ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Сварочные напряжения и деформации и их влияние на прочность из "Сварные конструкции паровых и газовых турбин " Сварочные напряжения относятся к группе так называемых внутренних напряжений, существующих в изделии без приложения внешних сил. Внутренние напряжения возникают практически при всех технологических про-щёссах изготовления конструкций (литье, ковке, прокатке, сварке, механической и термической обработке), достигая в ряде случаев значительной величины (предела текучести) и вызывая заметные деформации изделий. Основными причинами их развития могут являться неравномерный разогрев изделия Б процессе изготовления, неравномерное распределение усилий, а также структурные изменения, приводящие к появлению в отдельных участках пластических или термопластических деформаций. Отличительной особенностью внутренних напряжений является их взаимная уравновешенность в пределах изделия. [c.59] Причинами возникновения сварочных напряжений являются неравномерность распределения температуры при сварке и жесткость свариваемых элементов, препятствующая свободному развитию тепловых деформаций и вызывающая возникновение пластических деформаций. При сварке закаливающихся сталей на развитие сварочных напряжений влияют также структурные превращения в шве и зоне термического влияния, сопровождающиеся изменением объема. В сварных соединениях разнородных сталей проведение термической обработки приводит к появлению нового вида термических внутренних напряжений, обусловленных разностью коэффициентов линейного расширения свариваемых деталей (п. 5 главы II). [c.59] Имеется ряд расчетных схем, позволяющих учитывать условия развития сварочных напряжений и характер их распределения. В настоящее время разработана общая теория сварочных напряжений и деформаций [52], [53], с помощью которой можно получить не только распределение остаточных напряжений в конструкции и определить ее деформации, но и оценить влияние различных факторов, от которых они зависят. [c.59] Большое число указанных факторов делает весьма сложным анализ работоспособности конструкции при наличии или отсутствии в ней сварочных напряжений. [c.60] На фиг. 26 приведены типовые эпюры распределения остаточных сварочных напряжений в пластине, сваренной из двух полос при отсутствии внешнего закрепления. В шве и прилегающей к нему околошовной зоне действуют направленные вдоль напряжения растяжения, достигающие значения предела текучести. Вдали от шва имеются уравновешивающие их напряжения сжатия. Распределение поперечных напряжений носит более сложный характер, но и в этом случае в пределах одного сечения действуют взаимоуравновешенные напряжения разного знака. [c.60] Как показано многочисленными исследованиями, в элементах конструкций изготовленных из пластичного материала, находящихся в вязком состоянии и работающих при статических и ударных нагрузках, остаточные сварочные напряжения не отражаются на прочности (сопротивлении разрушению) элементов конструкций. Их влияние в данном случае проявляется лишь в том, что наступление пластических деформаций в отдельных зонах может происходить при более низких нагрузках, чем в элементах, не имеющих сварочных напряжений. В конструкциях из хрупких материалов, а также из материалов пластичных, но находящихся в хрупком состоянии (например, при воздействии объемного напряженного состояния), сварочные остаточные напряжения могут влиять на прочность при статических и ударных нагрузках. [c.60] Три знакопеременной нагрузке влияние сварочных напряжений на прочность конструкции зависит от ряда факторов. Они практически не влияют на циклическую прочность конструкции в том случае, если материал находится в вязком состоянии и если в изделии отсутствуют конструктивные и технологические концентраторы напряжений. Сварочные напряжения могут снижать циклическую прочность при наличии повышенной концентрации напряжений, особенно в конструкциях из материала с пониженными пластическими свойствами. В то же время усталостная прочность может быть повышена созданием в конструкциях при помощи различных технологических процессов благоприятных остаточных напряжений. При анализе условий работы конструкции со сварочными напряжениями необходимо также учитывать, что в наиболее распространенных сварных соединениях из малоуглеродистой и низколегированных перлитных сталей участки шва и прилегающей к нему зоны термического влияния, где действуют напряжения растяжения., являются более прочными. [c.60] Приведенные соображения позволяют установить некоторые основные положения проектирования и изготовления сварных конструкций. Необходимо, во-первых, использовать в конструкции пластичные материалы, сохраняющие необходимую вязкость в условиях работы изделия. Во-вторых, следует принимать все меры к устранению, особенно в районе сварного стыка, концентраторов напряжений, обусловленных резким изменением формы сечения. В ряде случаев, когда установлено значительное влияние сварочных напряжений на прочность конструкции (в частности, в условиях воздействия коррозионных сред, вызывающих растрескивание металла), может применяться термическая обработка для снятия сварочных напряжений. Рекомендуемые режимы термической обработки в зависимости от марки свариваемой стали приведены в п. 2 главы V. [c.61] Для ряда сварных изделий необходимо также учитывать коробление в процессе механической обработки или эксплуатации конструкции. Снятие припусков при механической обработке изменяет напряженное состояние изделия и приводит к нарушению взаимной уравновешенности напряжений. Для перехода в новое равновесное напряженное состояние, необходимое по условию существования сварочных напряжений без приложения внешних сил, в конструкции должны пройти определенные деформации, вызывающие ее коробление. Величина указанного коробления относительно невелика и должна учитываться лишь-в изделиях повышенной точности с несимметричным расположением сварных швов (например, в диафрагмах, цилиндрах турбин и т. п.). В указанных случаях для стабилизации размеров желательно производить термическую обработку конструкции с целью снятия напряжений. [c.61] В последнее время разработан также метод ступенчатой механической обработки конструкции, позволяющий обеспечить необходимую стабильность размеров без проведения операции отпуска. В этом случае припуск на механическую обработку снимается в две ступени. Вначале снимается примерно % припуска, после чего деталь освобождается от ее крепления на станке и крепится вторично. Особое внимание обращается на то, чтобы усилия закрепления не сдеформировали деталь. Деформации вследствие перераспределения напряжений за счет снятия этого припуска обычно укладываются в величину оставшейся V4 общего припуска. Затем снимается оставшийся припуск. Вследствие его малой величины коробление изделия при этом является относительно небольшим и, как правило, укладывается в пределы допуска на точность конструкции. [c.61] В сварных конструкциях из закаливающихся сталей имеется также опасность коробления изделия в процессе длительного вылеживанйя или эксплуатации [54]. На фиг. 27 приведены кривые прогиба кольцевого образца диаметром 330 мм с наплавленным на его наружную кромку валиком в зависимости от длительности вылеживания. Сварные образцы закаливающихся при сварке сталей (12Х5МА, ЗОХГС и др.) подвержены значительным деформациям, идущим длительное время. Изменение деформации со временем носит характер затухающего процесса, причем в первые 10 суток накапливается около 75% годовой деформации. [c.61] Коробление сварных конструкций из закаливающихся сталей во времени обусловлено совместным протеканием в околошовной зоне двух процессов изотермического превращения остаточного аустенита в мартенсит, сопровождающегося увеличением объема, и распада мартенсита, вызывающего уменьшение объема. В сварных конструкциях из сталей, не подвергающихся закалке при сварке (например, малоуглеродистой или аустенитной), с течением времени коробление не происходит. [c.61] Возможность изменения размеров сварных изделий из закаливающихся сталей с течением времени определяет, очевидно, необходимость проведения термической обработки конструкции после сварки для устранения закаленных зон. Указанное требование совпадает с необходимостью повышения механических свойств сварного соединения. [c.61] Закрепление свариваемых деталей существенно изменяет напряженное состояние изделия (фиг. 28), вызывая появление реактивных напряжений, имеющих преимущественно знак растяжения. Суммарные напряжения от сложения реактивных и сварочных напряжений уже не уравновешены в пределах сечения, как это имеет место при действии сварочных напряжений, а имеют один знак, лишь несколько изменяясь по величине. Если при действии сварочных напряжений растянутые зоны имеют относительно небольшую ширину, то при наличии закрепления они распространяются на все сечение. [c.62] При сварке стыка тонкостенной трубы (фиг. 29, а) жесткость соединяемых деталей является сравнительно небольшой и возможность развития реактивных напряжений мала. Можно считать, что в подобном сварном стыке имеются лишь сварочные напряжения. [c.62] В отличие от этого, при сварке между собой дисков ротора (фиг. 29, б) деформация шва в процессе сварки затруднена вследствие жесткости примыкающих к шву дисков. В результате после сварки в перемычках между дисками неизбежно возникновение реактивных тангенциальных и осевых напряжений растяжения и изгиба. Подобно этому при вварке сопловой коробки во внутренний цилиндр (фиг. 29, в) также неизбежно возникновение реактивных тангенциальных и радиальных напряжений растяжения, обусловленных жесткостью стенки цилиндра. Появления реактивных напряжений следует ожидать, например, при сварке замыкающих стыков паропроводов и в ряде других случаев. Величина их обычно тем больше, чем меньше расстояние между закреплениями. [c.62] Наличие реактивных напряжений одгюго знака, не урановешенных в пределах сечения и распределенных по большой площади, обусловливает накапливание в изделии больших запасов скрытой потенциальной энергии и может снизить работоспособность конструкции. Можно предполагать, что скрытая энергия способствует прежде всего процессу разрушения. Поэтому, например, при наличии в изделии различных зародышевых дефектов в виде надрывов, трещин и других накопленная скрытая энергия реактивных напряжений может приводить к их раскрытию вплоть до полного разделения деталей. Самопроизвольные разрушения, происходящие при полном отсутствии приложенных нагрузок и имеющие характер взрыва, свидетельствуют об огромных запасах энергии, которая может накопиться в конструкциях или деталях конструкции. Разрушения от действия реактивных напряжений могут происходить в процессе как изготовления, так и эксплуатации конструкции. [c.62] Возможность снижения работоспособности конструкции при наличии в ней реактивных напряжений требует принятия ряда мер, обеспе-чивающих снижение их величины или полное снятие. [c.63] например, при сварке паропроводов необходимо принять меры к уменьшению до минимума числа жестких замыкающих стыков. С этой цельЮ паропровод должен быть разделен на отдельные плети, свариваемые в свободном состоянии. Длина этих плетей должна быть достаточно большой с целью уменьшения числа замыкающих стыков. Расположение последних должно выбираться с таким расчетом, чтобы обеспечить возможность свободного расширения и сжатия при сварке за счет гибкости свариваемых участков паропровода. [c.63] Вернуться к основной статье