Продольная и поперечная усадки. Меры борьбы с усадкой и ее сварочными напряжениями.

Усадка происходит при остывании металла. Металл становится более плотным, его объем уменьшается, и в сварном соединении возникают внутренние напряжения.

Из-за продольных напряжений изделие коробится в продольном направлении, а поперечные – приводят к угловым деформациям – короблению в сторону большего объема расплавленного металла (рис. 5.2).

Сварка металлов протекает в широком интервале температур, при этом интенсивному нагреву подвергаются шов и околошовная зона, а удаленные от шва участки могут вовсе не подвергаться нагреву.

Нагрев приводит к изменению как физических, так и механических характеристик металла, с этим при сварке необходимо считаться. Поэтому рассмотрим, как изменяются свойства низкоуглеродистой стали в зависимости от температуры испытания.

Мероприятия по уменьшению собственных напряжений при сварке можно разделить на конструктивные и технологические. Грамотный подход к конструированию сварных соединений и правильное расположение швов в сварной конструкции ведет не только к облегчению изготовления конструкции, но способствует также снижению собственной напряженности.

 Рис. 5.1. Деформации металла при неравномерном нагреве:а – нагретая зона; б – охлажденная зона

К конструктивным мероприятиям относятся:

1. Выбор основного металла и электродов для изготовления проектируемой конструкции. Основной металл не должен иметь склонности к образованию закалочных структур при остывании на воздухе. Электроды должны давать наплавленный металл, пластические свойства которого не ниже пластических свойств основного металла. Это, в первую очередь, относится к связующим швам, сечение которых под действием внешней нагрузки работает совместно с основным металлом.

2. Недопускается скопление швов и их пересечение, особенно в конструкциях, которые при эксплуатации будут работать на ударную и переменную нагрузку, в целях уменьшения плоскостных и объемных напряжений

3. Недопускается применение сварных швов, образующих небольшие замкнутые контуры, например вставка латок, приварка усилений, так как это увеличивает плоскостную напряженность.

4. Недопускается применение косынок, накладок и т.д., так как все это ведет к увеличению плоскостных напряжений. Количество швов должно быть, по возможности, минимальным, а их сечение не должно превышать заданных проектом размеров.

                                                                              а                                                                б

Рис. 5.2. Литейная усадка расплавленного металла: а – деформации от поперечной усадки; б – деформации от продольной усадки

5. При расстановке ребер жесткости следует располагать их таким образом, чтобы при сварке нагреву подвергались одни и те же места основного металла (рис. 5.3), так как это уменьшает поперечную усадку стенки, а следовательно, и всей конструкции.

                                                                                     а                                                          б 

Рис. 5.3. Расстановка ребер жесткости: а – правильно; б – неправильно

6. Применять преимущественно стыковые швы, которые являются менее жесткими и у которых концентрация силовых напряжений значительно меньше, чем в угловых швах.

7. В стыковых соединениях деталей разной толщины в целях более равномерного нагрева и провара стыкуемых кромок, а также равномерного распределения силового потока следует скашивать кромку листа, имеющего большую толщину, как показано на рис.5.4.

а                                                          б

Рис. 5.4. Сварка в стык пластин различной толщины: а – правильно; б – неправильно

     8. При проектировании сложных сварных конструкции необходимо предусматривать возможность изготовления их в виде отдельных сварных узлов, которые потом будут соединены в целую конструкцию. Это уменьшает влияние связей на усадку швов и снижает плоскостную напряженность.

     9. В сварных конструкциях, состоящих из деталей сложной конфигурации, необходимо применять штампованные и литые узлы, которые свариваются с остальными деталями всей конструкции.

     10. Расположение швов не должно затруднять применение механизированных способов сварки, повышающих качество наплавленного металла, производительность работ и уменьшение внутренних напряжений в сварных швах.

     11. В обязательном порядке предусматривать и проектировать специальные сборочно-сварочные приспособления и кондукторы, обеспечивающие точность сборки и правильную последовательность сварочных работ.

     12. Технологические мероприятия в процессе сварки могут быть самые разнообразные, это зависит от характера соединений и начальных условий. Их можно подразделить на мероприятия, проводимые в процессе сварки, и мероприятия, проводимые после сварки. Основными из них являются следующие.

     1. Выбор правильного теплового режима сварки в части нагрева основного металла. Как правило, для уменьшения пиков остаточных напряжений и во избежание трещин при сварке свободных деталей, и особенно закаливающихся сталей, тепловой режим сварки целесообразно повышать, чтобы увеличить объем разогреваемого металла и уменьшить этим скорость остывания. При сварке больших толщин и закаливающихся сталей целесообразно выполнять предварительный подогрев.

     Наоборот, при сварке в стык жестко закрепленных деталей в целях избежания трещин и разрывов следует стремиться к уменьшению поперечной усадки и применять пониженные тепловые режимы. Сварку закрепленных деталей большой толщины следует производить многослойными швами, причем вначале осуществлять наложение слоев попеременно по кромкам разделки, а затем заполнять середину шва. Применять для этого следует электроды, дающие наплавку с повышенными пластичными свойствами.

     2. Выбор правильной последовательности наложения швов Порядок наложения отдельных швов должен быть таким, чтобы свариваемые детали находились в свободном состоянии, особенно это относится к стыковым швам, у которых большая поперечная усадка. Поэтому в первую очередь свариваются стыковые швы, а затем угловые. Так, при сварке двутавровых балок вначале завариваются стыки полок и стенки, а затем поясные швы. При сварке цилиндрических резервуаров вначале сваривают стыки каждого пояса, а затем сваривают пояса между собой.

     Сварку каждого шва в отдельности необходимо выполнять напроход или от середины к краям, но ни в коем случае не варить от краев шва к его средине. Прихватки при сборке или закреплении, создаваемые ранее наложенными швами, должны находиться от места стыка на расстоянии не менее 0,5 м. Нельзя ставить прихватки на пересечении швов.

     3. В целях снижения поперечной усадки необходимо уменьшать зазоры в стыковых швах. Сварку производить с глубоким проваром корня шва. Процесс сварки вести быстро, чтобы остывание по толщине и длине шва было более равномерным. В этом отношении большие преимущества имеет автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом.

     4. Швы больших сечений целесообразно выполнять в несколько слоев. При многослойной сварке частично производится постепенный отпуск ранее наложенных слоев и уменьшается объем металла, в котором остаточные напряжения растяжения достигают высоких значений. Многослойные швы, особенно при сварке жестких деталей, рекомендуется выполнять с перевязкой слоев. Длина участков должна быть 50–70 мм, чтобы металл одного слоя не остыл до наложения последующего.

     5. В целях уменьшения влияния жестких связей, создаваемых швами, и удобства автоматизации сварки рекомендуется узлы сваривать отдельно, а потом соединять их в целую конструкцию.

     6. Место сварки должно быть защищено от атмосферных осадков, холода и сквозняков. Чем выше температура окружающей среды, тем равномернее и медленнее происходит остывание шва и снижение собственных напряжений. Сварка на морозе, на сильном ветре, сквозняке часто приводит к трещинам.

     7. Точность сборки гарантирует равномерное сечение швов и уменьшает пики напряжения от поперечной усадки в отдельных участках шва.

     8. Применение кондукторов для сборки и сварки способствует понижению напряжений. В кондукторах с зажимами, позволяющими взаимное перемещение деталей при усадке швов, напряжения понижаются. В кондукторах с жесткими закреплениями тоже наблюдается некоторое снижение напряжений. Несмотря на то, что в процессе наложения швов остаточные напряжения в силу жестких связей остаются большие, однако затем, после снятия с кондуктора, они снижаются. Действие жестких кондукторов подобно предварительному растяжению, которое, как известно, ведет к снижению остаточных напряжений. Если при сборке конструкции ставились прихватки, то в процессе сварки они должны быть хорошо проварены.

     9. Предварительный подогрев изделия и поддержание его в процессе сварки снижает собственные напряжения. Предварительный подогрев создает более равномерное распределение тепла по сечению изделия при остывании шва. Подогретый перед сваркой металл остывает одновременно с остыванием шва, и усадка шва не встречает препятствий со стороны прилегающих зон основного металла. Даже подогрев до 150…200 °С часто обеспечивает сварку больших толщин углеродистых и легированных сталей без появления трещин. Лучше предварительный подогрев производить до более высоких температур. Подогрев рекомендуется применять при сварке сталей с со-держанием углерода более 0,3 %. Подогрев является целесообразным и при сварке больших толщин из низкоуглеродистой стали.

     10. При заварке трещины, с целью выявления области распространения, необходим предварительный подогрев и выполнение засверловки ее концов.

     К технологическим мероприятиям по уменьшению деформации, проводимым в процессе сварки, относятся следующие:

     1. Режим сварки должен быть выбран таким, чтобы ширина активной зоны была возможно меньше. Для этого следует повышать скорость сварки, чтобы удельная энергия нагрева была меньше. Для равномерного нагрева металла по толщине целесообразно повышать плотность тока, чтобы провар металла был глубоким. Глубокий провар поясных швов тавровых и стыковых соединений ведет к выравниванию поперечной усадки по толщине шва и уменьшению угловой деформации.

     В некоторых случаях при выполнении второго из двух симметричных относительно оси изделия швов целесообразно повышать режим сварки в целях увеличения активной зоны, чтобы усилиями второго шваполностью устранить прогиб, вызванный наложением первого шва.

     2. Наложение швов вести в таком порядке, при котором деформирование от предыдущего шва ликвидируется обратной деформацией после наложения последующего шва.

     3. При обратноступенчатом методе сварки деформация меньше, так как внутренние усилия, порождаемые усадкой на участках шва, действуют на сравнительно небольшие области металла и на соседнихучастках они направлены в противоположные стороны.

     4. Проковка швов в процессе сварки заметно уменьшает деформации. Проковка уплотняет шов путем расплющивания остывающего слоя наплавки и в результате уменьшает действие усадки шва. Последний облицовочный слой шва проковывать не рекомендуется, чтобы не вызвать появления трещин на поверхности шва.

     5. Предварительный подогрев всего свариваемого изделия ведет к понижению остаточных напряжений и уменьшению остаточных деформаций.

     6. Искусственное охлаждение разогретого металла путем теплоотводящих подкладок или при помощи проточной воды уменьшает активную зону и снижает продольную усадку. Однако такое мероприятие при одностороннем действии может вызвать неравномерность нагрева по толщине металла и способствовать появлению угловой деформации.

     7. Для устранения прогиба применяют предварительный выгиб свариваемых изделий. Пластический обратный выгиб перед сваркой ограничивает изгиб после окончания сварки. Действие момента от усадочного усилия при сварке уравновешивается упругим противодействием волокон удаленного от шва края изделия, в которых при предварительном выгибе образовались пластические деформации сжатия.

     8. Стыки тонколистовых соединений резервуаров и оболочек целесообразно сваривать на магнитных стендах. Магнитные стенды, хотя и не препятствуют поперечной усадке в плоскости листов, зато удерживают листы от поворота и уменьшают угловую деформацию.

     9. При сварке тонких листов по замкнутому контуру средняя область листа, подвергаясь всестороннему сжатию от действия усадочных усилий вдоль шва, выпучивается от потери устойчивости. Во избежаниевыпучивания целесообразно перед сваркой произвести местный подогрев средней области листа, т. е. нагрев места листа, в котором ожидается вершина выпучивания.

     10. В целях уменьшения коробления и появления волнистости на неприваренной (свободной) кромке широкого листа при приварке его кромки какой-либо детали у свободной кромки прихватывают временные жесткости в виде уголков или полос, которые после сварки удаляют.

     11. Сварка деталей в закрепленном положении и сварка в кондукторах снижает остаточные деформации.

     12. В целях устранения выпучивания или волнистости вследствие потери устойчивости тонколистовых элементов сварной конструкции весьма эффективным мероприятием является предварительное растяжение тонких листов и приварка их в растянутом состоянии к другим элементам конструкции. В результате остаточные напряжения осевого сжатия значительно уменьшаются и явление потери устойчивости устраняется. 

          33. Болтовые соединения. Размещение болтов и конструирование болтовых соединений. Расчет болтовых соединений на растяжение и сдвиг.

Болтовые соединения повсеместно применяются при ведении монтажных работ, которые не предполагают использование услуг по сварке. Основной тип болтовых соединений - соединение на накладках или внахлестку. В основном в строительстве применяют многоболтовые соединения.

По принципу работы болтовые соединения можно разделить на следующие типы: соединения, в которых отсутствует или возникает сдвиг между соединяемыми элементами. К первому типу соединений относят крепление на болтах повышенной, нормальной и грубой точности, ко второму - крепление на высокопрочных болтах. Различия между болтами первого вида заключается в различных требованиях к точности производства и способам образования отверстий.

Прочность болтовых соединений зависит как от типа болтов, материала из которого изготовлены они и соединяемые конструкции, так и от метода образования отверстий. Выделяют три способа их образования: сверление, при котором обеспечиваются гладкие края отверстий, продавливание в прессах можно назвать более технологичным методом и продавливание с последующим рассверливанием до необходимого диаметра. Следует отметить, что при использовании метода продавливания в прессах на поверхности изделия появляются заусенцы, наклепы и надрывы металла.

Болты грубой точности производят с допуском по диаметру до ±1 миллиметра и крепят в отверстия с зазором не более 3 мм. В болты нормальной точности допускается наличие отклонения от номинального диаметра до -0,52 миллиметров. В данном случае диаметр отверстий для принимается на 2 мм больше, чем номинального диаметра болтовых соединений. Соединения получаются деформативными. Благодаря наличию зазоров болты достаточно легко монтируются даже при различии центров отверстий. Учитывая этот фактор болты нормальной и грубой точности в основном используют как временные фиксирующие изделия в различных сварных соединениях или как постоянные для установки и закрепления второстепенных конструкций. Данные конструкции производят из стали, при небольших усилиях в креплении они обладают пределом текучести до 380 МПа.

При изготовлении болтов повышенной точности допуском по диаметру может достигать до -0,3 мм и монтируется в отверстия с зазором до 0,5 миллиметра. Отверстия данного типа можно получить сверлением трех видов. Сверлением по кондукторам, на проектный диаметр, а так же сверление или продавливание меньшего диаметра отверстия с дальнейшим рассверливанием до необходимого размера. Соединения, полученные в следствие использования данных болтов отлично работают на сдвиг за счет высокой плотности установки в отверстиях. Следует отметить, что из-за сложности в обеспечении совпадения отверстий болты повышенной прочности в настоящее время применяются не часто, их вытесняют высокопрочные аналоги.

Наиболее часто используются болты диаметром равным 12-24 мм с градацией 2 мм, которые относятся к классу прочности 4.6 или 5.6. Такие болты используются для скрепления блок хауса. Их длина составляет 40-200 миллиметров. Соединения и крепления на болтах грубой, нормальной и повышенной точности в основном работают на сдвиг и достаточно редко на растяжение. При применении методики сдвига все усилия направляются со стенок отверстия на болт. Процесс сдвига в различных соединениях приводит к перерезыванию болта по площадкам среза и последующему смятию стенок отверстия по поверхности их соприкосновения со стержнем болта.

В последнее время более актуальным становиться использование высокопрочных болтов. Такая технология используется при производстве технологических поддонов. Соединения, полученные благодаря применению данных изделий отличаются тем что прочность конструкции за счет крепления достигается благодаря трению между поверхностью сплачиваемых элементов.

Монтаж болтов осуществляется специализированным оборудованием – механическими ключами с динамометром. Данное устройство позволяет контролировать уровень напряжения болтовых соединений. Важным моментом при использовании высокопрочных болтов является повышения коэффициента трения плоскостей. Это возможно достичь благодаря предварительной чистке и обработке соединяемых поверхностей различными способами. Наиболее эффективным является технология химической и пневматической обработки, при которых возможно вдвое увеличить уровень трения. Так же применяют методы механической и ручной обработки, обработки растворами кислот или песком.

При конструировании соединения следует стремиться к наилучшей передаче усилия с одного элемента на другой кратчайшим путем при одновременном обеспечении удобства выполнения соединения.

В стыках и узлах прикрепленной (для экономии материала накладок) расстояние между болтами и заклепками должно быть минимальным.

В слабо работающих – связующих, конструктивных соединениях расстояние должно быть максимальным, чтобы уменьшить количество болтов и заклепок. Болты и заклепки располагают в соединении по прямым линиям – рискам, параллельным действующему усилию.

Расстояние между смежными рисками называется дорожкой, а расстояние между двумя смежными по риске болтами или заклепками – шагом.

Расстояние между центрами болтов и заклепок приведено в справочной и нормативной литературе. Минимальное расстояние определяют условиями прочности основного материала. Максимальное расстояние определяют устойчивостью сжатых частей элементов в промежутках между болтами и заклепками или условием плотности соединения растянутых элементов во избежания попадания в щели влаги и пыли, способствующих коррозии элемента. При конструировании болтовых и заклепочных соединений следует стремиться к симметричной передачи усилий в соединение.

При применении односторонних накладок или соединений в нахлестку силовой поток в соединениях перестает быть симметричным, искривляется и в соединении возникает дополнительный момент, поэтому расчетное число заклепок в таких соединениях следует увеличить на 10%.

Также ухудшается работа соединения, если усилие, с одного элемента на другой передается не непосредственно, а через прокладки или дополнительные коротыши. В этом случае общее количество заклепок на коротышах увеличивают на 50% по сравнению с расчетом.

Если конструкция подвержена воздействию подвижных или вибрационных нагрузок, то в ее болтовых соединениях предусматривают меры против откручивания гаек: постановка контргаек, расчеканка резьбы болта либо приварка гайки к стержню болта.