Воздействие взрыва на сварные соединения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Воздействие взрыва на сварные соединения



Реферат

Пояснительная записка содержит 24 страницы, 5 рисунков, 1 таблицу, 21 формулу, 3 источника.

ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО, ДЕТОНАЦИЯ,ОБРАБОТКА ВЗРЫВОМ, СВАРНОЙ ШОВ, УСТАЛОСТНЫЕ ТРЕЩИНЫ, ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ.

В работе рассмотрен процесс взрывчатого превращения при действии взрывом на сварные швы металлоконструкций. Так же рассмотрены методика расчета параметров процесса и основные условия и материалы, использующиеся при воздействии взрывом на сварные соединения. Произведен расчет толщины стенки сферической взрывной камеры для процесса обработки взрывом сварных соединений.



Содержание

Введение

1. Влияние сварочных остаточных напряжений на служебные свойства соединений

2. Воздействие взрывом на сварные соединения

2.1 Снятие остаточных напряжений в кольцевых сварных швах осесимметричных конструкций

2.2 Улучшение эксплуатационных характеристик линейных швов сварных соединений листовых конструкций

3. Методика проектирования взрывных устройств, используемых для упрочнения взрывом

4. Расчет защитных сооружений на действие взрывных нагрузок

Заключение

Список используемых источников



Введение

Одним из основных факторов, которые во многом определяют работоспособность сварных металлоконструкций, является наличие сварных швов, которые отличаются по своим физико-химическим и структурным свойствам от основного металла.

Сварные соединения металлоконструкций характеризуются остаточными напряжениями и деформациями, а также зонами термического влияния швов сварных соединений (сварных швов). Сварочные остаточные напряжения существенно снижают предел выносливости конструкций и способствуют коррозионному растрескиванию сварных швов в активных средах. В сварных швах сосредоточены также различные дефекты -- поры, непровары, инородные включения, представляющие собой естественные концентраторы напряжений. Поэтому в большинстве случаев разрущение сварных конструкций происходит в сварных швах и зонах термического влияния.

Одним из перспективных способов улучшения качества, повышения надежности и долговечности сварных металлоконструкций является обработка взрывом сварных соединений. Локальное воздействие взрыва на сварной шов и околошовную зону при правильном выборе схемы нагружения и его параметров, обеспечивает существенное снижение остаточных напряжений, оказывает положительное влияние на физико-механические свойства металла в сварном шве[1].



1. Влияние сварочных остаточных напряжений на служебные свойства соединений

Наиболее уязвимое место сварной конструкции - зона сварного шва. В ней сосредоточены конструктивные и технологические концентраторы напряжений и дефекты, происходит термодеформационное старение металла. В этой зоне возникают металлургические и химические неоднородности и действуют высокие большие остаточные напряжения растяжения.

Если конструктивных и технологических дефектов можно избежать при рациональном проектировании сварных узлов, правильного выбора способов и осуществления качественной бездефектной сварки, то остаточные напряжения являются неизбежными. Они служат главным фактором, обуславливающим пониженную эксплуатационную надежность сварных соединений. Для устранения данных дефектов конструкции требуется послесварочная обработка соединений[1].

Сварка представляет собой процесс, протекающий в широком интервале значений температуры, существенно превышающих температуру плавления свариваемых металлов (до 4000 'С при дуговой сварке). Небольшой участок металла в течение короткого промежутка времени подвергается сильному нагреву. По мере движения сосредоточенного источника тепла нагреву подвергаются все новые объемы металла, тогда как в ранее нагретых местах значения температуры постепенно выравниваются. Распределение температур весьма неравномерно и в поперечном направлении по отношению к линии движения источника нагрева.

Высокие градиенты температуры обусловливают возникновение в соседних участках свариваемых элементов различий в изменениях объема, которые являются источником образования пластических деформаций, приводящих при остывании и усадке металла к появлению остаточных напряжений и деформаций. Существенное влияние на интенсивность остаточных напряжений и характер их распределения оказывают также структурные и фазовые превращения в металле шва и зоны термического влияния, изменение растворимости газов, старение и другие причины.

Сварочные остаточные напряжения относятся к разряду "внутренних" напряжений, существующих в сварной конструкции при отсутствии приложенных к ней внешних нагрузок. Причиной образования остаточных напряжений в сварном соединении после полного его охлаждения являются неравномерные пластические деформации, имевшие место при сварочном нагреве и последующем остывании металла.

Интенсивность и характер распределения этих напряжений в значительной степени зависят от способа и режима сварки, от теплофизических и физико-механических свойств материала. Особо заметное влияние на процесс образования сварочных деформаций и напряжений оказывает зависимость модуля упругости и предела текучести материала от температуры.

Характерная особенность остаточных напряжений -- это их уравновешенность, что предопределяет наличие в сварном изделии напряжений обоих знаков. В зависимости от размеров области, в пределах которой существуют и уравновешиваются остаточные напряжения, различают такие их виды: напряжения 1 рода, имеющие определенную ориентацию по отношению к основным осям изделия и уравновешивающиеся подобно напряжениям от внешних сил в объемах, соизмеримых с объемом всего изделия; напряжения 2 рода, уравновешивающиеся в пределах микрообъемов (отдельных кристаллитов), не зависящие от размеров и формы изделия и не имеющие определенной ориентации; напряжения 3 рода, уравновешивающиеся внутри ячеек кристаллической решетки[2].

Определение остаточных напряжений осуществляется различными аналитическими и экспериментальными методами. Большой прогресс в развитии расчетных методов определения этих напряжений достигнут в последнее время благодаря применению для этих целей методов математического моделирования с использованием вычислительной техники. Экспериментальное определение остаточных напряжений производится различными методами в зависимости от типа соединения и от того, насколько полной должна быть искомая картина их распределения. Эти методы подразделяются на механические (релаксационные) и физические. В основе релаксационных методов лежит измерение приращений упругих деформаций элемента напряженного тела, возникающих при полном или частичном освобождении его от окружающего металла вследствие нарушения условий равновесия остаточных напряжений. По измеренным деформациям, используя соотношения теории упругости, вычисляют эти напряжения. взрывчатый превращение металлоконструкция соединение

Достоинство физических методов заключается в том, что они не требуют повреждения или разрушения конструкции. Это такие методы как рентгеновский, ультразвуковой, магнитоупругий и другие.

К настоящему времени накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал, относящийся к природе остаточных напряжении, методам их устранения и измерения, а также к их влиянию на работоспособность сварных соединений. Научное и практическое значение изучения влияния остаточных напряжений на служебные свойства конструкции имеет много аспектов, в том числе устойчивость против коррозионного растрескивания, прочность при статических и переменных нагрузках, з также сопротивляемость сварных соединений хрупким разрушениям при низких температурах[2].

В связи с вышеизложенными трудностями, возникающими при сварке металлоконструкций, возникает необходимость устранения остаточных напряжений в сварном шве.

Одним из наиболее удобных и действенных методов является метод воздействия взрывом на сварной шов металлоконструкции.



2. Воздействие взрывом на сварные соединения

2.1 Снятие остаточных напряжений в кольцевых сварных швах осесимметричных конструкций

С связи со спецификой поведения металлов при кратковременном интенсивном нагружении, обратили внимание на взрывчатые вещества, как на один из возможных способов существенного улучшения свойств сварных соединений.

Снятие остаточных напряжений основано на известном положении, согласно которому нагружение сварного соединения взрывом должно вызвать в металле изменения напряженно-деформированного состояния, противоположные изменениям, возникшим при сварке.

Воздействие взрыва на сварной шов должно привести к локальному пластическому деформированию конструкции, достаточному для компенсации термопластичных ("усадочных") эффектов сварки, но не приводящему к разрушению конструкции в целом.

При расчете параметров нагружения кольцевых сварных швов осесимметричных металлоконструкций путем локального расширения оболочки обычно исходят из следующей простой схемы нагружения и деформирования оболочки (рисунок 1). Предполагается импульсный характер нагружения оболочки контактным взрывом заряда ВВ[1].

Рисунок 1 - Снятие остаточных напряжений в кольцевых сварных швах осе-симметричных оболочечных металлоконструкций с помощью локального нагружения взрывом внутри оболочки

В процессе нагружения оболочка мгновенно приобретает скорость:

; (1)

В формуле (1)

i - удельный импульс, переданный оболочке при взрыве заряда ВВ;

- плотность материала оболочки;

- толщина оболочки.

Запасенная на начальной стадии кинетическая энергия в последующем затрачивается на пластическое деформирование (расширение) кольцевой области оболочки.

Исходя из закона сохранения энергии при развитых пластических деформациях, можно определить перемещение стенки цилиндрической оболочки:

; (2)

где Y -- динамический предел текучести материала оболочки; R -- внутренний радиус оболочки.

Подставляя в это выражение соотношение для скорости V и принимая во внимание, что окружная деформация

,

получаем:

; (3)

Предельно допустимую деформацию обычно ограничивают величиной Исходя из этого ограничения, определяют максимально допустимый импульс нагрузки:

; (4)

Для определения требуемых размеров нагружающего заряда ВВ необходимо знать взаимосвязь между удельным импульсом i и размером (высотой) и детонационными характеристиками заряда. Воспользуемся для этого формулой 5:

; (5)

В формуле (5): и h - плотность и высота заряда соответственно; D - скорость детонации заряда ВВ.

Для нахождения максимально допустимой высоты заряда ВВ, контактный взрыв которого не разрушит оболочку металлоконструкции используют формулу (6):

; (6)

Нагружение оболочки изнутри не всегда возможно. Например, на трубопроводе взрывные работы могут проводиться, как правило, только после завершения монтажно-сварочных работ, когда доступ внутрь трубы уже невозможен. В этом случае остаточные напряжения растяжения в кольцевых сварных швах можно снять с помощью двух накладных кольцевых зарядов ВВ, расположенных снаружи трубы на некотором расстоянии от шва (рисунок 2) .

Рисунок 2 - Снятие остаточных напряжений в кольцевых сварных швах осесимметричных оболочечных металлоконструкций с помощью локального нагружения взрывом снаружи оболочки

В основу указанной схемы положен принцип создания путем нагружения взрывом окружных пластических деформаций сжатия в околошовных зонах, где действуют окружные остаточные напряжения сжатия. При достаточно интенсивном нагружении взрывом могут быть созданы остаточные прогибы трубы, большие, чем усадочные прогибы в околошовной зоне, что вызовет изменение знака окружных остаточных напряжений растяжения в шве. Максимально допустимая высота заряда ВВ в первом приближении может быть определена с помощью приведенного выше соотношения (6).

2.2 Улучшение эксплуатационных характеристик линейных швов сварных соединений листовых конструкций

Типичные схемы расположения зарядов ВВ при снятии остаточных напряжений растяжения в линейных сварных швах приведены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схемы обработки взрывом плоских линейных сварных швов:

а - линейная схема на основе полосового заряда ВВ; б -- линейная схема на основе шнуровых зарядов ВВ; в -- расположение шнурового заряда ВВ "змейкой"; 1 - заряд ВВ; 2 - листы металлоконструкции

В этом случае эффект улучшения рабочих характеристик сварного соединения обусловлен, во-первых, упрочнением материала шва при его ударно - волновом нагружении, во-вторых, созданием в поверхностном слое шва двухосных остаточных напряжений сжатия, Препятствующих распространению трещин. Экспериментально было установлено, что для снятия остаточных напряжений в сварном шве достаточно, чтобы давление ударной волны превышало упругий предел Гюгонио в 1,5--3 раза, т. е. для низкоуглеродистых сталей оно составляет 1,6...3,3 ГПа. При одностороннем расположении составленного из детонирующих шнуров заряда ВВ погонной массой 12 г/м удается модифицировать материал шва при толщине сварного соединения 8 < 30 мм. Для полного снятия остаточных напряжений растяжения в швах сварных соединений большей толщины

необходимо применение зарядов более мощных ВВ или двусторонней обработки взрывом[2].

Весьма эффективна обработка взрывом сварных швов в крупногабаритных оболочечных конструкциях, в пролетах металлических железнодорожных мостов, в трубопроводах, силовых рамах и ободьях колес мощных дорожно-строительных и карьерных машин. Имеется положительный опыт обработки взрывом сварных соединений технического титана ВТ 1-0 и коррозионностойких сталей аустенитного класса типа 1Х18Н10Т.

В таблице 1 представлено сравнение эффективности взрывной обработки и эффективности других видов обработки сварных соединений.

Таблица 1 - Эффективность повышения сопротивления усталости различными обработками сварных соединений

Номер	Вид обработки	Повышение пределов выносливости после обработки образцов, %
		Со стыковыми швами	С лобными швами	С фланговыми швами
		Rn= -1	Rn=0	Rn= -1	Rn=0	Rn= -1	Rn=0
1	Взрывная	20-35	15-30	75-90	40	120	75
2	Механическая	20-65	20-100	-	5-25	-	10-25
3	Электродуговая	50-90	-	50-80	-	-	-
4	Высокий отпуск	30-95	0	-	0	0-250	0-50
5	Статистическая перегрузка	20-50	-	-	-	-	45
6	Поверхностный наклеп	80-105	45	40-90	60	-	25-75
7	Точечный нагрев	-	-	-	-	20-60	70

В таблице 1 Rn= -1 соответствует симметричному нагружению на плоский изгиб опытных образцов, Rn=0 - пульсирующему нагружению.

Как видно из приведенной выше таблицы, взрывное воздействие на сварные соединения не всегда является наиболее эффективным. Основным его достоинством является универсальность. Данное воздействие можно применять ко всем видам швов, и практически ко всем видам металлов[2].

На рисунке 4 приведены примеры схем взрывного нагружения на образцы сплавов алюминия.

Рисунок 4 - Схемы обработки взрывом сварных соединений алюминиевых сплавов



3. Методика проектирования взрывных устройств, используемых для упрочнения взрывом

Упрочняемое изделие, заряд ВВ, система его инициирования, приспособления, опоры и основания, предохраняющие упрочняемое изделие от разрушения и деформирования, образуют взрывное устройство, элементы которого находятся в функционально-конструктивной связи.

Для достижения необходимого уровня упрочнения изделия и сохранения его от разрушения и чрезмерного деформирования необходимо правильно выбрать конструктивные характеристики взрывного устройства, тип ВВ и схему нагружения.

В техническом задании на проектирование взрывного устройства обычно задаются конструкция изделия, материал и его состояние, требуемый уровень повышения значений прочностных характеристик материала.

Ниже рассмотрены основные этапы проектирования взрывного устройства[1].

Одним из первых шагов проектирования схемы взрывного нагружения является анализ состояния материала изделия и определение необходимого диапазона значений давления ударной волны.

На начальном этапе проектирования, используя справочную литературу, следует проанализировать состояние материала изделия, его физико-механические характеристики.

Эти данные необходимы для того, чтобы по заданному уровню упрочнения рассчитать минимальное давление Рmin во фронте ударной волны.

Максимально допустимое давление определяется возможностью термического разупрочнения изделия после его разгрузки. Для определения этого давления необходимо построить зависимость остаточной температуры Тост от давления ударной волны. Температура Т материала, сжатого ударной волной, может быть определена с помощью соотношений (7),(8), (9):

; (7)

; (8)

; (9)

где u -- массовая скорость на фронте ударной волны; Еx -- упругая ("холодная") составляющая внутренней энергии материала; R-- универсальная газовая постоянная; М -- молярная масса; Сv -- удельная теплоемкость материала; a -- эмпирическая постоянная из линейного уравнения ударной адиабаты материала; -- начальное значение плотности материала; -- плотность материала, сжатого ударной волной; n= 3,0...3,2 для железа, титана и алюминия.

Температура материала после изоэнтропической разгрузки Tост может быть определена с помощью соотношения (10):

; (10)

где Г -- коэффициент Грюнайзена (для железа Г = 1,8...2,0; для алюминия Г = 2,16; для титана Г = 1,3); -- конечное значение плотности материала.

Максимальная амплитуда ударной волны Рмах определяется из условия Тост < 0,4Тплав, где Тплав -- температура плавления материала упрочняемой детали[1].

Следующим шагом проектирования является выбор схемы нагружения и типа ВВ.

Требуемый для упрочнения детали диапазон значений давления ударной волны определяет выбор одной из схем упрочнения. При этом необходимо иметь в виду, что упрочнение деталей с криволинейной поверхностью осуществляется, как правило, во фронте косой ударной волны, образованной при скользящей детонации тонкого слоя ВВ. Значения основных характеристик пластичных и эластичных ВВ, которые могут быть использованы для упрочнения взрывом, приведены в специальных справочниках.

Далее необходимо произвести Расчет параметров нагружения и толщины упрочненного слоя.

После выбора схемы нагружения осуществляется расчет следующих параметров: при контактном взрыве -- плотности и толщины заряда ВВ; при ударном нагружении -- толщины пластины-ударника; толщины метающего заряда ВВ. Далее определяются параметры ударной волны, ее затухание и толщина упрочненного слоя.

Затем следует операция выбора и конструирование системы возбуждения детонации. Составной частью системы возбуждения детонации является детонационный волновой генератор.

Разработка "ловушек импульса" и опор для предохранения от разрушения и пластического деформирования упрочняемой детали. Выполнению этого этапа проектирования должен предшествовать анализ возможных механизмов разрушения детали: отколы (лицевые, тыльные, угловые), разрушения сдвигом. На основании этого анализа конструируются "ловушки импульса" и рассчитываются их характеристики. На этом этапе проектирования разрабатываются основания и опоры, на которых располагаются упрочняемые детали. Опоры должны выдерживать многократное взрывание. Е

сли опорные поверхности упрочняемых деталей криволинейные, то в качестве материалов для опор целесообразно использовать металлическую дробь. Если обработка взрывом проводится во взрывных камерах, то опора должна амортизировать нагрузку на стенку (пол) взрывной камеры.

Компоновка и составление чертежа общего вида взрывного устройства -- завершающий этап проектирования.

Дополнительно к перечисленным этапам могут быть выполнены: расчеты безопасных расстояний (взрывание на открытых площадках), поверочные расчеты взрывных камер на прочность и др[1].



4. Расчет защитных сооружений на действие взрывных нагрузок

На производствах, где технологические процессы проходят с использованием взрывных технологий, встает проблема защиты людей и оборудования от поражающих факторов взрыва (ударная волна, осколки и т.д.).

Наиболее надежно эта проблема решается если источник взрыва находится внутри специального защитного сооружения, и действие взрыва полностью локализуется в самом сооружении.

Однако при проектировании защитных сооружений возникают серьезные затруднения, связанные с особенностями динамического расчета конструкций на действие этих нагрузок.

Защитные сооружения могут иметь различную форму, материалы и размеры, в зависимости от типа ВВ.

Наиболее практичными являются сооружения со сферической или цилиндрической формой стен[3].

Ниже приведен расчет сферического защитного сооружения от действия взрыва, для многократных подрывов зарядов ВВ с тротиловым эквивалентом до 5кг, диаметр D=8м, толщину стенки из стали марки Ст3 необходимо определить расчетом.

Находим собственную частоту радиальных колебаний по формуле (11):

; (11)

где r - радиус оболочки в метрах.

Время действия ударной волны вычислим по формуле (12):

; (12)

где С - масса заряда ВВ в кг; R - расстояние в метрах; k - коэффициент определяемый опытным путем.

Коэффициент k будет иметь значение k=1 при ; и k=1,2 при

По рисунку 5 определим значение показателя n.

Рисунок 5 - График для определения значений показателя n

Где 1 - ударная волна проходящая; 2- ударная волна отраженная

По графику (рисунок 4) находим, что n=2. Далее нужно найти эффективное время действия ударной волны:

(13)

; (14)

Расчет следует производить на воздействие переменного давления ударной волны. Давление на фронте волны найдем по формуле (15):

; (15)

;

Далее найдем давление отражения:

; (16)

Скорость фронта ударной волны у стенки:

; (17)

Далее находим длину волны:

; (18)

Согласно условию , наложения вторичной отраженной волны на первую не должно быть. Далее находим динамический коэффициент:

; (19)

Приняв напряжения в стенке равными , найдем максимальное радиальное перемещение:

; (20)



Далее получим выражение для определения толщины оболочки:

; (21)

Подставляя все значения в формулу (21) получим окончательную толщину стенки:

Таким образом, для построения сферического защитного сооружения от действия взрыва, для многократных подрывов зарядов ВВ с тротиловым эквивалентом до 5кг, диаметр D=8м, толщина стенки из стали марки Ст3 должна быть не менее 0,0039 метра.



Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены вопросы, касающиеся воздействия энергией взрыва на соединительные сварные швы металлоконструкций.

Была подробно рассмотрена и описана методика расчета параметров процесса обработки взрывом сварных швом металлоконструкций.

Были рассмотрены основные материалы и условия использующиеся при данном виде воздействия взрывом.

Был произведен расчет толщины стенки сферической взрывной камеры для произведения подрывов ВВ массой 5 кг в тротиловом эквиваленте на расстоянии до 8 метров. Толщина стенки составила 0,0039 метров.



Список используемых источников

1. Селиванов В.В., Кобылкин И.Ф., Новиков С.А., Взрывные технологии: Учебник для втузов / Под общей ред. В.В. Селиванова. -- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. -- 648 с.

2. Петушков В.Г., Применение взрыва в сварочной технике/ Под ред. Б.Е. Патона. - М.: Изд-во "Научная Мысль", Киев, 2005. - 749 с.

3. Шамин В.М., Расчет защитных сооружений на действие взрывных нагрузок. - М.: Стройиздат, 1989. - 72с.

Размещено на Allbest.ru