Конспект лекций_Соединения элементов МК

6.Напряжения и деформации при сварке строительных конструкций

иизделий

6.1. Напряжения и деформации при сварке

Деформации от сварки бывают временные, образующиеся в процессе сварки, и

остаточные, образующиеся после полного остывания конструкции.

Остаточные сварочные деформации влияют как на геометрическую форму конст-

рукции, так и на ее несущую способность.

Величина и распределение остаточных напряжений и деформаций зависит от тех-

нологии сварки и от конструктивных форм, а значит жесткости свариваемых изделий.

Имеет большое значение и толщина металла. При сварке металла толщиной t 3мм

проявляются в основном большие деформации, а напряжения малы. При толщине металла tот 4 до 16-18 мм проявляются значительные деформации, и чем больше толщина,

тем сильнее проявляются остаточные напряжения. При сварке металла t 18 (50 60)мм деформации невелики, но возникают значительные остаточные на-

пряжения.

Остаточные напряжения действуют в узкой околошовной зоне - полосой

50÷80 мм по обе стороны – и резко затухают (уже значительные σz).

Деформации классифицируются следующим образом. Деформации собственно сварных швов бывают продольные и поперечные. Усадку швов по высоте из-за малого влияния на деформацию конструкций обычно не учитывают.

Различают два вида деформаций стальных конструкций от сварки:

1)общие деформации – характерны для сварного элемента в целом;

2)местные деформации – образуются в пределах одной или нескольких деталей или на части одной из деталей конструкции.

Наиболее часто встречающиеся в строительных конструкциях общие деформации от сварки:

а) серповидность (саблевидность) элементов; б) продольное и поперечное укорочение элементов;

в) винтообразность (скручивание) элементов;

г) грибовидность полок сплошных тавровых, двутавровых, Н-образных и т.п.

элементов; д) перекос полок сплошных составных сечений;

Наиболее распространенные местные деформации от сварки строительныхконструкций:

а) коробление части плоских листовых деталей – «хлопуны»; б) коробление свободных кромок длинных листовых или полосовых деталей;

в) коробление в зоне стыковых швов;

69

г) грибовидность полок мелких деталей составного сечения;

д) искажение плоскости фрезерованных или строганых торцов при приварке вблизи них мелких деталей;

е) отклонение плоскостей отдельных деталей от заданного в проекте положения для примыкания к основному сечению.

6.2.1. Общие деформации конструкций от сварки.

Саблевидность элементов возникает под действием изгиба от неравномерных продольных усадочных деформаций, например:

–при несимметричных сечениях сплошных сварных элементов (рис. 6.1, а);

–при приварке несимметрично расположенных нагруженных деталей (рис. 6.1,

б);

– при несимметричном расположении по стенке сечения мелких деталей (рис. 6.1,

в).

Рис 6.1. Деформации серповидности (саблевидности) от сварки:

а) при несимметричном сечении;

б) от приварки наружных деталей с одной стороны;

в) от приварки по стенке сечения несимметрично расположенных мелких деталей

Продольное укорочение элементов является следствием продольного укорочения от сварки поясных швов, усадки поперечных стыков, швов, прикрепляющих ребра же-

70

сткости, и др.

Деформации серповидности и продольного укорочения от наплавки на элементах сварных швов могут быть достаточно большими, если не принять конструктивных и технологических мероприятий по их предупреждению.

Так, для предупреждения серповидности можно принять меры: 1. Конструктивные:

1.2.Двутавровые и Н-образные сечения при высоте до 1000-1200 мм выполнять симметрично, а при большей высоте – асимметричность должна быть не более 20%;

1.3.Избегать несимметричного прикрепления мелких деталей, в противном слу-

чае с противоположной стороны приваривать фальшдетали.

2. При разработке технологического процесса необходимо предусматривать следующее (технологические мероприятия):

2.1. При несимметричных сечениях более мощный пояс сваривать первыми шва-

ми, что обеспечит меньшие деформации при последующей сварке более удаленных швов;

2.2. Ручную сварку поясных швов и поперечных ребер жесткости или диафрагм производить от середины к краям обратноступенчатым способом; автоматическую свар-

ку вести, как исключение, секционным способом;

2.3.Мелкие детали, особенно при несимметричном их расположении, варить электродами малых диаметров, избегая значительного одностороннего нагрева;

2.4.Перед сваркой поясных швов и приваркой мелких деталей применять обрат-

ный выгиб, принимая стрелку его равной расчетному прогибу от сварки; 2.5. Деформированные элементы двутаврового, Н-образного и коробчатого сече-

ний высотой 800-1000 мм можно править в холодном состоянии (грузами, винтовыми приспособлениями и т.п.) однако эта операция трудоемка и может привести к образова-

нию зон наклепа.

Поперечное укорочение сварных элементов обычно мало, специальных мероприятий по их предупреждению не требует.

Во избежание продольных укорочений от сварки элементов по длине деталей да-

ют припуски.

Скручивание (винтообразность) элементов. Эти усадочные деформации образуются в элементах таврового, двутаврового и коробчатого сечений от крутящих момен-

тов, возникающих от сварки поясных швов в противоположных направлениях (рис. 6.2).

71

Рис. 6.2. Схема образования деформаций винтообразности от сварки поясных швов:

1. первый сваренный шов; 2. второй сваренный шов

Винтообразность особенно опасна для отдельно стоящих элементов, не связанных жесткими узлами с другими элементами. Она не должна превышать 0,5-1 мм на 1 п.м.

конструкций.

Снижению величин винтообразности способствует соответствующий технологи-

ческий процесс:

–сварка всех поясных швов ведется в одном направлении;

–двух- и трехчасовые перерывы между сварками каждого поясного шва;

–постановка временных диафрагм, увеличивающих жесткость на кручение;

–правка в холодном состоянии.

Грибовидность полок двутавровых и Н-образных сечений образуется от попереч-

ной усадки поясных швов по всей длине балки. Величина грибовидности зависит от толщины поясов и катета сварных швов (рис. 6.3, а)

Грибовидность полок практически не влияет на несущую способность элементов и поэтому в большинстве случаев допустима при любой величине.

Ограничивают грибовидность в случаях, когда она влияет на точность примыкания смежных элементов.

72

Рис. 6.3. Деформации полок сварного сечения:

а) грибовидность от сварки поясных швов;

б) перекосы полок при разной последовательности наплавки поясных швов

Перекос полок сечения может происходить при любой последовательности наложения швов (рис. 6.3, б). Перекос алгебраически суммируется с деформацией грибовид-

ности. Причиной перекоса является то, что угловой деформации первого шва сопротив-

ляются только прихватки, а деформациям второго шва – ранее наложенный шов.

Перекос полок недопустим в тех элементах, что и грибовидность.

Для предотвращения грибовидности и перекоса полок принимают решения:

− устанавливают в соответствующих местах временные диафрагмы и ребра же-

сткости;

−применяют жесткие кассеты;

−производят предварительный выгиб в обратную сторону;

−производят холодную правку на роликовых прессах.

6.2.2.Местные деформации конструкций от сварки.

Коробление части плоскости листовых деталей в виде «хлопунов» может возни-

73

кать как по торцам элементов, так и в его средней части (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Схема местных деформаций тонкой стенки – «хлопунов»: а) в сварной балке; б) в стенке бункера

	hст	100 120
При отношениях tcт
				усадка швов, приваривающих крайние ребра на
расстоянии 1 (10 15)tст		может вызвать			коробление крайнего участка стенки
			hст	120 150
(рис. 15.8 а). При отношениях tcт					хлопуны могут возникнуть от поперечной

усадки швов, прикрепляющих ребра и в средней части балок (рис. 6.4, а). Аналогично хлопуны образуются в стенках бункеров (рис. 6.4, б).

Для предотвращения появления трудно исправляемых хлопунов предусматривают конструктивные или технологические решения (рис. 6.5):

–торцевые ребра ставят не далее 10 tст от края (рис 6.5, а);

–ставят окаймляющие ребра (рис. 6.5, б);

–участки ребер на 300-500 мм не заваривают у свободной кромки; приваривают после сборки на монтаже (рис. 6.5, в);

–применяют ребра из уголков, швеллеров, двутавров, которые рассредоточивают швы; до свободной кромки не заваривают на 200-300 мм (рис. 6.5, г);

– принимают «ниточные» швы kt 3 4 мм для крепления ребер к стенке;

–в случае односторонних ребер с обратной стороны ставят временные планки

(рис. 6.5, д);

–в конструкциях, где хлопуны недопустимы, не следует применять тонких стенок

hст 100 120

с соотношением tcт

.

74

Рис. 6.5. Конструктивные и технологические меры по борьбе с «хлопунами»:

а) установка опорного ребра 1 на расстоянии α1≤tст;

б) установка окаймляющего ребра 2; в) элемент стенки бункера с ребрами 3, не доваренными до торца;

г) ребра жесткости из уголков, швеллеров и двутавров;

д) установка временных планок 4

При толщине полок менее 14-16 мм и отношении bn 10 12 происходит коробление tп

свободных кромок длинных листовых деталей (волнистость кромок) (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Коробление свободных кромок тонких поясов Н- и Т- образных сечений

Этот вид деформации является следствием продольной усадки швов и прилегающей зоны металла, вызывающих сжимающие напряжения до величины, при которой происходит потеря местной устойчивости по свободным кромкам.

75

Местная волнистость кромок – серьезный дефект конструкции, ухудшающий местную устойчивость сжатых поясов балок.

Во избежание волнистости кромок применяют минимальный вылет полки

(≤10-12 tп ), для приварки ребер жесткости катеты швов принимают минимальные (4-5 мм), предусматривая пристрожку их при передаче больших сосредоточенных сил, а

также предусматривают соответствующий технологический процесс сварки при боль-

ших вылетах (обратноступенчатый при ручной; секционный – при автоматической).

Коробление в зоне стыковых швов (рис. 6.7) проявляется при V-образной, несим-

метричной Х-образной и даже симметричной Х-образной в косых стыках разделках кромок. Для предотвращения принимают:

1. Конструктивные мероприятия:

– избегают косых стыков;

– предусматривают автоматическую сварку без разделки кромок или симметричную Х-образную разделку при ручной сварке;

2. Технологические мероприятия:

–холодная проковка при ручной многослойной сварке;

–предварительный выгиб при V-образной разделке кромок (рис. 6.7, в).

Рис. 6.7. Схемы коробления:

а) в прямом стыке;

б) в косом стыке;

в) предварительный выгиб концов стыкуемых деталей

Отклонение плоскости отдельных листовых деталей от заданного в проекте угла примыкания к основному сечению может быть в случаях (рис. 6.8):

76

− при примыкании в тавр столика или фасонки, особенно при V-образной раз-

делке кромок (рис. 6.8, а); − при выступах листовых деталей в виде консолей за пределы основного сечения

(рис. 6.8, в).

Конструкторы предусматривают Х-образную разделку кромок, постановку ребер или подкосов (рис. 6.8, г).

В технологическом процессе сварки предусматривают: сборку с предварительным перекосом (рис. 6.8, б); применение проковки при V- и Х- образной разделке и много-

слойной ручной сварке; установку временных ребер или подкосов.

Рис. 6.8. Отклонение деталей от заданного угла примыкания:

а) в столике; б) предварительный перекос столика; в) деформация выступа опорной плиты; г) установка временных или постоянных ребер;

1 – сборка с предварительным перекосом; 2 – временные или постоянные ребра

6.3. Общие мероприятия по борьбе с остаточными напряжениями и деформациями от сварки

Конструктивные решения и технология производства конструкций должны обес-

печивать минимальные остаточные напряжения и деформации после сварки. Существует три основных пути уменьшения сварочных напряжений и деформа-

ций:

77

1. Снижение величины пластической деформации укорочения и уменьшения объ-

ема металла, подверженного пластической деформации при сварке путем:

а) регулирования термических воздействий при сварке – уменьшением количества швов и их размеров, предварительным подогревом и т.п.;

б) механическими способами: растяжением или изгибом элементов при их сварке

и т.п.;

2. Создание в элементах до сварки искусственных деформаций равных по величине и противоположного знака против ожидаемых от сварки, симметричного располо-

жения швов, рациональная технология сборки и сварки.

3. Искусственное образование пластических деформаций растяжения после свар-

ки путем:

а) проковки наплавленного металла шва;

б) прокатки после сварки (элементов, оболочек);

в) удлинения элементов растяжением или изгибом после сварки;

г) жесткое закрепление элементов или узлов при проведении сварки; д) высокого отпуска после сварки;

е) термической правки.

6.3.1. Снижение остаточных напряжений

Практическое применение для снижения сварочных напряжений нашли такие способы: 1. Предварительный и сопутствующий низкотемпературный подогрев при сварке

(до 200-250°С) снижает остаточные растягивающие напряжения до 50%, т.к. уменьша-

ется зона нагрева основного металла при сварке; в связи с этим уменьшается объем ме-

талла, получающего пластические деформации укорочения. Этот способ особенно ради-

кален для некоторых легированных сталей, имеющих нижнюю температуру структурных превращений ниже температуры, при которой сталь переходит в пластическое со-

стояние.

2. Проковка (проколачивание) наплавленного металла производится для каждого очередного слоя при многослойной ручной сварке (кроме первого и последнего). От действия частых ударов тупого зубила металл осаживается в направлении удара и расширяется в двух других направлениях, что снижает остаточные растягивающие напря-

жение (рис 6.9). Проковка швов – универсальный метод для борьбы с остаточными на-

пряжениями и деформациями.

3. Прокатка (вальцовка) зоны сварного соединения листовых сварных деталей на вальцах устраняет не только остаточные деформации, но и снижает сварочные напряжения. Этот способ дает одновременную равномерную пластическую деформацию растя-

жения по всей длине сварного шва.

78