрично по отношению к осям узлов;
  • не проектировать соединения так, чтобы больше трех швов пересекались в одной точке;
  • прежде чем приступить к сварке, проверить, нет ли отклонений величины зазоров на стыках от расчетных величин;
  • не проводить швы через места концентрации напряжений.

Для уменьшения деформаций и напряжений во время работы применяют следующие приемы:

  • создавать на соединениях очаги дополнительной деформации с действием, противоположным сварке;
  • швы длиной больше 1 м разбивать на отрезки длиной 10 — 15 см и сваривать обратноступенчатым методом;
  • подкладывать под стыки медные или графитовые прокладки для снижения температуры сварочной зоны;
  • соседние швы сваривать так, чтобы деформации компенсировали друг друга;
  • для сварки деталей из вязкого металла применять технологии, которые обеспечивают снижение величины остаточных явлений;
  • делать размер швов меньше, если это допускается условиями эксплуатации;
  • по возможности выполнять соединения с меньшим числом проходов;
  • при наложении двухсторонних швов слои наплавлять попеременно с каждой стороны;
  • предварительно выгибать края заготовок в направлении, противоположном действию деформации, когда сварка завершится, они вернутся в исходное положение;
  • не делать много прихваток;
  • для ускорения сборки и снижения величины деформаций небольшие узлы сваривать в кондукторах.

Методы устранения напряжений

Для снятия напряжений пользуются отжигом и механической обработкой. Первый способ применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую точность размеров. Местный или общий отжиг проводят при нагреве до 550 — 680⁰C в три стадии: нагревание, выдержка, охлаждение.

Для механического снятия напряжений используют обработку проковкой, прокаткой, вибрацией, взрывом, чтобы создать нагрузку с противоположным знаком. Для горячей и холодной проковки используют пневматический молот. Обработку вибрацией проводят устройством, которое генерирует колебания с частотой в диапазоне 10 — 120 Гц.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции.

Методы устранения деформаций

Дефекты устраняют термическим с местным или общим нагревом, холодным механическим, термомеханическим способами. Для правки термическим методом с полным отжигом конструкцию закрепляют в устройстве, которое создает давление на искривленный участок, затем нагревают в печи.

Способ локального нагрева основан на сжимании металла при остывании. Для исправления дефектов искривленное место греют горелкой или сварочной дугой. Так как прилегающие участки остаются холодными, зона нагрева не может значительно расшириться. После охлаждения растянутый участок выпрямляется.

Термическим способом выправляют любые виды деформаций, однако при работе с тонкостенным металлом следует учитывать его особенности:

  • тепло при местном нагреве тонких стальных листов быстро распространяется по всей площади, поэтому величина усилия сжатия оказывается недостаточной для исправления дефекта;
  • температура локального нагрева тонкостенного металла не должна превышать 600 — 650⁰C, поскольку при увеличении температуры начнется образование пластических деформаций даже при отсутствии напряжения.
Читайте также:  Номинальное напряжение что это значит 250

При механической правке растянутые участки деформируются внешними нагрузками в обратном направлении. Дефекты устраняют применением изгибания, вальцовки, растяжения, ковкой, прокаткой роликами.

Термомеханическую правку проводят с подогревом растянутого участка до 700 — 800⁰C и внешнего воздействия. Для выправления участков с большим растяжением сначала из избытков металла холодной рихтовкой формируют выступы в форме куполов. Затем по отдельности нагревают и резко охлаждают.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции. При этом учитывают эффективность метода, трудоемкость, величину финансовых затрат.

Источник

Детали машин

Сварные швы

Типы сварных швов и их характеристика

По конструктивным признакам (по взаимному расположению соединяемых элементов) сварные соединения разделяют на:

  • стыковые — свариваемые элементы примыкают торцовыми поверхностями и являются продолжением один другого, область применения таких соединений расширяется;
  • нахлесточные — боковые поверхности соединяемых элементов частично перекрывают друг друга;
  • тавровые — торец одного элемента примыкает под углом (обычно 90°) и приварен к боковой поверхности другого элемента;
  • угловые — соединяемые элементы приваривают по кромкам один к другому. В силовых конструкциях угловые швы почти не применяют и на прочность не рассчитывают.
  • торцовые — соединяемые элементы соединяют боковыми поверхностями и сваривают с торца. Этот вид соединений на прочность, как правило, не рассчитывают.

На рисунке 1 приведены примеры перечисленных выше типов сварных швов.

типы сварных швов и соединений

В зависимости от типа сварного шва различают сварные соединения:

  • со стыковыми швами (в стыковых и тавровых соединениях) ;
  • с угловыми швами (в нахлесточных, тавровых, угловых и торцовых соединениях) .

Исходное условие проектирования сварного соединения — обеспечение равнопрочности сварного шва и соединяемых элементов.
Условие равнопрочности, например, для сварного нахлесточного соединения сводится к тому, что расчет параметров сварного шва следует выполнять по силе [F] , определяемой по прочности элемента с наименьшим поперечным сечением:

где: δ — толщина свариваемой детали; b — ширина свариваемой детали; [σ]р – допускаемое напряжение растяжения.

Сварные швы разделяют на рабочие и связующие. На прочность рассчитывают только рабочие швы, которые непосредственно передают рабочую нагрузку между соединяемыми элементами.
Связующие швы испытывают напряжения только от совместной деформации с основным металлом. Они мало нагружены и на прочность их не рассчитывают.

Сварные стыковые соединения

Стыковым соединением называется сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцевыми поверхностями и размещенных на одной поверхности или в одной плоскости.

Стандартом ГОСТ 5264-80 предусмотрено 32 типа стыковых соединений, условно обозначенных С1, С2, . С28 и т.д., имеющих различную подготовку кромок в зависимости от толщины, расположения свариваемых элементов, технологии сварки и наличия оборудования для обработки кромок.

Стыковые соединения являются наиболее простыми и надежными из всех сварных соединений. Их рекомендуют в конструкциях, подверженных воздействию переменных напряжений.
Встык можно сваривать листы, полосы, трубы, швеллеры, уголки и другие фасонные профили.
Если стыковое соединение образуют два металлических листа, то их сближают до соприкосновения по торцам и сваривают.

Выступ стыкового шва над основным металлом является концентратором напряжений. Поэтому в ответственных соединениях его удаляют механическим способом.

При автоматической сварке в зависимости от толщины δ деталей сварку выполняют односторонним (рис. 1, б, в, г) или двусторонним (рис. 1,а) швами.
При толщинах δ до 15мм сварку выполняют без специальной подготовки кромок. При большей толщине листов предварительно выполняют специальную подготовку кромок.

При ручной сварке без подготовки кромок сваривают листы толщиной до 8мм. Шов накладывают с одной стороны (при δ ≤ 3 мм) или с двух сторон (3 .

В районе сварного шва из-за высокой местной температуры может произойти изменение физических, химических, структурных свойств основного металла и, как следствие, понижение его механических характеристик — появляется так называемая зона термического влияния. Поэтому разрушение сварного соединения происходит обычно в зоне влияния, т.е. вблизи сварного шва.

Расчет стыкового соединения выполняют по размерам сечения детали в зоне термического влияния.
Условие прочности при нагружении растягивающей силой F соединения в виде полосы:

Допускаемые напряжения для расчета сварных соединений принимают по механическим характеристикам материала в зоне влияния сварного шва и отмечают штрихом [σ]’р в отличие от допускаемых напряжений основного металла [σ]р .

В стыковом соединении, нагруженном изгибающим моментом М , вычисляют напряжения σи изгиба:

Как уже указывалось выше, стыковое соединение может быть выполнено не только из листов или полос, но и из труб, уголков, швеллеров и других фасонных профилей. Во всех случаях сварная конструкция получается близкой к целой.

Сварные нахлёсточные соединения

Нахлесточным соединением называют сварное соединение, в котором сваренные угловыми швами элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга.
Стандартом предусмотрено два таких соединения: Н1 и Н2, которые отличаются только тем, что в соединении H1 к поверхности элементов привариваются два торца, а в соединении H2 — только один торец.
Иногда применяют разновидности нахлесточного соединения: с накладкой и с точечными швами, соединяющими части элементов конструкции.

виды нахлесточных швов

Сварное нахлесточное соединение выполняют фланговыми (рис. 2,а) или лобовыми (рис. 3) швами. При этом шов заполняет угол между боковой поверхностью одного элемента и кромкой другого. Такие швы называют угловыми .
Угловые швы выполняют однопроходными и многопроходными, без скоса кромок и со скосом кромок.

Основными характеристиками углового шва являются (рис. 2,б) : k — катет (по аналогии со стороной прямоугольного треугольника), а — рабочая высота (определяет наименьшее сечение в плоскости, проходящей через биссектрису прямого угла, по которому происходит разрушение — срез) .
Обычно для шва при ручной сварке а = 0,7k (высота прямоугольного треугольника с катетами k ) .
Автоматическую сварку характеризует более глубокий провар: а = k . Условия работы такого шва более благоприятные.
Не рекомендуется применять катет менее 3мм.

Фланговым называют шов, располагаемый параллельно, а лобовым – перпендикулярно линии действия внешней силы. Величина нахлестки l должна быть не менее 4δ , где δ – толщина листа.

Читайте также:  Контрольные точки напряжения бриг 001

Вследствие различной жесткости соединяемых элементов касательные напряжения τ (напряжения среза) по длине флангового шва распределены неравномерно (рис. 2,а) . Чем длиннее шов, тем больше неравномерность. Поэтому длину шва ограничивают:

где: k – катет сварного шва, мм, l — длина шва.

В швах длиной менее 30 мм не успевает установиться тепловой режим и получается некачественный шов. А при длинных швах существует высокая неравномерность в распределении напряжений.

Угловой шов при нагружении испытывает сложное напряженное состояние. Однако для простоты такой шов условно рассчитывают на срез под действием средних касательных напряжений τ .

Условие прочности флангового шва (рис. 2) :

τ = F/(a×2l) ≤ [τ]’ (здесь 2 – число швов)

Во избежание возникновения повышенных изгибающих напряжений лобовые швы следует накладывать с двух сторон (рис. 3) .
Как показывает практика, разрушение лобовых швов происходит вследствие их среза по биссектральной плоскости. Поэтому расчет лобовых швов условно ведут по напряжениям среза τ .
Поверхность разрушения определяют размеры а и b :

Применяют также комбинированные швы, состоящие из фланговых и лобовых.
Для простоты считают, что сила F растяжения нагружает швы равномерно:

где: L – периметр комбинированного шва : L = 2l +b

Сварные угловые соединения

Угловым соединением называется сварное соединение двух элементов, размещенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев (см. рис. 1, д, е, ж) .
Стандартом предусмотрено десять типов угловых соединений: от У1 до У10.

Иногда при сварке применяют угловое соединение со стальной подкладкой, которая обеспечивает надежный провар элементов по всему сечению. При толщине металла 8. 100 мм применяют двустороннюю разделку примыкающего элемента под углом примерно 45°.

Расчеты угловых сварных соединений на прочность проводятся редко, поскольку в силовых конструкциях их почти не применяют. Способы расчета такого соединения на прочность аналогичны способам расчетов для таврового соединения и зависит от типа шва.
Подробнее методика таких расчетов изложена ниже.

Сварные тавровые соединения

Тавровым соединением называется такое сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом и присоединен к боковой поверхности другого элемента. Чаще всего тавровое соединение образуют элементы, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 1, з, и, к) .
Такое соединение может быть выполнено швами с глубоким проплавлением, получаемыми при автоматической сварке и при сварке с предварительной подготовкой кромок (стыковым швом), или угловыми швами при ручной сварке.
Стандартом предусмотрено несколько типов таких соединений: с Т1 по T9.

Метод расчета углового и таврового соединения зависит от типа шва.

Швы с глубоким проплавлением прочнее основного металла. При нагружении соединения силой F разрушение происходит по сечению детали в зоне термического влияния. Расчет проводят по нормальным напряжениям растяжения σр :

Учет сварки проявляется в том, что принимают допускаемые напряжения для сварного шва, хотя расчет проводят по основному металлу.

Угловой шов менее прочен, чем основной металл. Поверхность разрушения расположена в биссектральной плоскости шва, как в лобовых и фланговых швах нахлесточных соединений.

Если соединение нагружено сжимающей силой, то часть силы передает основной металл и допускаемые напряжения можно повысить примерно на 60 %.

Характерные виды брака в сварных швах и соединениях

На рисунке 4 представлены наиболее часто встречающиеся виды брака при сварке изделий, которые могут значительно снизить прочность шва и конструкции в целом.

виды брака в сварных швах

Сравнительная характеристика сварных швов

Из перечисленных сварных соединений наиболее надежными и экономичными являются стыковые соединения , в которых действующие нагрузки и усилия воспринимаются так же, как в целых элементах, не подвергавшихся сварке, т. е. они практически равноценны основному металлу, конечно, при соответствующем качестве сварочных работ. Однако надо иметь в виду, что обработка кромок стыковых соединений и их подгонка под сварку достаточно сложны, кроме того, применение их бывает ограничено особенностями формы конструкций.
Угловые и тавровые соединения также распространены в конструкциях. Их положительные свойства сказываются при изготовлении объемных конструкций.

Нахлесточные соединения наиболее просты в работе, так как не нуждаются в предварительной разделке кромок, и подготовка их к сварке проще, чем стыковых и угловых соединений. Вследствие этого, а также из-за конструктивной формы некоторых сооружений они получили распространение для соединения элементов небольшой толщины, но допускаются для элементов толщиной до 60 мм.
Недостатком нахлесточных соединений является их неэкономичность, вызванная перерасходом основного и наплавленного металла. Кроме того, из-за смещения линии действия усилий при переходе с одной детали на другую и возникновения концентрации напряжений снижается несущая способность таких соединений.

Кроме перечисленных сварных соединений и швов при ручной дуговой сварке применяют соединения под острыми и тупыми углами по ГОСТ 11534-75, но они встречаются значительно реже.
Для сварки в защитном газе, сварки алюминия, меди, других цветных металлов и их сплавов применяют сварные соединения и швы, предусмотренные отдельными стандартами. Например, форма подготовки кромок и швов конструкций трубопроводов предусмотрена ГОСТ 16037-80, в котором определены основные размеры швов для различных видов сварки.

Источник