Сварочные напряжения и деформации
Конструктивной прочностью называют способность конструкции сопротивляться наступлению тех предельных состояний, от которых зависят ее служебные свойства, ее назначение. Таким образом конструктивная прочность представляет собой сложное взаимодействие свойств материалов, входящих в состав конструкции, и свойств самой конструкции (статическая прочность, усталостная прочность, хладостойкость, сопротивление ползучести, технологическая прочность, коррозионная стойкость и т. д.), а также условий работы конструкции, определяемых так называемыми внешними факторами (характер и величина нагрузок, характер и величина напряжений, температура и время эксплуатации и т. д.). Способность конструкций сопротивляться наступлению предельных состояний называется ее несущей способностью.
Учесть с достаточной точностью степень влияния каждого из множества факторов, перечисленных выше, на несущую способность конкретной конструкции практически не представляется возможным. Поэтому на практике в расчетах принимают лишь главные из них, вследствие чего вводится понятие - расчетная прочность - способность конструкции сопротивляться наступлению тех предельных состояний, от которых зависят ее служебные свойства, определенная расчетным путем на основе экспериментальных характеристик материала и теоретического аппарата. Очевидно, что расчетная прочность не совпадает с конструкционной по ряду причин, основными из которых являются:
1. Состояние науки о прочности не позволяет учитывать одновременное действие многих факторов, поэтому расчеты производят по главному фактору (предельное состояние наступления текучести или потеря устойчивости или хладостойкость и т. д.).
2. Исключение из расчета слабо изученных факторов (например, влияние дефектов), которые в реальных условиях работы конструкций могут иметь доминирующее значение.
3. Неправильный выбор предельных состояний и критериев для оценки прочности конструкции и проведения расчетов (например, назначение критериев механической прочности без учета концентрации напряжений, использование только силовых критериев без учета деформационных и т. д.).
4. Трудно учесть заранее вероятность появления дефектов, их величины и характера распределения, также иногда фактически невозможно выявить все дефекты, применяя существующие методы и способы контроля качества сварных соединений.
Одной из важных задач, имеющих не только техническое, но и экономическое значение, является сближение расчетной и конструктивной прочности, определение степени надежности сварных конструкций. Решение этой задачи позволит уменьшить вес и габариты (размеры) конструкций, сэкономить материалы, в частности металл, удешевить производство. Для достижения более точного совпадения расчетной и конструкционной прочности необходимо выполнить ряд условий при проектировании и изготовлении сварных конструкций. Необходимо совершенствовать определение и выбор нормативов для расчета, обеспечивать правильный выбор предельных состояний и показателей с максимально возможным учетом большинства дополнительных факторов, позволяющих более точно отобразить реальное состояние конструкции в условиях эксплуатации. Перспективным в этом отношении является применение вероятностных методов расчета, позволяющих определить надежность сварных конструкций, т. е. вероятность выполнения ими заданных функций в течение требуемого периода времени.
На стадии проектирования следует принимать такие конструктивные решения форм и узлов, которые позволили бы более точно учесть все факторы, влияющие на прочность. Большое значение имеет также разработка оптимальной технологии изготовления конструкций, позволяющей с помощью различных приемов устранить влияние тех факторов, которые трудно или невозможно учесть расчетом. К таким факторам относятся введение термической обработки, снимающей остаточные напряжения, применение оснастки, исключающей или снижающей остаточные деформации, 100 %-ный контроль сварных швов.
К факторам, влияющим на конструктивную прочность и несущую способность сварных конструкций, относятся собственные напряжения при сварке и деформации, в том числе остаточные, из-за которых конструкцию без переделки нельзя использовать. В отдельных случаях эти деформации могут привести к аварии.
Собственными называют напряжения, которые существуют в конструкции или элементе при отсутствии приложенных к ним поверхностных или объемных сил. Собственные напряжения возникают вследствие различных видов деформации металла - температурных, появляющихся при изменении температуры, или вследствие структурных превращений, визуальных, характеризующихся изменениями размеров тела - линейных и угловых и внутренних (упругих и пластических). Величина наблюдаемых деформаций равна сумме температурных и внутренних.
Классификация собственных напряжений. Собственные напряжения в зависимости от объема взаимно уравновешенных частиц тела подразделяют на напряжения I рода, которые уравновешиваются в макрообъемах (сварное соединение, сварной шов), II рода - уравновешиваются в пределах зерен металла и III рода - в пределах кристаллической решетки. Собственные напряжения в сварных соединениях относятся к напряжениям I рода.
В зависимости от характера напряженного состояния собственные напряжения могут быть одноосными или линейными, двухосными или плоскостными, трехосными или объемными. Образование в сварных соединениях того или другого вида напряжений зависит от характера нагрузки и толщины свариваемого металла.
По продолжительности существования собственные напряжения бывают временные, которые существуют в период выполнения процесса сварки термической обработки (технологического процесса), и остаточные, сохраняющиеся устойчиво в течение длительного периода после окончания процесса производства.
Причинами возникновения собственных напряжений могут быть либо механическое или пластическое деформирование при сборке, правке и монтаже, либо упругие и пластические деформации вследствие неравномерного нагрева при сварке или термообработке, либо структурные и фазовые превращения, сопровождающиеся неравномерным изменением объема.
Известно, что на теплофизические и механические свойства металлов влияют изменения температуры.
Распределение собственных напряжений в сварных соединениях весьма многообразно и трудно поддается регламентации и четкой классификации. Поля распределения напряжений изменчивы и зависят от большого числа факторов. Более или менее стабильный характер имеют остаточные собственные напряжения вдоль швов, в первую очередь, стыковых. Характер распределения остаточных напряжений и однопроходных сварных соединениях различных сталей с использованием различных сварочных материалов.
Распределение остаточных напряжений вблизи стыкового шва из низкоуглеродистой стали СтЗ толщиной 8 мм: Вблизи шва - растягивающие остаточные напряжения, которые соответствуют пределу текучести. Распределение остаточных напряжений в сварном соединении из среднелегированной стали, причем присадочный металл соответствует химическому составу основного. В этом случае шов и околошовная зона подвергались при нагреве и охлаждении структурным превращениям, которые и сопровождались значительным удлинением металла и завершились при сравнительно низкой температуре, поэтому в шве и околошовной зоне возникли напряжения сжатия. Несколько иная картина, если эту же сталь сваривают аустенитными электродами и наплавленный металл не претерпевает структурных превращений. В этом случае структурные превращения имеют место только в околошовной зоне, где и возникают остаточные напряжения сжатия, а растягивающие напряжения - в сварном шве.
В сварных швах большой толщины, выполненных многослойной дуговой или электрошлаковой сваркой, возникают сложные объемные остаточные напряжения. При многослойной сварке каждый очередной слой вызывает поперечную усадку и изгиб заваренной части, в результате чего, если сваривается жесткая конструкция, в корне шва могут появиться сжимающие напряжения, по величине превышающие предел текучести, а на поверхности - растягивающие, равные примерно его половине.
Рассмотрим деформации конструкций, вызванные сваркой и сопровождающиеся искажением размеров и формы элементов конструкции. Перемещения, которые происходят в конструкции в процессе сварки, зависят в первую очередь от конструктивных решений, принятых при проектировании, от технологии и режимов сварки, определяющих тепловые процессы, происходящие в конструкции. Расчет деформаций в сварных конструкциях производят в два этапа, на первом - находят деформации и перемещения в зоне сварных соединений, а на втором - перемещения в конструкции на основе методов, принятых в сопротивлении материалов.
При всем многообразии перемещений, встречающихся на практике в сварных конструкциях, их первопричиной является несколько видов деформаций и перемещений в зоне сварных соединений. К ним относятся:
Продольные остаточные деформации, создающие усадочную силу. Возвращаясь к рассмотренному выше примеру об образовании в стержне с защемленными концами остаточных напряжений и деформаций при нагреве и охлаждении, можно полагать, что в зонах сварного соединения, прилегающих к сварному шву и претерпевающих пластические деформации, появятся остаточные пластические деформации укорочения (отрицательные деформации). Напряжения сжатия, возникающие в сварном соединении, можно уравновесить силой, которая называется фиктивной усадочной силой.
Равномерные по толщине свариваемого элемента поперечные остаточные пластические деформации, которые в совокупности дают поперечную усадку. В зависимости от принятой технологии и режимов сварки принимают разные значения.
Неравномерные по толщине поперечные пластические деформации образуют угловое перемещение в зоне сварного соединения. Перемещения зависят от провара.
При перемещении в зоне шва в направлении перпендикуляра к поверхности свариваемых листов, в результате чего последние образуют смещение. Деформация таврового соединения носит название «грибовидности». Деформация тем больше, чем больше толщина полки тавра и катет сварного шва.
При сварке стыковых соединений с зазором одновременно образуется несколько видов перемещений. От неравномерного нагрева свариваемых пластин по их ширине, пластины изгибаются с раскрытием зазора. Остывание металла в зоне уже сваренного шва приводит к образованию перемещений в поперечном направлении, к сближению и повороту пластин, который стремится закрыть зазор. Кроме указанных перемещений могут возникнуть деформации, вызванные изменением объема металла при его структурных превращениях. Их действие и величину трудно бывает рассчитать заранее.
Характерными являются перемещения, возникающие при сварке балочных конструкций, имеющих, несмотря на различное назначение, общие особенности: относительно большая длина по сравнению с высотой и шириной, преимущественно тавровые швы - большой протяженности поясные и короткие, прикрепляющие ребра жесткости и диафрагмы.
При проектировании, изготовлении, транспортировке, монтаже и эксплуатации сварных конструкций необходимо учитывать нежелательные последствия, к которым в соответствующих условиях могут привести сварочные напряжения, перемещения и деформации. К ним можно отнести, например, искажение точных форм и размеров конструкций, потерю товарного внешнего вида, в результате чего необходимо применять дополнительные операции правки, которые приводят к непроизводительным потерям и удорожанию конструкций.
Более серьезное последствие - снижение технологической прочности, при которой в сварных соединениях под воздействием растягивающих сварочных напряжений появляются горячие или холодные трещины. В определенных условиях может возникнуть снижение статической прочности или потеря устойчивости сварной конструкции, что, в свою очередь, может привести к ее разрушению. Для конструкций, работающих в среде с повышенной агрессивностью, в случае растягивающих остаточных напряжений, возникает вероятность появления коррозионного растрескивания или усиления коррозионных процессов.
Таким образом, в целях повышения прочности и работоспособности сварных конструкций, а также соблюдения их формы и размеров, необходимо на стадиях проектирования, изготовления и монтажа этих конструкций принимать меры, направленные на максимальное уменьшение влияния сварочных напряжений, деформаций или на исключение возможности их появления.
Необходимо сформулировать основные положения. Необходимо уменьшить объем наплавленного металла и тепловложение в сварной шов, что позволит максимально уменьшить пластические деформации. Сварные швы располагать симметрично друг другу, не допускать по возможности пересечения швов, в особенности стыковых большой толщины. При разработке технологического процесса изготовления сварных конструкций предусматривать рациональную последовательность сборочно-сварочных операций, конструкции приспособлений и оснастки должны предусматривать возможность осуществлять в процессе сборки под сварку предварительные перемещения (деформации обратного знака, например) или приложение растягивающих продольных нагрузок на сварной шов. Осуществлять в процессе изготовления и монтажа конструкций механическую (проковка или прокатка сварных швов) или термическую обработку, в частности предварительный и сопутствующий нагрев, местный (стыки трубопроводов) или общий отпуск сварных конструкций.
На прочность сварных соединений оказывает влияние наличие и характер дефектов в сварных швах. Дефекты могут быть: явными (выявляемые визуально), скрытыми (выявляемые специальными методами контроля), допустимыми, исправимыми и неисправимыми. В случае проявления в сварном шве неисправимых дефектов он подлежит удалению (вырубке, вырезке). Из наиболее часто встречающихся дефектов при изготовлении и монтаже строительных металлоконструкций и трубопроводов к явным относятся дефекты формы шва (наплывы, натеки, утяжки), подрезы, прожоги, незаплавленные кратеры. Скрытые дефекты - поры, шлаковые включения, непровары и трещины. Разные нормативные документы по-разному квалифицируют отнесение дефектов к допустимым и исправимым. Так как дефекты в сварных соединениях приводят к уменьшению прочности и эксплуатационной надежности, то очевидно, чем больше относительный размер дефекта (в % от толщины свариваемого металла) и чем выше коэффициент концентрации напряжений дефекта (каждый дефект в сварном шве является концентратором), т. е. чем «острее» форма дефекта, тем более снижает дефект прочность сварного соединения, прочность конструкции. Во всех нормативных документах трещины отнесены к недопустимым дефектам. При небольших размерах трещин по длине и глубине дефект может быть исправлен путем засверливания концов трещины, вырубке ее и последующей заварки дефектного места.
Остальные дефекты относятся к допустимым, если их величина не превышает установленных нормативами размеров.
Различные дефекты при одинаковых размерах по-разному влияют на прочность соединений, так поры благодаря своим округлым формам менее опасны, чем шлаковые включения, так как последние - более активные концентраторы напряжений. Непровары корня шва являются тем большими концентраторами, чем меньший зазор был установлен при сборке стыка, и т. д.
Формализовать зависимость между прочностью соединения и характером дефектов в сварном шве не представляется возможным, поэтому нормативные документы по-разному устанавливают допустимость и нормы отбраковки дефектов в сварных швах. Во всяком случае влияние дефектов на прочность усиливается при работе сварных соединений при переменных нагрузках также в условиях низких температур.