Деформации в конструкциях балочного типа

Характерной особенностью сварной конструкции балочного типа является их относительно большая длина (может исчисляться метрами, десятками метров, а для пролетных сооружений зданий, мостов - сотнями метров) по сравнению с высотой и шириной, поясные швы вдоль всей длины, наличие поперечных швов. (Рис. 9.18). Поперечные швы выполняются вследствие того, что прокат, как правило, имеет мерную длину, и обеспечение требуемой длины балки ведет за собой необходимость стыковки элементов.

Рис. 9.18 Пример сварной конструкции балочного типа

При сварке конструкций балочного типа возникают два вида деформаций: продольное укорочение и прогиб (Рис. 9.19).

Рис. 9.19 Расчетная схема тавровой балки

Для их нахождения используют понятие усадочной силы. Усадочная сила вызывает укорочение , которое находим из закона Гука

(9.1)

где Pусад - усадочная сила;

F - поперечное сечение балки;

- деформация балки, мм;

- напряжение, возникающее в балке.

Откуда

(9.2)

Поскольку длина балки может достигать больших размеров, то большой величины могут достигать и продольные укорочения, вызванные усадочной силой.

Эксцентричность приложения усадочной силы относительно центра тяжести сечения (Рис. 9.19) приведет к возникновению изгибающего момента, равного

,

(9.3)

где e - эксцентриситет приложения усадочной силы относительно центра тяжести сечения.

В результате действия изгибающего момента появляется прогиб (Рис. 9.20), определяемый по формуле

(9.4)

где I - момент инерции сечения относительно оси.

Рис. 9.20 Прогиб конструкции балочного типа

Рис. 9.21 Конструкция балочного типа с поперечными швами, расположенными перпендикулярно оси балки

Отрезка полос от листа (термическая) так же сопровождается изгибом. После остывания прогиб можно определить по тем – же правилам, что и для балок.

Если в балках имеются несимметрично расположен-ные продольные и попереч-ные швы, то из-за большой длины возникают значитель-ные прогибы.

Поперечными швами соединяются отдельные элементы поясов (шов №1 Рис. 9.21) и стенок (шов №2 Рис. 9.21). Если поперечный шов соединяет два листа на стенке, то общая длина балки уменьшится на величину поперечной усадки. Поперечная усадка шва, соединяющего два пояса, также сокращает длину, но только одного из поясов. При этом, если полки уже приварены к стенкам поясными швами, а поперечные швы расположены несимметрично, например только на верхней полке (Рис. 9.21), то поперечная усадка поперечных швов вызовет изгиб всей балки. Оценить угол загиба можно расчетным путем.

Так, если шов укладывается на верхнюю полку, то в балке действует усилие, приложенное к центру тяжести верхнего листа.

(9.5)

где Fп - площадь поперечного сечения полки;

- поперечная усадка.

Верхняя полка получает продольное укорочение, зависящее от величины поперечной усадки:

(9.6)

Усилия в верхней полке , с которым сваренные пластины притягиваются друг к другу, будет уравновешиваться напряжениями в нижней полке. В результате соединение получит изгиб

Угол загиба определяется из соотношений

;

,

(9.7)

где - угол, на который изгибается ось балки.

Поскольку - статический момент полки относительно общего центра тяжести Sn , то

(9.8)

Таким образам, поперечный шов на полке вызывает местное ускорение и излом ее оси на угол .

При сварке таврового шва, так же как при сварке стыковых соединений возникают деформации в направлении поперечном,

Рис. 9.22 Деформация “грибовид-ность” балки таврового типа

Рис.9.23 Загиб полки относи-тельно стенки при сварке без жесткой фиксации полки

направлению сварного шва: поперечная усадка и, если прогрев был неравномерным по толщине из за разности усадочных сил, к изгибу (Рис. 9.22). При этом, если тавровое соединение надежно зафиксировано, то деформации появляются после съема с фиксирующего приспособления.

Если жесткой фиксации в приспособлении не осуществляется, то полка относительно стенки может свободно перемещаться и получить смещение (Рис.9.23). Причем это смещение вдоль длины шва будет разным. Это объясняется тем, что жесткость на загиб полки относительно стенки при незакрепленной полке определяется длиной шва. Вначале выполнения шва жесткость мала, и даже небольшие усилия могут приводить к существенным деформациям. При окончании сварки шва, он уже оказывает сопротивление деформации, и, вследствие большей жесткости, деформации будут значительно меньше.

В балках под действием усадочной силы из-за недостаточной жесткости конструкции может возникать потеря устойчивости в виде различного рода закручивания вдоль продольной оси (Рис. 9.24). При сварке симметричных швов 1 и 3; 4 и 2 (Рис. 9.24 б) в одном направлении, деформации изгиба от действия усадочной силы будут друг из друга вычитаться, а при сварке в противоположных направлениях - складываться. Поэтому при сварка симметричных швов в противоположных направлениях может вызвать большое закручивание балки.

а)	б)
Рис. 9.24 Крутильная форма потери устойчивости: а) в крестообразной балке; б) в двутавровой балке

Закручивание может возникать вследствие неодновременной поперечной усадки: 1 закручивает верхний пояс, 2 – нижний, т.к. 3 и 4 отсутствуют (есть лишь прихватки) и не могут оказать сопротивление. Швы 3 и 4 при сварке не могут вызвать такого – же закручивания с противоположенным знаком из – за сопротивления швов 1 и 2.

Итак, в балочных конструкциях деформации могут быть общими или локальными (например, появление грибовидности (Рис. 9.22)), и величины деформаций и прогибов из-за достаточно большой протяженности этих конструкций могут достигать существенных значений. Для устранения – сварка в кондукторе или жестком приспособлении, симметричное наложение швов.

Примеры вредного влияния сварочных напряжений, деформаций и перемещений

Остаточные напряжения и деформации могут влиять на получение и сохранение точных размеров и форм сварных конструкций, а также на их прочность и работоспособность.

Влияние собственных остаточных напряжений.

1.Изменение размеров и формы свойств соединений в процессе механической обработки. Либо непосредственно в процессе обработки, либо в момент съема со станка, в незначительной степени в процессе вылеживания. В процессе, обработки удаляется металл, в котором были собственные напряжения, при этом происходит нарушение равновесия сил. Снятие усилений - самый распространенный вид механической обработки (Рис. 9.25). Если закрепление детали не препятствует деформации, то изменение размеров возникает сразу. Искажение формы образовавшихся поверхностей может происходить так же вследствие различных сил резания закаленных и не закаленных зон не отпущенного соединения.

Рис. 9.25 Распределение напряжений

2.Изменение размеров в процессе эксплуатации может происходить так же вследствие релаксации напряжений и распада нестабильных структур, которые могут возникнуть в процессе сварки. Подобные изменения размеров весьма малы, и рассматривать их важно лишь для прецизионных свойств соединений в точном машиностроении и приборостроении.

3. Растягивающие остаточные напряжения снижают усталостную прочность сварных соединений. Чем выше рабочие напряжения (σраб) и эффективный коэффициент концентрации напряжения (KT), тем меньше влияние собственных напряжений. При высоких рабочих напряжениях и больших значениях эффективного коэффициента концентрации напряжений на первых же циклах возникает пластическая деформация от сумм остаточных и рабочих напряжений (σост+σраб). Кроме того, значительная концентрация напряжений по своему влиянию превалирует над остаточными напряжениями. При небольшой концентрации напряжений и рабочих напряжений собственные напряжения сохраняют свой высокий уровень и увеличивают средние напряжения (σm), тем самым, понижая прочность. Циклическая прочность сильно зависит от средних напряжений (σm), (Рис. 9.26).

Рис. 9.26 Схема средних напряжений

При σm>0 - тормозится рост трещин, циклическая прочность значительно выше.

При σm<0 - наблюдается рост усталостных трещин, т.о. циклическая прочность меньше.

Если материал достаточно пластичен, то в условиях рабочих нагрузок внутренние напряжения уменьшаются. Чем выше нагрузка, тем меньше собственные напряжения.

4. Остаточные напряжения могут понижать и статическую прочность. Если металл при температуре эксплуатации не чувствителен к концентрации напряжений и не испытывает значительные статические деформации при сварке, то остаточные напряжения не влияют на статическую прочность. В противном случае даже сами собственные напряжения могут вызвать появление холодных трещин.

Сумма рабочих и остаточных напряжений достигает предела выносливости и происходит разрушение.

5. Сжимающие напряжения могут привести к образованию выпуклостей и т.д., т.е. к потере устойчивости (Рис. 9.27).

Рис. 9.27 Распределение сжимающих напряжений

6. Растягивающие напряжения, действующие в сварном шве, снижают коррозионную стойкость.

7. Остаточные напряжения являются носителями энергии упругой деформации. При одноосной нагрузке энергия в единице объема: . Начавшееся по каким – либо причинам разрушение в дальнейшем поддерживается энергией остаточных напряжений. Энергия остаточных напряжений усиливает динамику разрушения, увеличивает скорость движения трещин и способствует переходу от вязкого разрушения к хрупкому.

Влияние деформаций после сварки:

1. Перемещения деталей создают деформации в зоне кристаллизации металла и могут приводить к образованию горячих трещин.

2. Во время сварки в ряде случаев возникают перемещения в зоне деформирования шва, что приводит к появлению дефектов, нарушающих режимы сварки.

3. Перемещения элементов при сварке (Рис. 9.28) затрудняют последующий процесс сборки сварных деталей между собой, а иногда делают ее невозможной без применения правки.

Рис. 9.28 Перемещения при сварке

а) Линейное смещение кромок шва, при котором поверхности двух свариваемых частей параллельны, но размещены не на требуемом уровне.

б) Угловое смещение кромок, при котором плоские поверхности двух свариваемых частей непараллельны (или не направлены под требуемым углом). Нарушение технологического процесса сборки заготовок.

4. Из-за возникновения при сварке перемещений приходится назначать завышенные припуски на механическую обработку.

5. Некоторые виды перемещений изменяют геометрические характеристики сечений (Рис. 9.29).

Рис. 9.29 Искажение поверхности

а) теоретический профиль

;

б) изменение вследствие сварки

;

6. Начальные перемещения могут вызывать снижение устойчивости, особенно местной.

7. В летательных аппаратах или в судах энергетической установок искажение поверхности, которые обтекаются жидкостью или газами увеличивают сопротивление потоку. В деталях машин искажение размеров вызывает увеличение зазоров, либо наоборот, увеличение сил трения или заклинивания.

8. Значительные отклонения от правильных геометрических форм нарушают требования технической эстетики и ухудшают товарный вид сварных изделий.