Распределение сварочных напряжений в сварных соединениях

Размещено на http://www.allbest.ru/

17

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Технология нефтяного аппаратостроения»

Реферат на тему:

«Распределение сварочных напряжений в сварных соединениях»

Выполнил: студент группы МС-07-01 Низаев М. С.

Проверил: преподаватель Каретников Д.В.

Уфа 2010

Содержание

Введение

1. Основные понятия

2. Распределение сварочных напряжений

Вывод

Список использованных источников

Приложение

Введение

Сварка вызывает искажение размеров и формы элементов сварных конструкций, их укорочение, изгиб, потерю устойчивости, закручивание. Эти искажения выражаются в перемещениях, которые зависят от формы сварной конструкции, расположения швов в ней, толщины металла. Многообразные виды перемещений сварных конструкций порождаются относительно небольшим числом видов деформаций и перемещений, возникающих в зоне сварных соединений. Деформации и перемещения в зоне сварных соединении зависят от количества теплоты, вводимого при сварке, распределения температур, свойств свариваемого металла.

1. Основные понятия

Расширение и сокращение металла от неравномерного нагрева или охлаждения, а также от структурных превращений образуют так называемые собственные, или внутренние деформации и напряжения при сварке. В отличие от напряжений и деформаций, создаваемых нагрузками, собственные напряжения и деформации существуют в теле при отсутствии каких-либо нагрузок.

В теории сварочных деформаций и напряжений принято использовать расположение осей координат, показанное на рис. 1.

Рис. 1. Расположение координатных осей в пластине

Собственные напряжения -- это такие напряжения, которые существуют в теле при отсутствии приложенных к нему поверхностных или объемных (инерционных, гравитационных) сил.

Чтобы более ясно понимать причины образования собственных напряжений, рассмотрим различные виды деформаций металла.

1. Температурные деформации ?_? вызваны изменением размера частиц тела при изменении температуры. К температурным деформациям условно относят также деформации, возникающие в процессе структурных превращений:

(1)

где ? -- средний коэффициент линейного расширения в интервале изменения температуры от 0 до Т. включающий в себя и влияние структурных превращений, °С^-1;

Т -- изменение температуры в какой-либо точке тела, °С.

Сдвиговые температурные деформации ?_? в изотропных телах не возникают.

2. Наблюдаемые деформации ?_н и ?_н характеризуют изменения размеров тела -- линейных и угловых, которые можно зарегистрировать измерительными приборами. В теории упругости и пластичности их называют деформациями, не присваивая им никакого индекса.

3. Собственные (внутренние) деформации состоят из упругих ?_упр, ?_упр и пластических ?_пл, ?_пл.

Указанные виды деформаций связаны между собой следующими соотношениями:

(2)

Если до процесса нагрева или охлаждения в точке тела возникли начальные пластические деформации ?_0пл и ?_0пл, вызванные предшествующими деформациями, то формулы (2) и (3) примут следующий вид:

(3)

где ??_пл и ??_пл -- приращения пластических деформаций на стадии рассматриваемого процесса.

Собственные напряжения классифицируются по различным признакам. По причине, их вызвавшей, они делятся на напряжения от упругого или пластического механического деформирования при сборке, монтаже и правке; от упругих и пластических деформаций из-за неравномерного нагрева деталей; от неравномерного изменения объема тела при фазовых превращениях. По времени существования они могут быть временными, существующими в период выполнения технологической операции или протекания физического процесса, и остаточными, устойчиво сохраняющимися в течение длительного периода. Собственные напряжения бывают одноосными (линейными), двухосными (плоскостными) и трехосными (объемными). В зависимости от объема, в пределах которого напряжения взаимно уравновешены, они называются напряжениями первого рода (макрообъем), второго рода (зерно) и третьего рода (кристаллическая решетка).

2. Распределение сварочных напряжений

Современные представления о распределении собственных напряжений в сварных соединениях сложились на основе экспериментальных и расчетных данных. Поля этих напряжений крайне многообразны и изменчивы от случая к случаю. Наиболее стабильный характер имеют остаточные напряжения вдоль швов ?_х. В образцах толщиной до 15--20 мм, сваренных за 1--3 прохода плавлением, структурные превращения в которых завершаются при высоких температурах, распределение напряжений имеет вид, показанный на рис. 2. В низкоуглеродистых и аустенитных сталях максимальные напряжения ?_х наблюдаются в шве и вблизи него. Они примерно равны пределу текучести. В титановых и алюминиевых сплавах максимальные напряжения могут составлять (0,5 -4- 0,8) ?_Т, а иногда и ниже. Более высокие напряжения возникают при сварке мощными источниками с высокой скоростью. В зоне, несколько меньшей зоны пластических деформаций, действуют растягивающие напряжения. За пределами этой зоны напряжения обычно сжимающие и мало меняются по ширине пластины. Из-за искривления пластин во время сварки или от изгиба напряжения ?_х вдалеке от оси шва могут быть близкими к нулю или даже растягивающими.

Структурные превращения, если они происходят при температурах ниже 300--400 °С, существенно изменяют характер напряжений в зоне пластических деформаций (рис. 3). Центральная часть -- шов и околошовная зона -- испытала при нагреве и остывании структурные превращения (рис. 3, а), которые завершились при низкой температуре и сопровождались существенным удлинением металла. Здесь возникли напряжения сжатия. При сварке таких сталей аустенитными электродами в шве возникают растягивающие напряжения (рис. 3, б); в околошовной зоне, где произошли структурные превращения, имеются напряжения сжатия.

сварочный деформация собственный напряжение

Рис. 2. Распределение остаточных напряжений ?_х вблизи шва сварных пластин:

а -- ннзкоуглероднстая сталь СтЗ (s = 8 мм);

б -- аустеннтная сталь 12Х18Н9Т (s = 2 мм);

в -- титановый сплав ОТ4 (s = 1,5 мм);

г -- алюминиевый сплав АМг6 (s = 10 мм)

Рис. 3. Характер распределения остаточных напряжений в однопроходных сварных соединениях среднелегированных сталей, испытывающих структурные превращения:

а -- присадочный металл совпадает с основным металлом;

б -- присадочный металл -- аустенитная сталь

В большей части зоны пластических деформаций, где структурные превращения не возникали, действуют напряжения растяжения. За пределами зоны пластических деформаций в основном металле в таких сталях продольные напряжения a_xt как правило, сжимающие, но могут быть растягивающими (показано на рис. 3, а пунктирной линией), если вклад зоны сжатия в центральной части весьма значителен.

Все рассмотренные закономерности распределения напряжений ?_х в стыковых соединениях полностью относятся к соединениям с угловыми швами, выполненными за 1--5 проходов, -- нахлесточным, тавровым и угловым.

Помимо продольных в сварных однопроходных соединениях возникают также поперечные ?_у и касательные ?_ху напряжения. Значительные касательные напряжения ?_ху образуются в местах высоких градиентов напряжений ?_х и ?_у, т. Е. по концам швов.

Рис. 4. Остаточные напряжения в швах большой толщины:

а -- при многослойной сварке;

б -- при электрошлаковой сварке плиты толщиной s = 700 мм

В швах большой толщины остаточные напряжения зависят от способа выполнения шва и последовательности укладки слоев. В многослойных сварных соединениях из низкоуглеродистых сталей напряжения ?_х в шве близки к ?_т. Распределение напряжений ?_у в V-образном соединении, которое сваривалось в свободном состоянии, показано кривой 1 на рис. 4, а. Напряжения ?_ч в корне шва при толщинах более 40--60 мм велики из-за большой пластической деформации при угловом перемещении. Каждый очередной слой вызывает поперечную усадку и изгиб заваренной части, создааяя в корне шва растяжение. Если шов выполняется на пластинах, которые не могут поворачиваться, то каждый новый слой будет вызывать в корне шва только сжатие. В результате появятся большие сжимающие напряжения ?_у > ?_т в корне шва и растягивающие ?_п ? 0,5 ?_т на поверхности (кривая 2 на рис. 4, а).

Электрошлаковая сварка, выполняемая за один проход, вызывает в образцах толщиной более 150--200 мм объемные напряжения в глубине металла (рис. 4, б). Все три компонента напряжений при этом растягивающие, на поверхности ?_х и ?_у -- сжимающие.

Такой характер напряжений объясняется сопротивлением основного металла усадке зоны сварного соединения как в продольном направлении, так и по толщине, а также неравномерностью распределения температур при сварке: в глубине металл нагрет сильнее, а на поверхности из-за теплоотдачи -- слабее. При остывании центральная часть сокращается сильнее и в ней возникает трехосное растяжение.

Круговые швы на плоскости, с помощью которых вваривают различные круглые элементы (рис. 5, а), имеют осесимметричное распределение напряжений, за исключением зоны встречи начала и конца шва. В таком соединении следует различать три основных зоны: внутреннюю 1, среднюю 2 и внешнюю 3. Зона 2 шириной 2b_п соответствует зоне растягивающих напряжений обычного прямолинейного шва; в ней действуют высокие окружные напряжения ?_t2, близкие к пределу текучести (рис. 5, б). Вследствие уравновешенности напряжений ?_t2 с напряжениями ?_r при r = r₁ и

Рис. 5 - Распределение напряжений в сварных соединениях с круговыми швами

r = r₂ в пределах ширины кольца 2b_П (рис. 5, а, б) радиальные напряжения ?_r=r2, действующие на внешнюю зону 3, всегда больше напряжений ?_r=r1, действующих на внутреннюю зону. В низкоуглеродистых и аустенитных сталях зона 2 находится в состоянии пластической деформации, что соответствует условию пластичности

(4)

На рис. 5, б схематично показано несколько возможных распределений (/, //, ///) эпюр напряжений ?_r2и ?_t2 в зоне 2. Напряжения ?_t2 и ?_r=r2 всегда растягивающие, а напряжение ?_r=r1 может быть и растягивающим, и сжимающим. Это зависит от соотношения поперечной усадки в направлении r и окружной усадки. Поперечная усадка соединения вызывает растягивающие напряжения ?_r и в области 1, и в области 3 (рис 5, в); окружная усадка вызывает в области 3 растяжение напряжением ?_r3, а в области 1 -- сжатие. При малых размерах зоны 1 действие поперечной усадки преобладает над окружной усадкой и в области 1 имеем растягивающие напряжения. Аналогичная картина наблюдается, если зона 1 представляет собой жесткое тело (бобышку) или фланец диаметром до 100--200 мм. Сжимающие напряжения ?_r1 в зоне 1 возникают при относительно малой жесткости области 3, например при приварке узкого кольца. Окружное сокращение почти полностью передается на область 1.

Точечные соединения имеют осесимметричное распределение напряжений (рис. 6). При остывании центральной части в ней возникают растягивающие напряжения с равными компонентами ?_r.= ?_t =?_T. На некотором расстоянии окружные напряжения ?_t становятся сжимающими. Значения радиальных напряжений убывают примерно по закону 1/r², оставаясь растягивающими. В низкоуглеродистых сталях зона двухосного растяжения соответствует участку, нагревавшемуся выше температуры 150--200°С. При стыковой контактной сварке стержней продельные (по оси) напряжения на поверхности сжимающие, а в глубине металла все три компонента растягивающие.

Таким образом, рассмотрение остаточных напряжений в основных видах сварных соединений показывает, что максимальные растягивающие напряжения, как правило, близки к пределу текучести. В некоторых случаях они превышают ?_T (корни многослойных швов, участки в глубине электрошлаковых соединений).

Рис, 6. Остаточные напряжения а_г и (Т/ в точечных сварных соединениях

Пластические деформации металла при сварке в отсутствие концентраторов напряжений составляют 1--2%. При наличии концентраторов--непроваров, несплавлений, шлаковых включений -- пластические деформации могут быть настолько значительны, что будет существенно исчерпываться деформационная способность металла, в некоторых случаях даже наступать его разрушение. При сложении остаточных напряжений с рабочими часто возникают небольшие пластические деформации, которые в подавляющем большинстве случаев не влияют на прочность.

Вывод

В сварных соединениях распределение напряжений неравномерно -- имеет место их концентрация, т. е. образование значительных напряжений на участках малой протяженности. При эксплуатации оборудований изготовленных с применением сварки необходимо учитывать этот факт.

Список использованных источников

1. Николаев Г.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций: Учеб. пособие. -- М.: Высш. школа, 1982. -- 272 с.

2. Волченко В.Н. 3.Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. I. Свариваемость материалов. -М.: Металлургия, 1991, с. 528.

3. Информационный портал http://www.svarkainfo.ru

4. Неровный В. М. Теория сварочных процессов. - М.: «МГТУ им.Н. Э. Баумана», 2007.-752с.

Приложение

(54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ СНЯТИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МЕЛАЛЛОВ И СПЛАВОВ

(57) Реферат:

1. Ультразвуковой способ снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов и сплавов путем воздействия ультразвука на околошовную зону в процессе сварки, отличающийся тем, что для повышения эффективности снятия остаточных напряжений, а также повышения однородности структуры и прочностных свойств металла сварных соединений в процессе автоматической сварки орбитальным сварочным автоматом ультразвуковые преобразователи устанавливают и прижимают к поверхности объекта сварки в зоне термического влияния вдоль сварного шва на расстоянии друг от друга, равном зоне эффективного воздействия ультразвука каждого из ультразвуковых преобразователя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения возможности снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов и сплавов большой протяженности в зоне термического влияния сварного соединения устанавливают два ультразвуковых преобразователя, один из которых поочередно прижимают к поверхности объекта сварки, а второй перемещают в направлении движения сварочного электрода и прижимают к поверхности объекта сварки на расстоянии, равном зоне эффективного воздействия ультразвука первого преобразователя.

(54) СПОСОБ СНЯТИЯ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТОРОИДАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ОБОЛОЧКОВОГО ТИПА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для устранения остаточных сварочных напряжений в тороидальных конструкциях оболочкового типа методом опрессовки. Устройство содержит корпус (2), элемент для подачи внутрь корпуса рабочего агента (5), ложемент (1), элементы для крепления корпуса к ложементу (6) и прижимные муфты (3). Корпус (2) устройства выполнен тороидальным и состоит из металлического полого полукольца и четверти полого кольца, приваренного к одному из торцов полукольца. Прижимные муфты (3) размещены по краям корпуса (2) для крепления обрабатываемой конструкции (4) с образованием замкнутого тороидального корпуса, внутрь которого подают рабочий агент. Обеспечивается равномерное воздействие давления на весь корпус, в том числе и на обрабатываемый элемент, что упрощает снятие остаточных сварочных напряжений. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Размещено на Allbest.ru