Возникновение вторичных деформаций при механической обработке сварных конструкций

 

При механической обработке сварных конструкций вторичные деформации будут зависеть от величины снимаемого припуска и места расположения его. Так, при обрезке наружных кромок сварной пластины (рис. 5.4) на величину   произойдет ее укорочение на

,                  (5.8)

 

где D_цт – относительные деформации продольного укорочения элемента после сварки;

F и F' – площадь поперечного сечения пластины до и после обрезки соответственно.

 

В случае, если при механической обработке удаляется часть элемента, расположенная несимметрично по отношению к ЦТ сечения вне зоны f _t (рис. 5.5а), то происходит изгиб обработанной поверхности (рис. 5.5 б) со стрелкой прогиба, определяемой по формуле

 

                (5.9)

где f – стрелка прогиба элемента от сварки до механической обработки;

J и у' – соответственно момент инерции сечения и расстояние ЦТ шва от ЦТ сечения до механической обработки;

J ₀ и y'₀ – соответственно момент инерции сечения и расстояние ЦТ шва от ЦТ сечения после механической обработки.

 

Рисунок 5.5 – Вторичные деформации при мехобработке несимметричного элемента

Пример 1.

Сварной нефтепровод, геометрические характеристики сечения которого приведены на рис. 5.6, предназначен для работы под давлением 40 кгс/см².

Определить степень снятия остаточных напряжений растяжения y в трубопроводе после пробного испытания давлением 50 кгс/см². Материал трубопровода – сталь Ст3.

Решение.

Поскольку трубопровод имеет как продольные, так и кольцевые сварные швы, то и остаточные продольные напряжения будут действовать в двух направлениях (рис. 5.6). В шве и околошовной зоне шириной 2 b_T величина остаточных напряжений растяжения будет равна пределу текучести s_т ⁼ 2400 кгс/см² (см. табл. 2.1).

Известно, что под действием внутреннего давления в цилиндрической оболочке возникает двухосное напряженное состояние (рис. 5.6)

 

Подставив в приведенные формулы числовые значения, получим

 

 кгс/см²;

 кгс/см².

Эти напряжения являются внешними по отношению к остаточным. По зависимостям (5.4) определим величины остаточных напряжений растяжения после сброса внутреннего давления:

в продольном направлении

 

s'₁ = s_T – s_вн = 2400 – 1000 = 1400 кгс/см²;

 

в кольцевом направлении

 

s'₁ = s_T – s_вн = 2400 – 2000 = 400 кгс/см².

 

Таким образом, в результате пробного испытания трубопровода остаточные напряжения в нем уменьшатся:

в продольном направлении на

 

 %,

 

в кольцевом направлении на

 

%.

Пример 2.

Направляющие салазок, поперечное сечение которых изображено на рис. 5.7, после сварки (швы 1, 2, 3, 4) подвергаются механической обработке. Припуск на обработку указан перекрестной штриховкой на рис. 5.7.

 

Допускаемая стрелка прогиба обработанной поверхности равна 0,2 мм на длине 1 м. Катет сварных швов – 8 мм. Определить стрелку прогиба обработанной поверхности после удаления припуска, если длина направляющих равна 5 м. Материал всех элементов – сталь Ст3.

Решение.

Использовав известный прием, определим положение центра тяжести поперечного сечения направляющих до и после механической обработки. Не приводя здесь подробных выкладок, укажем, что эти величины соответственно будут равны (приняв ось трубы за начало отсчета) 128 мм и 100 мм (рис. 5.7). Момент инерции сечения относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести исходного сечения,

 

J_z = (J_k + F_k 12,8²) + 2 (J_р + F_p6,45²) + (Jл + F_л13,45²).

 

где J_k, J_p, J_л – моменты инерции кольца, ребра и листа относительно собственных осей соответственно;

F_k, F_p, F_л – площади поперечного сечения кольца, ребра и листа соответственно;

 

 см⁴_.

После удаления припуска под обработку центр тяжести сечения сместится (ось Z₀ Z₀), а момент инерции сечения относительно этой оси J _z0 = 38290 см⁴. Определим стрелку прогиба направляющих после выполнения всех швов, для чего воспользуемся формулами (3.2) (3.19), (3.25):

 

 

-0.36см=-3,6 мм

 

 

После механической обработки поверхности найдем стрелку прогиба ее по формуле (5.9). Учитывая, что выполняется несколько швов, формулу (5.9) запишем в таком виде:

 

 

где  и  – сумма расстояний от сварных швов до оси z₀z₀ и z₁z₁ соответственно.

Подставив численные значения в приведенную формулу, найдем

 

см = 0,65 мм.

Прогиб обработанной поверхности на одном погонном метре

 мм.

Таким образом, вторичные деформации направляющих, возникающие в результате механической обработки, не превышают предельно допустимой величины.

 

Контрольные вопросы

1. Опишите механизм возникновения вторичных деформаций, возникающих при первом нагружении сварной конструкции.

2. Опишите механизм возникновения вторичных деформаций, возникающих при механической обработке сварных элементов.

3. Как влияет величина снимаемого припуска при механической обработке и место его расположения на вторичные деформации?

4. Можно ли полностью предотвратить появление вторичных деформаций сварных конструкций?

5. Будут пи возникать вторичные деформации пластины, сваренной продольным швом, если её подвергнуть продольному сжатию? 

Лекция 6.
Методы уменьшения сварочных деформаций И НАПРЯЖЕНИЙ

 

План

6.1 Общие положения о методах уменьшения сварочных деформаций

6.2 Методы уменьшения деформаций изгиба

6.3 Методы уменьшения остаточных напряжений

 

Общие положения о методах уменьшения сварочных деформаций

 

Ранее были приведены расчетные методики определения сварочных деформаций и напряжений. Пользуясь ими, можно заранее оценить отклонения конструкции от проектных размеров при ее изготовлении, выявить влияние различных факторов на эти отклонения и наметить пути уменьшения или предотвращения нежелательных деформаций.

Прежде всего, следует четко определить из условий работы сварной конструкции, какие деформации и напряжения и в каких элементах конструкции недопустимы. Например, остаточные сварочные перемещения фундаментной балки в вертикальной плоскости жестко ограничены, в то время как в горизонтальной плоскости балка может иметь значительный изгиб. В опасных зонах сварной конструкции, работающей при переменных нагрузках, вредны остаточные растягивающие напряжения, но полезны сжимающие напряжения. Поэтому оптимальный метод уменьшения сварочных деформаций и напряжений должен выбираться в каждом конкретном случае с учетом особенностей сварной конструкции.

В зависимости от того, на каком этапе производства сварной конструкции применяются методы уменьшения сварочных деформаций и напряжений, они делятся на конструктивные и технологические. В свою очередь технологические методы уменьшения сварочных деформаций и напряжений можно разделить на методы предупреждения и методы устранения. Первые используются на этапе изготовления конструкции, т.е. во время ее сборки и сварки, вторые - после сварки.

Основным технологическим приемом предупреждения общих сварочных деформаций является выбор последовательности сборки и сварки конструкции. Технолог, владея расчетным методом определения сварочных деформаций, может рассмотреть несколько технологически возможных вариантов и выбрать наиболее оптимальный, обеспечивающий требуемую точность размеров конструкции при минимальной трудоемкости.