Что вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях

КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В СОЕДИНЕНИЯХ, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ПЛАВЛЕНИЕМ

Концентрацию напряжений в сварных конструкциях вызывают следующие причины.

Технологические дефекты шва — га­зовые пузыри, шлаковые включения и особенно трещины и непровары. Возле этих дефектов при нагружении си­ловые линии искривляются, в результате чего образуется концентрация напряжений. Коэффициенты концентрации напряжений около указанных дефектов значительны, но при их небольшом числе и размерах прочность сварных

соединений остается удовлетворительной. В плотных од­нородных стыковых швах концентрация напряжений мо­жет быть сведена до минимума.

Нерациональные очертания швов. На основании данных теории упругости установлено, что очертание швов оказывает большое влияние на распреде­ление в них внутренних сил. На металлических деталях и на моделях из прозрачного материала эти данные экс­периментально подтверждены.

Нерациональные конструкции сое­динений. Примеры нерациональных конструкций со­единений рассмотрены в следующих параграфах данной главы.

( 4.3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В СТЫКОВЫХ ШВАХ

В стыковых соединениях с обработанными гладкими поверхностями швов, не имеющих внутренних дефектов (непроваров, трещин, пор, шлаковых включений), напря­жения от продольной силы распределяются по попереч-

ному сечению соединяемых элементов равномерно и опре­деляются по формуле

Когда поверхность имеет форму, показанную на рис. 4.2, а, распределение напряжений по сечению становится неравномерным. На рис. 4.2, б показано распределение напряжений в стыковом соединении при 2о=13 мм и Дз=з =3 мм (рис. 4.2, а). Зоны шва, сопрягаемые с основным металлом, испытывают концентрацию напряжений. Сред­ние напряжения на оси шва несколько меньше напряже­ния в основном металле вне соединения.

Концентрация напряжений образуется также в корне шва при его непроваре.

Вторым источником концентрации может служить сме­щение одного элемента относительно другого (рис. 4.3, а, б), а также в результате местных деформаций, вызванных неравномерным сокращением шва.

Влияние концентраторов на прочность не учитывается при статических загружениях, но является весьма сущест­венным при действии динамиче­ских нагрузок.

Концентрация напряжений, выз­ванная очертанием шва, имеет ме­сто в зоне сопряжения шва с ос­новным металлом, зависит от сте­пени утолщения шва и радиуса перехода.

Концентрация резко возрастает при уменьшении радиуса до до­лей миллиметра.

Концентрация напряжений, возникающих в зоне пор, имеет пространственный характер. Как показывают тео­ретические расчеты, коэффициенты концентрации напряже­ний возле сферических пор в 1,5 раза меньше концент­рации в зоне цилиндрических отверстий того же радиуса и положения относительно поверхности.

Стыковые швы при всех видах сварки — дуговой, кон­тактной, электронно-лучевой — являются оптимальными в отношении концентрации напряжений. При доброкачест­венном технологическом процессе, отсутствии пор, непро­варов, включений, смещении кромок, при доведении до минимума остаточных местных сварочных деформаций и, наконец, что особенно важно, при рациональном очер­тании швов, их плавных сопряжениях с основным металлом результирующий коэффициент концентрации напряжений может быть сведен до значений, близких к единице. В дру­гих типах соединений такой результат получить практи­чески невозможно.

Источник

КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В СОЕДИНЕНИЯХ, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ПЛАВЛЕНИЕМ

Концентрацию напряжений в сварных конструкциях вызывают следующие причины.

Технологические дефекты шва — га­зовые пузыри, шлаковые включения и особенно трещины и непровары. Возле этих дефектов при нагружении си­ловые линии искривляются, в результате чего образуется концентрация напряжений. Коэффициенты концентрации напряжений около указанных дефектов значительны, но при их небольшом числе и размерах прочность сварных
соединений остается удовлетворительной. В плотных од­нородных стыковых швах концентрация напряжений мо­жет быть сведена до минимума.

Нерациональные очертания швов. На основании данных теории упругости установлено, что очертание швов оказывает большое влияние на распреде­ление в них внутренних сил. На металлических деталях и на моделях из прозрачного материала эти данные экс­периментально подтверждены.

Сварные конструкции. Расчет и проектирование

Проектирование и монтаж дымоходов

Корректность проектирования и монтажа дымохода влияет на безопасность использования отопительной системы. Узнать подробности этого процесса вы можете на сайте http://dymari.kiev.ua/. Требования к проектированию дымоходов Основной критерий к установке дымохода – …

Производитель металлоапластиковых конструкций

ХОЛОДНЫЕ ТРЕЩИНЫ

Наиболее часто холодные трещины возникают в ле­гированных сталях в тех случаях, когда металл под дей­ствием термического цикла сварки претерпевает закалку. В этих случаях холодные трещины при сварке появляются в результате …

Продажа шагающий экскаватор 20/90

Цена договорная
Используются в горнодобывающей промышленности при добыче полезных ископаемых (уголь, сланцы, руды черных и
цветных металлов, золото, сырье для химической промышленности, огнеупоров и др.) открытым способом. Их назначение – вскрышные работы с укладкой породы в выработанное пространство или на борт карьера. Экскаваторы способны
перемещать горную массу на большие расстояния. При разработке пород повышенной прочности требуется частичное или
сплошное рыхление взрыванием.
Вместимость ковша, м3 20
Длина стрелы, м 90
Угол наклона стрелы, град 32
Концевая нагрузка (max.) тс 63
Продолжительность рабочего цикла (грунт первой категории), с 60
Высота выгрузки, м 38,5
Глубина копания, м 42,5
Радиус выгрузки, м 83
Просвет под задней частью платформы, м 1,61
Диаметр опорной базы, м 14,5
Удельное давление на грунт при работе и передвижении, МПа 0,105/0,24
Размеры башмака (длина и ширина), м 13 х 2,5
Рабочая масса, т 1690
Мощность механизма подъема, кВт 2х1120
Мощность механизма поворота, кВт 4х250
Мощность механизма тяги, кВт 2х1120
Мощность механизма хода, кВт 2х400
Мощность сетевого двигателя, кВ 2х1600
Напряжение питающей сети, кВ 6
Более детальную информацию можете получить по телефону (063)0416788

Источник

Концентрация напряжений в сварном соединении

Концентрация напряжений в сварных стыковых соединениях, выполненных методами сварки плавлением, вызвана как изменением сечения в зоне соединения, так и шероховатостью поверхности сварного шва.

Для исследования концентрации напряжений, обусловленной шероховатостью чешуйчатой поверхности при растяжении сварного соединения, необходимо провести решение упругой задачи с учетом влияния статистических характеристик поверхности на напряженное состояние.

Ранее было показано [6, 27], что шероховатость поверхности носит случайный характер, следовательно, она в этом случае наиболее полно характеризуется моделью стандартного случайного поля, так, что уравнение поверхности z = f(x, у) представляет собой стационарную случайную функцию координат х, у.

Полагая, что величины шероховатостей малы по сравнению с толщиной листа 8, используем для решения задачи метод малого параметра.

С учетом данных [23, 34, 108] задача сводится к определению напряжений в слое, на поверхности которого действуют касательные напряжения и т^, (рис. 9.3). Толщина слоя, равная сумме толщины листа и толщины валика шва, переменна. Однако ширина шва обычно в 1000—2000 раз больше среднего значения основания микровыступа, так что изменением сечения слоя можно пренебречь. При этом напряжения и x_zy будут стационарными функциями х и у, поскольку таковыми являются производные (dh/dx) и (dh/dy) стационарной случайной функции h. Так как на поверхности действуют две системы касательных напряжений, направленных взаимно перпендикулярно, то расчет можно привести отдельно для каждой из них.

Рис. 9.3. Расчетная схема сварного соединения для определения концентрации напряжений, вызванной шероховатостью сварного шва

Как обычно, при решении в напряжениях плоской задачи теории упругости необходимо найти функцию напряжений Ф. Напряжения о_х, о_у, t _xz связаны с Ф соотношениями:

Кроме того, напряжения а_х, а_у, т_Х2 удовлетворяют следующим граничным условиям:

Проведя решение в соответствии с [27, 23, 34, 108], получаем выражение для коэффициента концентрации напряжений:

Рассмотрим пример. Найти коэффициент концентраций напряжений в сварных стыковых соединениях листов из сплава 1420.

Фрагменты профилограмм а_м, а^ поверхности сварного шва из этого сплава и соответствующие им корреляционные функции R_x и R_y, построенные численным интегрированием на ЭВМ, приведены также на рис. 9.1 и 9.2. По имеющимся значениям R_x и R_y получаем такие величины коэффициентов а_м, и Ъ:

Подставив эти значения в формулу (9.5), получим коэффициент концентрации напряжений = 2,15.

В табл. 9.2 приведены коэффициенты концентрации напряжений для наиболее типичных случаев сварных стыковых соединений. Концентрация напряжений возникает не только при ослаблении поперечного сечения в местах всевозможных проточек и отверстий, но и в местах усиления. Впервые на это явление было указано Г. Нейбером [35]. Следуя положениям этой работы, рассмотрим концентрации выступа (рис. 9.4), представляющего собой усиление сварного шва. Плоская задача теории упругости может быть решена в напряжениях с учетом [23, 35, 96].

Рис. 9.4. Расчетная схема сварного соединения для определения концентрации напряжений, вызванной изменением сечения соединения

Расчетные коэффициенты концентрации напряжений, обусловленные шероховатостью поверхности сварного шва

Коэффициент концентрации напряжений

Ручная с присадкой

Автоматическая без присадки

Автоматическая с присадкой

Автоматическая с присадкой

Ручная с присадкой

Автоматическая с присадкой

Автоматическая по буртику

Ручная с присадкой

Автоматическая с присадкой

Коэффициент концентрации напряжений

Ручная с присадкой

Автоматическая без присадки

Ручная с присадкой

Автоматическая с присадкой

Примечание: приведены средние данные по трем образцам.

Окончательное выражение, связывающее параметры усиления шва с напряжением, имеет вид

Графически зависимость наибольшего напряжения, а следовательно, и коэффициента концентраций напряжений представлена на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Зависимость наибольшего напряжения (коэффициента концентрации) от параметра о/р

Таким образом, определение коэффициента концентрации напряжений сводится к построению контура сварного шва, определению параметров а и р и отысканию по графику (см. рис. 9.5) величины К_а. Результаты геометрических измерений типичных контуров поперечных сечений сварных швов из алюминиевых и магниевых сплавов приведены в табл. 9.3.

Рассмотрим пример. Найти коэффициент концентрации напряжений в стыковом соединении из сплава 1420. Для этого соединения 2а_г = 6,8 мм; 2а₂ = 4,6 мм, а радиус кривизны принимает наименьшее значение порядка 0,55—0,6 мм. Поэтому в этом случае со стороны усиления коэффициент концентрации напряжений принимает значения 1,55—1,65.

Концентрация напряжений реализуется также в точках с наименьшей кривизной контура и со стороны проплава. Для р = 0,5 мм значение коэффициента концентрации напряжений равно 1,5.

Результаты измерений геометрических параметров сварных швов

Ручная с присадкой

Автоматическая без присадки

Автоматическая с присадкой

Сканирующей дугой с присадкой

Ручная с присадкой

Автоматическая с присадкой

Автоматическая без присадки

Ручная с присадкой

Автоматическая без присадки

Автоматическая с присадкой

Ручная с присадкой

Автоматическая без присадки

Автоматическая с присадкой

Данные табл. 9.4 показывают, что коэффициент концентрации напряжений в значительной степени зависит от метода сварки и марки материала.

Расчетные коэффициенты концентрации напряжений, обусловленные изменением сечения

Коэффициент концентрации напряжений

Ручная с присадкой

Автоматическая без присадки

Автоматическая с присадкой

Автоматическая с присадкой

Коэффициент концентрации напряжений

Ручная с присадкой

Автоматическая с присадкой

Ручная с присадкой

Ручная с присадкой

Автоматическая с присадкой

Ручная с присадкой

Автоматическая без присадки

Ручная с присадкой

Автоматическая с присадкой

Ручная с присадкой

Примечание: образцы толщиной 2 мм.

С учетом параграфов 9.1 и 9.2 данной главы, возникающая в тонком приповерхностном слое концентрация напряжений имеет место как в зоне соединения, так и в околошовной зоне. Величина коэффициента концентрации в сварном шве, обусловленная шероховатостью чешуйчатой поверхности, изменяется от 1,2 до 2,3. Концентрация напряжений, обусловленная изменением сечения в зоне соединения, принимает наибольшее значение в точках шва с наименьшей кривизной. Коэффициент концентрации напряжений в этом случае изменяется от 1,25 до 2,5.

В работе [20] предложена полуэмпирическая формула для определения величины К₀:

где R — радиус подреза шва (снизу); t — глубина подреза шва; S — толщина пластин; g — высота верхнего и нижнего валиков.

Концентрация напряжений в сварном стыковом соединении обусловлена как изменением сечения в зоне соединения, так и шероховатостью поверхности шва. Для определения полного коэффициента концентрации напряжений необходимо наложить эти факторы, так что коэффициент концентрации напряжений можно принять в виде

где K_ai — коэффициент концентрации напряжений, обусловленный шероховатостью поверхности шва; К^₂ — коэффициент концентрации напряжений, обусловленный изменением сечения шва.

В большинстве случаев основание валика шва — зона наибольшей концентрации напряжений, и и К_а2 следует вычислять для этой зоны (точки).

Высокие значения коэффициентов концентрации напряжений в сварных стыковых соединениях вызывают необходимость разработки мероприятий по их снижению. Одним из эффективных методов снижения концентрации напряжений является нанесение полимерных покрытий.

Источник

Деформации и напряжения при сварке

Содержание:

В производстве металлоконструкций самые надежные и долговечные соединения обеспечивает сварочная технология при условии безошибочного проведения работ. Если же хоть незначительно нарушаются технологии процесса, то в создаваемой конструкции формируются деформации и напряжения при сварке. При этом искривляются формы, возникают неточности в размерах изделия, что делает невозможным качественное выполнение функциональных задач.

Что являют собой напряжения и деформации

Появлением напряжений и искажений сопровождается любое силовое воздействие на металлическое изделие. Силу, которая оказывает давление на единицу площади называют напряжением, а нарушение целостности форм и размеров в результате силовой нагрузки называют деформацией.

Напряжение может быть вызвано физическим усилием сжимающего, растягивающего, срезающего или изгибающего характера. Когда сварочные напряжения и деформации превышают допустимые значения, то это влечет за собой разрушению отдельных элементов и всей конструкции.

Почему образуются деформации и напряжения

Деформации при сварке появляются из-за вызванных разными факторами внутренних напряжений. Причины таких нарушений условно разделяют на две большие категории: основные (неизбежные), которые всегда присутствуют при сварочных работах и сопутствующие, которые подлежат устранению.

Причины неизбежные

Группу основных составляют следующие причины возникновения напряжений и деформаций при сварке:
структурные видоизменения, провоцирующие развитие сжимающих и растягивающих напряжений. Довольно часто при охлаждении изделий, выполненных из высокоуглеродистых и легированных стальных сплавов при нарушается зернистая структура металлов и размеры самих деталей.

В результате меняется первоначальный объем металла, что собственно и поднимает внутреннее напряжение;

Не только внешние силовые воздействия способны спровоцировать напряжение при сварке. Металлическим сплавам характерны также свои собственные напряжения и деформации, которые разделяются на остаточные и временные. Первые возникают вследствие пластичной деформации и даже после охлаждения конструкции они в ней остаются. Когда появляются временные сварочные деформации? Непосредственно в процессе сваривания в прочно зафиксированном изделии.

Сопутствующие причины

Кроме основных существуют также побочные причины возникновения деформаций при сварке. К таковым относят:

Что из перечисленного вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях? Любое неправильное действие приводит к технологическим дефектам шва, в частности к появлению трещин, пузырей, непроваров и других браков.

Виды деформаций и напряжений

Различают разные виды напряжений в зависимости от характера их возникновения, периода действия и других факторов. В таблице ниже показано что вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях и какими они бывают.

Виды деформаций при сварке бывают:

Деформации металла возможны как в плоскости сварной конструкции, так и вне нее.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций

С целью определения прочности и надежности шва, и выявления возникших дефектов проводится тестирование сварных соединений. Такой контроль позволяет своевременно обнаружить браки и оперативно их устранить.

Для выявления изъянов используют следующие типы контроля:

При производстве конструкций с применением сварки одним из важных нюансов является точное определение возможных деформаций и напряжений. Их наличие приводит к отклонениям от первоначальных размеров и форм изделий, понижает прочность конструкций и ухудшает эксплуатационные качества.

Расчет сварочных напряжений и деформаций позволяет проанализировать разные варианты проведения сварочных операций и спланировать их последовательность так, чтобы в процессе работ конструкция подвергалась минимальным напряжениям и образованию дефектов.

Способы устранения сварочных напряжений

Дли ликвидации напряжений проводят отжиг или же используют механические методы. Наиболее прогрессивным и действенным считается отжиг. Применяется метод в случаях, когда к геометрической точности всех параметров изделия выдвигаются сверхвысокие требования.

Отжиг может быть общим или местным. В большинстве случаев проводят процедуру при температуре 550-680°С. Весь процесс проводится в три этапа: нагрев, выдержка и остывание.

Из механических способов чаще всего используется прокатка, проковка, техника вибрации и обработка взрывом. Проковка проводится с применением пневмомолота. Для виброобработки используют вызывающие вибрацию устройства, у которых в течение нескольких минут 10-120 Гц составляет резонансная частота.

Способы устранения деформации

Деформация металла при сварке устраняется термомеханической, холодной механической и термической правкой с общим или местным нагревом. При полном отжиге конструкция прочно фиксируется в специальном устройстве, которое на требуемые участки образует давление. После закрепления изделие помещается в печь для нагрева.

Принцип термического способа состоит в том, что в процессе охлаждения металл сжимается. Растянутый участок нагревают с помощью дуги или горелки таким образом, чтобы холодным оставался окружающий сплав. Это препятствует сильному расширению горячего участка. В процессе остывания конструкция выпрямляется. Метод идеально подходит для правки листовых полос, балок и других изделий.

Холодная правка проводится с применением постоянных нагрузок, которые образуют с помощью разнообразных прессов, валков для прокатки длинных конструкций. В сильно растянутых конструкциях для ликвидации деформаций используют термическую правку. Сперва собираются излишки металла, после чего проблемные участки прогреваются.

Какой из методов считается самым лучшим? Однозначного ответа здесь не существует. При выборе технологии следует учитывать тип, размеры и формы металлического изделия, какие особенности вызвали деформации и сварочные напряжения, и деформации, возникшие в плоскости или снаружи. Также внимание стоит обратить на эффективности методики и предстоящих трудозатратах.

Как предотвратить возникновение напряжений и деформации

Чтобы повысить качество конструкций и предотвратить образование браков, следует знать от чего зависит величина деформации свариваемого металла.

Понизить напряжения в процессе сварочных работ и предотвратить деформации можно, если придерживаться следующих правил:

Нужно понимать, чтобы понизить к минимуму деформации при сварке, причины их возникновения и меры предупреждения непосредственно повязаны между собой. Поэтому вначале нужно провести все расчеты и подготовительные работы, и только после этого приступать к процессу сваривания металлоконструкций.

Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям

Намного проще предотвратить проблему, нежели ее устранять. Касается это также сварочных работ. Чтобы не столкнуться с устранением брака, а также избежать лишних финансовых затрат следует обратить внимание на некоторые меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями.

Сопроводительный и предварительный подогрев

Выполнение таких видов подогрева улучшает качественные характеристики шва и прилегающих к нему участков. Также метод способствует уменьшению остаточного напряжения и пластических деформаций. Применяют подогрев для склонных к возникновению кристаллизационных трещин и закалке сталей.

Наложение швов в обратно ступенчатом порядке

Если длина шва превышает 1000 миллиметров, то следует разбить его на отдельные участки протяжностью 100-150 мм каждый и вести их нужно противоположно к направлению сварки. Применение такого способа позволяет достичь равномерного нагревания металла и существенно понизить деформацию, что нельзя отнести к случаю последовательного наложения.

Проковка швов

Как холодный, так и нагретый металл можно проковывать. Металл от силы удара разжимается в разные стороны, понижая таким образом растягивающее напряжение. Если конструкция создана из склонного к появлению закалочных структур металла, то на таких изделиях проковка не выполняется.

Выравнивание деформаций

Сущность способа состоит в подборе порядка выполнения швов. При этом каждое последующий шов должен создавать противодействующую деформацию предыдущему соединению. Очень актуально это при сваривании двусторонних соединений.

Жесткое крепление деталей

Термическая обработка

Улучшает механические характеристики шва и расположенных вблизи участков, выравнивает структуру соединения, понижает внутренние напряжения. Термическая обработка состоит из разных операций: отпуск, отжиг (полный или низкотемпературный), нормализация.

Наилучшим способом обработки для сварных изделий считается нормализация, особенно хорошо подходит метод для изделий из низкоуглеродистых сталей.

Интересное видео

Источник