Общие сведения о сварочных напряжениях и деформациях

Контрольные вопросы.

1. Что рассматривает физическая химия?

2. Понятие киломоли или моли?

3. Число Авогадро?

4. Что такое термодинамическая система и термодинамические процессы?

5. Понятие обратимых и необратимых термодинамических процессов?

6. Первый закон термодинамики?

7. Закон Лавуазье-Лапласса?

8. Второй закон термодинамики?

9. Условия развития металлургических процессов при сварке.

10. Влияние режимов сварки на металлургические процессы.

11. Что такое шлаковая фаза?

12. Понятие коэффициента основности?

13. Газовая фаза?

14. Испарение металла?

15. Окисление металла.

16. Перечислить отрицательные воздействия окисления.

17. Способы борьбы с последствиями окислительных процессов?

18. Растворение газов в жидком металле.

19. Способы легирования металла сварного шва?

20. Понятия раскисления и рафинирования металла шва?

21. Понятие ликвации и её отрицательные свойства?

22. Строение металла околошовной зоны.

23. Что такое зона термического влияния (ЗТВ)?

Неравномерный высокотемпературный нагрев элементов конструкций при сварке вызывает появление в них деформаций и напряжений. По мере распространения тепла и выравнивания температуры происходит непрерывное изменение деформаций и напряжений в различных точках свариваемых деталей, т. е. изменение полей этих величин [8]. В отличие от температурного поля, которое исчезает после полного остывания конструкции, поле напряжений не исчезает, так как процесс его образования при сварке является необратимым. Поэтому после полного остывания в сварных конструкциях имеются остаточные деформации и напряжения. Деформации и напряжения, которые изменяются в процессе нагрева и остывания конструкции пи сварке, называют временными. Когда временные деформации и напряжения завершают свои изменения, они становятся остаточными.

Временные деформации и напряжения оказывают существенное влияние на процесс образования сварного соединения. Их изучение необходимо, в частности, для решения вопросов, связанных с так называемой технологической прочностью, т. е. с прочностью металла в процессе сварки конструкции, например, для выяснения причин появления горячих трещин. Более подробно причины образования деформаций и напряжений в судовых конструкциях и методы их предупреждения и устранения будут рассмотрены в курсе «Управление качеством».

Классификация сварочных напряжений и деформаций. Напряжения, возникающие при сварке, относятся к собственным напряжениям. Поэтому прежде чем дать классификацию сварочных напряжений, необходимо рассмотреть классификацию собственных напряжений и выяснить их отличительные признаки.

Собственными напряжениями называются напряжения, существующие в конструкции при отсутствии внешних нагрузок (при резании металла, шлифовании, гибке и т. д.).

Собственные напряжения делят на макро- и микронапряжения. Их отличие состоит в скорости изменения напряжений по пространственной координате. Если в пределах размера зерна металла напряжения изменяются незначительно, то они могут быть отнесены к числу макронапряжений или напряжений первого рода.

Микронапряжения или напряжения второго рода претерпевают резкие изменения в пределах зерна. Они связаны с анизотропией кристаллов. Сварочные напряжения относятся к собственным макронапряжениям. Собственные макронапряжения бывают одноосными, двухосными и трёхосными.

Так как собственные напряжения имеются в теле при отсутствии действия внешней нагрузки, то они должны быть взаимно уравновешены как по сумме сил, так и по сумме моментов сил:

ΣP = 0; ΣМ = 0.

Собственные напряжения двузначны. Растягивающие усилия уравновешиваются сжимающими усилиями. Сварочные напряжения могут быть также классифицированы по следующим признакам:

1. по времени существования – временные и остаточные;

2. по направлению действия – продольные и поперечные (поперёк шва);

3. по причине, вызвавшей появление напряжений – температурные и структурные (при сварке легированных и закаливающихся сталей);

4. по характеру действия – активные и уравновешивающиеся напряжения.

Деформации, вызывающие искажения формы и размеров всего элемента или судовой конструкции получили название общих сварочных деформаций (укорочения в поперечном и продольном направлениях, изгиб (стрелка прогиба) в тех же направлениях;

Деформации, распространяющиеся только на отдельные участки (элементы конструкции) получили название местных сварочных деформаций (потеря устойчивости, угловые деформации, домики, ребристость и пр.).

Общие сведения о статической прочности сварных соединений. В составе конструкций корпуса судна основными видами сварных соединений являются соединения стыковые и тавровые и соответственно сварные швы стыковые (12 – 15% от общей протяжённости сварных швов) и швы тавровых соединений, которые чаще называют угловыми швами (85-887%) [1, 4].

Все стыковые швы являются, как правило, швами прочноплотными, т.е. обеспечивающими прочность и плотность всего корпуса. Внешняя нагрузка, воспринимаемая корпусом судна, действует в любой момент времени на стыковые швы в такой же степени. как и на основной металл, поэтому при назначении размеров стыковых швов следует исходить из того, что их прочность должна быть не ниже прочности основного металла.

Равнопрочность металла шва обеспечивается применением соответствующих толстопокрытых электродов, а также сварочной проволоки, флюсов и других материалов, используемых при сварке. Стыковой сварной шов имеет в своём составе, так называемое, утолщение – усиление шва определенной высоты, которое также вовлекается в работу по обеспечению прочности всего сварного соединения.

Долю участия металла утолщения в восприятии внешней нагрузки можно оценить некоторым коэффициентом φ, с учётом которого прочность сварного соединения определяется уравнением:

Ϭ_вом · δ = (δ + 2h · φ) Ϭ_вш, 5.1.

Где Ϭ_вом и Ϭ_вш – пределы прочности основного металла и металла шва, Па;

δ – толщина листа, мм;

h – высота утолщения шва, мм;

hφ – коэффициент, определяемый по графикам Рис.174 работы [4, стр.405].

Для угловых швов корпуса условия нагружения таковы, что только небольшая часть их должна иметь сечения, равные сечению основного металла. Преимущественная же часть угловых швов корпуса играет роль соединительных малонагруженных швов, размеры которых нужно выбирать в зависимости от действующей нагрузки. Следует заметить, что наличие ЗТВ никак не сказывается на прочности сварного соединения. Более подробно о расчёте на прочность сварных соединений можно рекомендовать литературу [ 1,4 ].

Усталостная прочность основного металла и сварных соединений зависит от многих факторов, среди которых необходимо выделить основные:

- характеристика цикла усталостной нагрузки;

- состояние поверхностей и геометрия сварного соединения;

- наличие остаточных сварочных напряжений;

- применение термической обработки сварных соединений или конструкции в целом и др. менее значимые факторы. Как правило, проведение тепловой правки конструкций не приводит к существенным изменениям механических свойств судостроительных марок сталей за исключением высоколегированных марок.