Донбасская национальная академия строительства и архитектуры ЛЕКЦИЯ 4 Напряжения и деформации при сварке строительных конструкций и изделий. Способы снижения сварочных напряжений и деформаций
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры 4. 1. Процесс возникновения деформаций и напряжений от сварки Характер температурного поля зависит от режима сварки: Ø эффективной мощности q источника нагрева; Ø скорости Vсв его перемещения. Рис. 4. 1. Изотермы, характеризующие распределение температур при сварке
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры По объему нагреваемого до высоких температур металла способы сварки плавлением распределяются (по степени возрастания): Øдуговая автоматическая сварка под флюсом; Ø дуговая ручная; Ø дуговая в среде защитного газа; Ø электрошлаковая; Ø газовая сварка. Нагревание стали приводит к существенному изменению ее механических свойств. В интервале температур от 150 до 400°С возрастает временное сопротивление σв, уменьшается относительное удлинение δ, при дальнейшем нагреве σв падает, а δ возрастает. Модуль упругости Е и предел текучести σт при повышении температуры падают (рис. 4. 2) и примерно при t=650 °С сталь теряет свои упругие свойства (для расчетов принимают t=600 °С).
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Рис. 4. 2. Изменение свойств малоуглеродистой стали в зависимости от температуры нагрева
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Механизм возникновения напряжений и деформаций при равномерном нагреве и остывании стержня объяснен проф. В. П. Вологдиным. 1 й случай. Стержень, закрепленный одним концом при равномерном нагревании и охлаждении свободно будет удлиняться и укорачиваться до первоначальной длины (при охлаждении до Т 0); и никаких остаточных напряжений и деформаций в нем не будет (рис. 4. 3, а). Рис. 4. 3. Деформации и напряжения при нагревании и остывании стальных стержней: а) защемленного одним концом; б) то же с упором на другом конце; в)защемленного двумя концами
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры 2 й случай. Стержень защемлен с одной стороны, а с другой примыкает к несмещаемой опоре. При равномерном нагревании и охлаждении такого стержня при некоторых условиях произойдет его укорочение, т. к. его удлинению препятствует неподвижная опора – при нагреве – и вместо удлинения произойдет пластическая деформация, а при охлаждении – свободное укорочение стержня против начальной длины (рис. 4. 3, б). При наличии несмещаемой связи в стержне возникают напряжения, увеличивающиеся с ростом температуры (рис. 4. 3, б). В т. А напряжения достигнут предела текучести, и при дальнейшем увеличении температуры будут развиваться пластические деформации, а напряжения изменяться по кривой АВ. При остывании напряжения снизятся до нуля (прямая ВС), а дальнейшее охлаждение приведет к укорочению стержня без остаточных напряжений. 3 й случай. Стержень защемлен с двух сторон и не имеет свободы ни удлинения, ни укорочения. При нагревании и охлаждении в нем возникнут остаточные напряжения, которые могут быть достигать предела текучести (рис. 4. 3, в). При нагревании в стержне возникнут напряжения, пропорциональные температуре, и при достижении предела текучести (т. А) рост напряжений прекратится. При дальнейшем нагреве напряжения изменяются по кривой изменения (АВ), а в стержне происходят пластические деформации, приводящие к утолщению стержня.
. Донбасская национальная академия строительства и архитектуры При остывании напряжения достигают нуля (т. С), а при дальнейшем охлаждении при отсутствии свободы укорочения в стержне возникают растягивающие напряжения, достигающие или меньше – в зависимости от температуры нагрева. В отличие от такой схемы в сварных конструкциях происходит местный непрерывный нагрев и остывание узкой полосы металла. Поэтому деформации и напряжения образуются по несколько другой схеме, предложенной проф. Н. О. Окербломом, который рассматривает пластину, на кромку которой наплавляют сварной шов. При наплавке сварного шва происходит местный нагрев кромки до температуры плавления стали (1530°С), причем по мере удаления от оси шва температура нагрева резко снижается (рис. 4. 4, а). Делим пластину условно на две полосы: полоса I нагрета до Т ≥ 600°С, когда =0, и находится в пластическом состоянии; полоса II – до температуры Т < 600°С и обладает упругими свойствами
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Рис. 4. 4. Деформации стальной пластины при наплавке шва на кромку: а) схема пластины и график распределения температур; б) деформации при нагревании сваркой; в) деформации после остывания (остаточные)
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры При наплавке шва полоса I получила бы длину , но ввиду сдерживания свободного удлинения ее холодной полосой II удлинения полосы I будут меньше и длина ее будет (рис. 4. 4, б). Разность погашается пластическими деформациями полосы I как и в случае равномерного нагрева. Ввиду связи полосы II с полосой I первая получит деформации изгиба, подчиняющиеся гипотезе плоских сечений, т. к. полоса II работает в упругой среде. Эпюра напряжений в пластине от нагрева аналогична фигуре, ограниченной кривой свободных тепловых деформаций и действительных удлинений исходя из предложения поворота плоского сечения при изгибе. При остывании (рис. 4. 4, в), полоса I, будучи свободной, укоротилась бы до длины , но ввиду препятствия укорочениям полосы II, она получит длину , а полоса II изогнется в сторону противоположную при нагревании. Изменится в соответствии с этим и характер эпюры напряжений. Из рассмотрения обеих эпюр (при нагревании и остывании) видно, что при наплавке зона сварки получает сжимающие напряжения, а прилегающий основой металл – растягивающее напряжения. После остывания знаки остаточных напряжений обратны предыдущим, т. е. зона шва всегда растянута, а околошовная зона основного металла всегда сжата
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Сварочные (остаточные) напряжения и деформации называют также «собственными» , т. е. напряжениями и деформациями, существующими в элементе при отсутствии внешних сил. «Собственные деформации» – перемещение различных точек сварного изделия (укорочения, изгиба, поворот сеч. и др. ), а не деформации металла, как это имеет место в теории упругости и пластичности. Различают три вида собственных напряжений: 1. Собственные напряжения первого рода – уравновешивающиеся в макрообъемах; 2. Второго рода – уравновешивающиеся в пределах одного или нескольких зерен; 3. Третьего рода – отражающие искажения кристаллической решетки. Остаточные напряжения могут быть: Ø одноосными (σх); Ø двухосными (плоскостные σх и σу); Ø трехосные (объемные).
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры 4. 2. Напряжения и деформации при сварке Деформации от сварки бывают: Ø временные, образующиеся в процессе сварки; Ø остаточные, образующиеся после полного остывания конструкции. Остаточные сварочные деформации влияют на: Ø Ø геометрическую форму конструкции; несущую способность. Величина и распределение остаточных напряжений и деформаций зависит от: Ø технологии сварки ; Ø конструктивных форм; Ø жесткости свариваемых изделий; Ø толщины металла. Деформации сварных швов бывают: Ø Ø продольные; поперечные. Различают два вида деформаций стальных конструкций от сварки: Ø общие деформации – характерны для сварного элемента в целом; Ø местные деформации – образуются в пределах одной или нескольких деталей или на части одной из деталей конструкции.
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры 4. 2. 1. Общие деформации конструкций от сварки Общие деформации от сварки: 1) серповидность (саблевидность) элементов; 2) продольное и поперечное укорочение элементов; 3) винтообразность (скручивание) элементов; 4) грибовидность полок сплошных тавровых, двутавровых, Н-образных и т. п. элементов; 5) перекос полок сплошных составных сечений. Саблевидность элементов возникает под действием изгиба от неравномерных продольных усадочны деформаций, например: Ø при несимметричных сечениях сплошных сварных элементов (рис. 4. 5, а); Ø приварке несимметрично расположенных нагруженных деталей (рис. 4. 5, б); Ø при несимметричном расположении по стенке сечения мелких деталей (рис. 4. 5, в).
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Рис 4. 5. Деформации серповидности (саблевидности) от сварки: а) при несимметричном сечении; б) от приварки наружных деталей с одной стороны; в) от приварки по стенке сечения несимметрично расположенных мелких деталей
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Продольное укорочение элементов является следствием продольного укорочения от сварки поясных швов, усадки поперечных стыков, швов, прикрепляющих ребра жесткости, и др. Меры от серповидности: 1. Конструктивные: Ø Двутавровые и Н-образные сечения при высоте до 1000 -1200 мм выполнять симметрично, а при большей высоте – асимметричность должна быть не более 20%; Ø Избегать несимметричного прикрепления мелких деталей, в противном случае с противоположной стороны привать фальшдетали. 2. Технологические мероприятия: Ø При несимметричных сечениях более мощный пояс сваривать первыми швами, что обеспечит меньшие деформации при последующей сварке более удаленных швов; Ø Ручную сварку поясных швов и поперечных ребер жесткости или диафрагм производить от середины к краям обратноступенчатым способом; автоматическую сварку вести, как исключение, секционным способом; Ø Мелкие детали, особенно при несимметричном их расположении, варить электродами малых диаметров, избегая значительного одностороннего нагрева;
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Ø Перед сваркой поясных швов и приваркой мелких деталей применять обратный выгиб, принимая стрелку его равной расчетному прогибу от сварки; Ø Деформированные элементы двутаврового, Н-образного и коробчатого сечений высотой 800 -1000 мм можно править в холодном состоянии (грузами, винтовыми приспособлениями и т. п. ) однако эта операция трудоемка и может привести к образованию зон наклепа. Поперечное укорочение сварных элементов обычно мало, специальных мероприятий по их предупреждению не требует. Во избежание продольных укорочений от сварки элементов по длине деталей дают припуски. Скручивание (винтообразность) элементов. Эти усадочные деформации образуются в элементах таврового, двутаврового и коробчатого сечений от крутящих моментов, возникающих от сварки поясных швов в противоположных направлениях (рис. 4. 6). Снижению величин винтообразности способствует соответствующий технологический процесс: Ø сварка всех поясных швов ведется в одном направлении; Ø двух- и трехчасовые перерывы между сварками каждого поясного шва; Ø постановка временных диафрагм, увеличивающих жесткость на кручение; Ø правка в холодном состоянии.
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Рис. 4. 6. Схема образования деформаций винтообразности от сварки поясных швов: 1) первый сваренный шов; 2) второй сваренный шов.
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Грибовидность полок двутавровых и Н-образных сечений образуется от поперечной усадки поясных швов по всей длине балки. Величина грибовидности зависит от толщины поясов и катета сварных швов (рис. 6. 7, а). Грибовидность полок практически не влияет на несущую способность элементов и поэтому в большинстве случаев допустима при любой величине. Перекос полок сечения может происходить при любой последовательности наложения швов (рис. 6. 7, б). Перекос алгебраически суммируется с деформацией грибовидности. Причиной перекоса является то, что угловой деформации первого шва сопротивляются только прихватки, а деформациям второго шва – ранее наложенный шов. Для предотвращения грибовидности и перекоса полок принимают решения: Ø устанавливают в соответствующих местах временные диафрагмы и ребра жесткости; Ø применяют жесткие кассеты; Ø производят предварительный выгиб в обратную сторону; Ø производят холодную правку на роликовых прессах.
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Рис. 4. 7. Деформации полок сварного сечения: а) грибовидность от сварки поясных швов; б) перекосы полок при разной последовательности наплавки поясных швов
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры 4. 2. 2. Местные деформации конструкций от сварки Местные деформации от сварки строительных конструкций: Ø коробление части плоских листовых деталей – «хлопуны» ; Ø коробление свободных кромок длинных листовых или полосовых деталей; Ø коробление в зоне стыковых швов; Ø грибовидность полок мелких деталей составного сечения; Ø искажение плоскости фрезерованных или строганых торцов приварке вблизи них мелких деталей; Ø отклонение плоскостей отдельных деталей от заданного в проекте положения для примыкания к основному сечению. Коробление части плоскости листовых деталей в виде «хлопунов» может возникать как по торцам элементов, так и в его средней части (рис. 4. 8). При отношениях усадка швов, привающих крайние ребра на расстоянии может вызвать коробление крайнего участка стенки (рис. 4. 8 а). При отношениях хлопуны могут возникнуть от поперечной усадки швов, прикрепляющих ребра и в средней части балок (рис. 4. 8, а). Аналогично хлопуны образуются в стенках бункеров (рис. 4. 8, б).
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Рис. 4. 8. Схема местных деформаций тонкой стенки – «хлопунов» : а) в сварной балке; б) в стенке бункера.
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Для предотвращения хлопунов предусматривают конструктивные или технологические решения (рис. 4. 9): Ø торцевые ребра ставят не далее 10 от края (рис 4. 9, а); Ø ставят окаймляющие ребра (рис. 4. 9, б); Ø участки ребер на 300 -500 мм не заваривают у свободной кромки; привают после сборки на монтаже (рис. 4. 9, в); Ø применяют ребра из уголков, швеллеров, двутавров, которые рассредоточивают швы; до свободной кромки не заваривают на 200 -300 мм (рис. 4. 9, г); Ø принимают «ниточные» швы мм для крепления ребер к стенке; Ø в случае односторонних ребер с обратной стороны ставят временные планки (рис. 4. 9, д); Ø в конструкциях, где хлопуны недопустимы, не следует применять тонких стенок – с соотношением
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Рис. 4. 9. Конструктивные и технологические меры по борьбе с «хлопунами» : а) установка опорного ребра 1 на расстоянии α 1≤tст; б) установка окаймляющего ребра 2; в) элемент стенки бункера с ребрами 3, не доваренными до торца; г) ребра жесткости из уголков, швеллеров и двутавров; д) установка временных планок 4
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры При толщине полок менее 14 -16 мм и отношении происходит коробление свободных кромок длинных листовых деталей (волнистость кромок) (рис. 4. 10). Рис. 4. 10. Коробление свободных кромок тонких поясов Н- и Т- образных сечений
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры ), Местная волнистость кромок – дефект конструкции, ухудшающий местную устойчивость сжатых поясов балок. Во избежание волнистости кромок применяют минимальный вылет полки (≤ 10 -12) для приварки ребер жесткости катеты швов принимают минимальные (4 -5 мм), предусматривая пристрожку их при передаче больших сосредоточенных сил, а также предусматривают соответствующий технологический процесс сварки при больших вылетах (обратноступенчатый при ручной; секционный – при автоматической). Коробление в зоне стыковых швов (рис. 4. 11) проявляется при V-образной, несимметричной Х-образной и даже симметричной Х-образной в косых стыках разделках кромок. Для предотвращения принимают: 1. Конструктивные мероприятия: – избегают косых стыков; – предусматривают автоматическую сварку без разделки кромок или симметричную Х-образную разделку при ручной сварке; 2. Технологические мероприятия: – холодная проковка при ручной многослойной сварке; – предварительный выгиб при V-образной разделке кромок (рис. 4. 11, в).
), Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Рис. 4. 11. Схемы коробления: а) в прямом стыке; б) в косом стыке; в) предварительный выгиб концов стыкуемых деталей
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры ), Отклонение плоскости отдельных листовых деталей от заданного в проекте угла примыкания к основному сечению может быть в случаях (рис. 4. 12): Ø примыкании в тавр столика или фасонки, особенно при V-образной разделке кромок (рис. 4. 12, а); Ø при выступах листовых деталей в виде консолей за пределы основного сечения (рис. 4. 12, в). В технологическом процессе сварки предусматривают: Ø сборку с предварительным перекосом (рис. 4. 12, б); Ø применение проковки при V- и Х- образной разделке и многослойной ручной сварке (рис. 4. 12, г); Ø установку временных ребер или подкосов (рис. 4. 12, г).
), Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Рис. 4. 12. Отклонение деталей от заданного угла примыкания: а) в столике; б) предварительный перекос столика; в) деформация выступа опорной плиты; г) установка временных или постоянных ребер; 1 – сборка с предварительным перекосом; 2 – временные или постоянные ребра
), Донбасская национальная академия строительства и архитектуры 4. 3. Общие мероприятия по борьбе с остаточными напряжениями и деформациями от сварки Три основных пути уменьшения сварочных напряжений и деформаций: 1. Снижение величины пластической деформации укорочения и уменьшения объема металла, подверженного пластической деформации при сварке путем: а) регулирования термических воздействий при сварке – уменьшением количества швов и их размеров, предварительным подогревом и т. п. ; б) механическими способами: растяжением или изгибом элементов при их сварке и т. п. ; 2. Создание в элементах до сварки искусственных деформаций равных по величине и противоположного знака против ожидаемых от сварки, симметричного расположения швов, рациональная технология сборки и сварки. 3. Искусственное образование пластических деформаций растяжения после сварки путем: а) проковки наплавленного металла шва; б) прокатки после сварки (элементов, оболочек); в) удлинения элементов растяжением или изгибом после сварки; г) жесткое закрепление элементов или узлов при проведении сварки; д) высокого отпуска после сварки; е) термической правки.
Скачать презентацию Донбасская национальная академия строительства и архитектуры ЛЕКЦИЯ 4
Лекция_4_2010.ppt