Меню

Что такое концентрация напряжения сварка

Концентрация напряжений и деформаций в сварных соединениях

Общие положения

Под концентрацией напряжений понимают резкое местное увеличение напряжений в местах изменения формы деталей (различные проточки, резьба, отверстия и т.д.). В сварных соединениях концентрацию напряжений вызывают нахлестки, усиления и т.д., а также технологические дефекты (поры, шлаковые включения, особенно трещины и непровары) Влияние концентрации напряжений на прочность конструкций, в том числе и сварных исключительно велико. Это основной фактор снижающий прочность конструкции.

Рассмотрим предварительно распределение напряжений в пределах упругих деформаций на полосе шириной а, ослабленной круглым небольшим отверстием диаметром d (Ошибка! Источник ссылки не найден., а).

При у=d/2, σ’=3σ, т. е. теоретический коэффициент концентрации КТ=σ’/σ=3. При y=2d, σ’=1,04σ, т. е. приближается к единице.

Рис. 5.1 Концентрация напряжений: а — в полосе е круглым отверстием; б — в полосе с эллиптическим отверстием; в — распределение σ в упругой стадии, г — распределение σ в пластической стадии нагружения.

В случае эллиптического отверстия (Ошибка! Источник ссылки не найден. б) теоретический коэффициент концентрации напряжений в пределах упругих деформаций

При с→0 КT→∞. Это решение не точно, так как при малых значениях деформаций, вызванные внешними силами, оказывают существенное влияние на форму отверстия и формула Ошибка! Источник ссылки не найден. не выполняется.

Указанные местные напряжения в зоне концентрации не опасны для прочности в конструкциях из пластичных металлов при статических нагрузках. Поясним это положение.

Диаграммы растяжения пластичного металла нередко схематизируются. Их приближенно заменяют двумя прямыми: наклонной, выражающей зависимость напряжения от деформаций в упругой области, и горизонтальной. Горизонтальная прямая показывает, что при ε→εТ деформация протекает пластически, без увеличения нагрузки, приложенной к испытуемому элементу.

Вернемся к рассмотрению эпюры напряженной полосы, ослабленной отверстием (Ошибка! Источник ссылки не найден., в). Напряженное состояние в сечении А—А близко к одноосному. Допустим, что около отверстия напряжение достигло значения σТ,. Это соответствует деформации εТ,. При увеличении нагрузки деформации возросли, но напряжения в зоне, где ε> εТ (Ошибка! Источник ссылки не найден., г), как это следует из схематизированной диаграммы растяжения, остаются равными σТ. Эпюра станет изменять свою форму и выравниваться. Приближенно можно принять, что она примет очертание, близкое к прямоугольному (Ошибка! Источник ссылки не найден., д), что и было положено в основу расчета прочности по элементарным формулам.

Сглаживание эпюры напряжений в пластической стадии, рассмотренное на конкретном примере, является закономерным процессом, имеющим место во многих элементах конструкций из пластичных сталей (низкоуглеродистые и низколегированные) при одноосных напряженных состояниях (а иногда и многоосных). Однако концентрация напряжений существенно снижает прочность при переменных нагрузках; в случае ограниченной пластичности металла и при статических нагрузках.

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.

Дата добавления: 2016-05-25 ; просмотров: 2194 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник



Напряжения в сварных соединениях и конструкциях от рабочих нагрузок , страница 2

В случае эллиптического отверстия (рис. 1.1,б) коэффициент концентрации напряжений в пределах упругих деформаций

ασ=1 + 2b/с.(1.2)

При с → О ασ ∞. Это решение является приближенным, так как при малых значениях с деформации, вызванные внешними силами, оказывают существенное влияние на форму отверстия и последняя формула не выполняется, но оно дает правильную качественную картину.

Рис. 1.1 Концентрация напряжений: а) — полоса с круглым отверстием; б) — полоса с эллиптическим отверстием; в) — распределение σ в упругой стадии

Упругие решения дают очень большие коэффициенты концентрации напряжений. Например, можно показать, что ασ

, а при ρ → 0 (трещина) ασ → °о, как и по формуле (1.2). На практике, как будет показано в разделе 1.4, картина несколько смягчается за счет протекания пластических деформаций.

1.2. Причины концентрации напряжений в сварных конструкциях

Концентрацию напряжений в сварных конструкциях вызывают три группы причин.

1. Нерациональные очертания швов и сварных соединений. На основании данных теории упругости и экспериментальных данных установлено, что очертание швов оказывает большое влияние на распределение в них напряжений от внешней нагрузки. Например, в месте перехода от основного металла к шву напряжения возрастают. Кроме того, в тавровых соединениях без полного проплавления образующийся конструктивный непровар может являться опасным концентратором напряжений. Эти и другие случаи будут рассмотрены далее.

Читайте также:  Датчик кислорода ваз 2114 какое должно быть напряжение

Рис, 1.2 Нахлестанное соединение а) — рациональное, б) — нерациональное

2. Нерациональное конструктивное оформление. На рис. 1.2 изображено нахлесточное сварное соединение. Точки А и В будут являться концентраторами напряжений. Как было сказано ранее, коэффициент концентрации напряжений аσ зависит от радиуса концентратора р. В точке В (рис. 1.2,6) этот радиус меньше, поэтому аσбудет иметь большее значение чем в точке А (рис. 1.2,а).

3. Технологические дефекты шва — газовые пузыри, шлаковые включения и, особенно, трещины и непровары. Возле этих дефектов, при приложении нагрузок, силовые линии искривляются, в результате образуется концентрация напряжений. Особенно опасны трещины, имеющие радиус, стремящийся к нулю.

1.3. Концентрация напряжений в различных типах сварных соединений

1.3.1.Стыковые соединения

В стыковых соединениях со снятым усилением и обработанными гладкими поверхностями швов, не имеющими внутренних дефектов — непроваров, трещин, пор, шлаковых включений, напряжения от продольной силы Р распределяются по поперечному сечению соединяемых элементов равномерно (концентрация напряжений отсутствует) и определяются по формуле

где / — длина шва, δ — толщина свариваемых пластин.

Когда поверхность имеет форму, показанную на рис. 1.3, а, распределение напряжений по сечению становится неравномерным. На рис 1.3, 6, показано распределение напряжений в стыковом соединении при 2v = 13 мм и Dδ= Змм (рис. 1.3, а). Зоны шва, сопряженные с основным металлом,

Рис. 1.3 Распределение напряжений в стыковом шве испытывают концентрацию напряжений. Средние напряжения на оси шва несколько меньше напряжения в основном металле вне соединения.

Теоретическим путем установлено, что концентрация напряжений в зоне стыкового шва может иметь три причины:

1. Концентрация напряжений, определяемая очертанием шва. Назовем этот коэффициент концентрации коэффициентом формы αф Он зависит от величины

Источник

Деформации и напряжения при сварке

Содержание:

  1. Что являют собой напряжения и деформации
  2. Почему образуются деформации и напряжения
  3. Виды деформаций и напряжений
  4. Тестирование сварных швов и расчет деформаций
  5. Способы устранения сварочных напряжений
  6. Способы устранения деформации
  7. Как предотвратить возникновение напряжений и деформации
  8. Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям
  9. Интересное видео

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.

Фото: деформации от поперечной усадки

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;

  • неравномерный прогрев. В процессе сварки нагревается только задействованный участок металла, при этом он расширяется и оказывает влияние на менее нагретые слои. Образующаяся вследствие прерывистого прогрева высокая концентрация напряжений в сварных соединениях в основном зависит от показателей линейного расширения, степени теплопроводности и температурного режима. Чем выше эти показатели, тем меньшей является теплопроводность металла и соответственно возрастают риски неточностей сварочном шве;
  • литейная усадка, когда объем металла заметно уменьшается из-за его кристаллизации. Объясняется это тем, что в расплавленном металле под влиянием усадки образуется сварочное напряжение, которое может быть одновременно поперечным и продольным.
Читайте также:  Определить для усилителя коэффициент усиления по напряжению

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:

  • отклонение от технологических нормативов, например, использование не подходящих для конкретного случая электродов, нарушение режимов сварки, недостаточная подготовка изделия к сварочному процессу и другие;
  • несоответствие конструктивных решений: частое пересечение между собой сварных соединений или недостаточное расстояние между ними, неточно подобранный тип шва и т. д.;
  • отсутствие опыта и соответственных знаний у сварщика.

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.

Характер возникновения Тип напряжения Чем вызвано нарушение
В соответствии причины появления Тепловые Неравномерный прогрев из-за перепада температур в процессе сварки
Структурные Изменения в структуре металла при нагревании его выше предельно допустимой температуры
По времени существования Временные Образуются при фазовых видоизменениях, но постепенно исчезают вследствие охлаждения
Остаточные Даже после ликвидации причин их появления присутствуют в изделии
По охватываемой площади Действующие в пределах всей конструкции
Действующие только в зернах структуры материала
Присутствующие в кристаллической решетке металла
По направленности действия Продольные Образуются вдоль линии сварочного шва
Поперечные Располагаются перпендикулярно к оси соединения
По виду напряженного состояния Линейные Только в одном направлении распространяется действие
Плоскостные Образуются в двух разных направлениях
Объемные Оказывают одновременно трехстороннее воздействие

Фото: виды напряжений при сварки

Виды деформаций при сварке бывают:

  • местные и общие. Первые возникают на отдельных участках и изменяют только часть изделия. Вторые проводят к изменению размера всей конструкции и искривлению ее геометрической оси;
  • временные и конечные. Возникающие в конкретный момент сварочные деформации называют временными, а те, которые после полного охлаждения изделия остаются в нем — остаточными;
  • упругие и пластичные. Когда после сварки размер и форма конструкции полностью восстанавливаются, деформация упругая, если дефекты остаются — пластичная.

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:

  • разрушающий. Позволяет исследовать физические качества сварного шва, активно применятся на производственных предприятиях;
  • неразрушающий. Проводится посредством внешнего осмотра, капиллярного метода, магнитной или ультразвуковой дефектоскопии, контролем на проницаемость и другими способами.

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.

Фото: деформация при сварки

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.

Читайте также:  Что такое максимальное значение напряжения

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:

  • при проектировании сварной конструкции сперва нужно провести расчет сварочных деформаций, что позволит правильно сформировать сечения швов и предусмотреть на отдельных участках изделия необходимые для усадки припуски;
  • швы нужно выполнять симметрично к профильным осям всего изделия и отдельных его деталей;
  • очень важно, чтобы в одной точке не было пересечений более чем трех швов;
  • перед свариванием конструкцию необходимо проверить на соответствие расчетам величин зазоров в стыках и общих размеров;
  • понизить остаточную деформацию можно, если создать в соединении искусственную деформацию, противоположную по знаку от выполняемой сварки. Для этого применяется общий или местный подогрев конструкции;
  • при выполнении длинных швов применять обратноступенчатый способ на проход;
  • использовать теплоотводящие прокладки или охлаждающие смеси, способные уменьшить зону разогрева;
  • накладывать швы таким образом, чтобы последующее соединение вызывало обратные от предыдущих швов деформации;
  • подбирать для вязких металлов такие сварочные техники, которые способны понизить конечные деформации.

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.

Фото: противодействия деформации и напряжениям при сварки

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

В течение всего процесса сварки обрабатываемые детали необходимо жестко и прочно закреплять в кондукторах. Вынимать можно только после полного охлаждения. Следует обратить внимание, что у такого метода есть один недостаток — повышенные риски появления внутренних напряжений.

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