книги / Сварные конструкции.-1

§ 3. Монтажные соединения на высокопрочных болтах

При применении высокопрочных болтов из стали 40Х по ГОСТ 4543—61 (термообработка до твердости НВ 300) передача усилий в соединениях должна происходить исключительно за счет трения между соединяемыми элементами, в связи с чем болты устанавли­ ваются в отверстия с зазорами (диаметр отверстия на 1 мм больше диаметра болта). Для предохранения поверхности соединяемых элементов от смятия под гайки и головки болтов ставятся термо­ обработанные шайбы. Специальные средства стопорения гаек в соединениях на высокопрочных болтах не применяются. Для затягивания гаек высокопрочных болтов применяются динамо­ метрические ключи.

Расчетное усилие,	которое может быть воспринято каждой
поверхностью трения	соединяемых элементов, стянутых	одним
высокопрочных болтом, определяется по формуле,
	No = Pfm,	(V. 13)

где / — коэффициент трения, принимаемый по табл. V. 3;

т— коэффициент условий работы болтового соединения, принимаемый равным 0,9;

Р — осевое усилие натяжения болта.

Т а б л и ц а V . 3

Значения коэффициента трения / в формуле (V. 13)

Способ предварительной очистки соединяемых поверхностей

Пневматическая обработка (песком, металлическим порошком и т. п.) или обжиг

Обработка стальными проволочными щетками . . . . .

Без очистки (при частичной смене заклепок или болтов)

Соединяемые элементы конструкций из стали

углеродистой низколегированной

0,45	0,55
0,35	_
0,25	—

Осевое усилие натяжения высокопрочных болтов Р прини­ мается в зависимости от механических свойств болта после их термической обработки равным 60% от разрушающей нагрузки при разрыве болта и определяется по формуле

Р = 0,QaeFHm,	(V. 14)
где <тв — временное сопротивление разрыву	стали высокопроч­

ных болтов после термической обработки в готовом изделии (болте);

FHm— площадь сечения болта нетто (по резьбе).

СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

§ 1. Значение сварочных деформаций и напряжений

При проектировании сварных конструкций необходимо счи­ таться с возможностью появления в них значительных остаточ­ ных деформаций и напряжений и принимать меры для их предот­ вращения или ограничения в таких пределах, при которых влияние их не будет опасным.

Впервые на возникающие при сварке деформации и напряже­ ния и на необходимость их учета указал изобретатель электри­ ческой дуговой сварки металлическим электродом Н. Г. Славянов. Он отметил, что причиной появления сварочных напряжений является неравномерный нагрев изделия при сварке, вызывающий местные пластические деформации. При этом он еще тогда ука­ зывал на разницу проявления сварочных напряжений в хрупких и пластичных металлах, а также на особую опасность напряже­ ний, появляющихся при сварке жестко закрепленных деталей. Н. Г. Славянов разработал и некоторые меры борьбы с вредным влиянием напряжений (предварительный подогрев изделия, про­

ковка сварных швов и др.), которые применяются	и в настоя­
щее время.
Необходимо отметить, что появление деформаций и напряже­
ний в результате воздействий, оказываемых при	обработке,

не является исключительной особенностью сварных конструкций. Общеизвестно, что деформации и напряжения появляются при применении всех методов обработки металла. Это относится к литью, прокатке, штамповке, клепке, вальцовке, обработке резанием, термической обработке и другим методам.

Изготовление сложнейших сварных конструкций стало воз­ можным благодаря решению советскими учеными ряда научных проблем, в том числе и проблемы управления сварочными дефор­ мациями и напряжениями.

По эксплуатационным условиям и по условиям прочности необходимо обеспечивать определенную точность изготовления конструкций, поэтому появление в них сварочных деформаций является нежелательным. В связи с этим разработка мер для предупреждения сварочных деформаций является одной из основ­ ных задач технологического процесса изготовления сварных конструкций.

Степень проявления сварочных напряжений во многом опре­ деляется свойствами свариваемого металла и металла шва. Необ­ ходимо различать случаи сварки конструкций из малоуглероди­ стой и легированной стали. В последнем случае, кроме напря­ жений, уравновешивающихся в макрообъемах (напряжения первого рода) появляются структурные напряжения, уравновеши­ вающиеся в пределах микрообъемов (напряжения второго рода). При этом происходят значительные изменения прочностных свойств металла в районе шва. В связи с этим технология сварки конструк­ ций из легированной стали существенно отличается от технологии сварки конструкций из малоуглеродистой стали. Для сохранения требуемой структуры металла в районе шва при сварке конструк­ ций из легированной стали применяются предварительный и сопутствующий подогрев, а также последующая термическая обработка, которая наряду с изменением структуры одновременно снимает и структурные напряжения. При этом в готовой кон­ струкции не будет также и остаточных напряжений первого рода.

Вопрос о структурных напряжениях имеет значение для случаев применения специальных сталей.

При сварке малоуглеродистой и низколегированной сталей, имеющих наиболее широкое применение в металлических конструк­ циях, структурных напряжений не возникает. Поэтому мы огра­ ничимся вопросами, связанными только с напряжениями первого

• рода.

Специальные исследования показали, что если обеспечить выполнение определенных требований по отношению к материалу конструкции, выбору форм сопряжений и технологии изготовле­ ния, то условия прочности сварных конструкций, имеющих остаточные напряжения, могут быть удовлетворены без значи­ тельных усложнений производственного процесса. К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт по проектированию, изготовлению и эксплуатации сварных конструкций из мало­ углеродистых и низколегированных сталей, который дает полное основание для утверждения, что в подавляющем большинстве случаев сварочные напряжения не опасны для прочности кон­ струкций; поэтому нет необходимости предпринимать какие-либо особые меры по их снятию.

Применение высокопластичных материалов, исключение со­ пряжений с особо резкими изменениями формы, вызывающими высокую концентрацию напряжений от внешних сил, применение

определенной последовательности сварки для предотвращения напряжений от закреплений (реактивных напряжений) и соответ­ ствующий контроль качества сварных швов — все эти меры являются основными средствами обеспечения высокого качества сварных конструкций и они также вполне надежно устраняют вредное проявление остаточных напряжений.

Вотдельных случаях остаточные напряжения могут привести

кнежелательным явлениям и в конструкциях из малоуглероди­ стой стали. Это относится к конструкциям, требующим сохране­ ния высокой точности в процессе эксплуатации. В них недопустимо появление остаточных деформаций, которое возможно в резуль­ тате снятия сварочных напряжений под нагрузкой. К числу таких конструкций относятся, например, фундаментные рамы сложных агрегатов, требующих высокой точности в сопряжениях линии вала. Для подобных конструкций снятие остаточных напря­ жений может оказаться необходимым. В этом случае целесообразно применять особые меры. Однако надо заметить, что количество таких случаев весьма ограничено.

§2. Методика определения сварочных деформаций и напряжений

На основе закономерностей, установленных в теории свароч­ ных деформаций и напряжений, можно определить величину де­ формаций и напряжений, которые наблюдаются в готовых изде­ лиях.

В качестве простейшего примера рассмотрим случай местного нагрева полосы, схема которого приведена на фиг. VI. 1.

Если местный нагрев сосредоточен на некотором расстоянии от оси полосы, то распределение температуры в ее поперечных сечениях может быть представлено графиком фиг. VI. 1, а, который показывает, что все продольные волокна при этом будут иметь различную температуру.

Если бы отдельные продольные волокна полосы не были связаны между собой, деформации их происходили бы независимо друг от друга по зависимости

%—аТ.

Здесь А, — относительные тепловые деформации;

а— коэффициент линейного расширения;

Т— температура.

Однако в действительности все продольные волокна полосы связаны между собой в одно целое и поэтому их деформации не могут происходить изолированно друг от друга.

В этих условиях местные тепловые деформации нагретых участков будут вызывать сопротивление со стороны связанных с ними менее нагретых участков. Это сопротивление, с одной стороны, будет ограничивать величину местных тепловых дефор­

маций нагретых участков, а с другой — будет приводить к появле­ нию деформаций и в ненагретых участках.

Таким образом, для определения действительных деформаций

инапряжений неравномерно нагретой полосы необходимо знание не только закона распределения температур, но также условий взаимосвязи отдельных волокон, которые определяются упругими

ипрочностными характеристиками материала.

Значения местных деформаций (или напряжений) будут опре­ деляться законом упругого равновесия.

Фиг. VI. 1. Схема деформаций при неравномерном нагреве полосы: а — распре­ деление температуры в поперечном сечении; б — общие деформации при нагреве;

в — общие остаточные деформации после охлаждения; г	— эпюра относительных
деформаций при нагреве; д — эпюра относительных	деформаций при	полном
охлаждении; е — деформации элементарного участка длиной / =		1.

В качестве основного условия при этом в теории сварочных деформаций и напряжений используется гипотеза плоских сече­ ний, которая является общепринятой во всех инженерных рас­ четах.

На основании этой гипотезы принято, что при различных де­ формациях элемента, происходящих под действием осевых сил или изгибающих Моментов, его поперечные сечения во всех слу­ чаях остаются плоскими (т. е. они при этом не искривляются).

Кроме того, в теории сварочных деформаций и напряжений принята упрощенная зависимость между деформациями и напря­ жениями, изображенная на фиг. VI. 2, а (диаграмма Прандтля), а также упрощенные прямолинейные зависимости упругих свойств материала при нагреве (фиг. VI. 2, б).

На основании вышеизложенного задача об определении дейст­ вительных деформаций и напряжений для случая неравномер­ ного нагрева решается следующим образом.

600 Г С

Фиг. VI. 2. Упругие характе­ ристики материала: а — диа­ грамма Прандтля; б — изменение предела текучести при нагреве.

Относительные деформации отдельных продольных волокон не­ равномерно нагретой полосы не могут быть выражены кривой тепловых деформаций Я (так как это означало бы возможность искривления сечения), а будут определяться таким положением своего плоского поперечного сечения, при котором допускается его некоторое продольное перемещение (Дчт на фиг. VI. 1, г) и поворот на угол а. Это положение плоского поперечного сечений должно удовлетворять условиям равновесия, которые выражаются в виде равенства нулю суммы всех действующих сил и суммы их

моментов. Эти силы внутреннего равнове­ сия создаются соответствующим суммиро­ ванием внутренних напряжений, возникаю­ щих вследствие разности между действи­ тельными относительными деформациями (прямая Д на фиг. VI. 1, г) и тепловыми относительными деформациями, которые могли бы произойти при отсутствии вза­ имной связи продольных волокон (кривая Я на фиг. VI. 1,г). При высоком нагреве, который характерен для режимов сварки^ в районе сосредоточенного нагрева разность

между тепловыми и действительными деформациями может оказаться на­ столько большой, что превзойдет зна­ чение возможных относительных де­ формаций, соответствующее переделу текучести (на графике фиг. VI. 1, г это значение соответствует es). При этом в районе сосредоточенного на­ грева произойдут пластическиедефор­ мации — епл< сж, а условия равно­

весия будут определяться только упругими деформациями (заштрихованная площадь на фиг. VI. 1, г). Эта заштрихованная площадь может представлять собой также и напряжения, дей­ ствующие в поперечном сечении полосы, так как напряжения связаны с упругими деформациями по закону Гука прямолиней­ ной зависимостью:

G= вЕ.

В районе сосредоточенного нагрева имеет место сжатие, под влиянием которого действительные деформации Д0 оказываются значительно меньше тепловых деформаций Ятах, которые были бы возможны в случае отсутствия связи между волокнами.

Это сжатие и выражает собой то сопротивление, которое про­ является со стороны менее нагретых участков сечения. Знаки на­ пряжений других областей (заштрихованной площади), в соот­ ветствии с условиями равновесия, являются чередующимися

между собой, т. е. в средней части диаграммы имеет место растя­ жение, а на кромке противоположной нагреву отмечается сжатие.

После охлаждения полосы упругие деформации полностью пропадут вместе с вызвавшей их причиной (неравномерным нагре­ вом), тогда как пластические деформации сжатия, возникшие при нагреве, сохранятся, так как они по своей природе необратимы.

Таким образом, в момент полного охлаждения (фиг. VI. 1, д) полоса в районе, подвергавшемся сосредоточенному нагреву, бу­ дет иметь зону с местными пластическими деформациями сжатия.

Ф иг. V I. 3. Схема остаточных относительных деформаций: а — сум ­ марные деформации; б — местные деформации от неравномерного нагрева; в — упругие деформации в поперечном сечении.

В силу тех же причин, которые были указаны выше при определе­ нии действительных деформаций для условия сосредоточенных тепловых деформаций, в данном случае относительные деформации в поперечном сечении полосы в соответствий с гипотезой плоских сечений и условиями равновесия будут определяться прямой А. При этом будут существовать участки с упругими деформациями (заштрихованные на фиг. VI. 1, д), а также и с пластическими деформациями. Существенной разницей для этих двух случаев (нагрева и охлаждения) является то, что знаки соответствующих участков эпюр будут обратные. Так, например, в зоне сосредото­ ченного нагрева в момент нагрева наблюдалось сжатие, тогда как к моменту полного охлаждения в ней будет иметь место растя­ жение. Эта зона вследствие сопротивления соседней части сече­ ния при охлаждении будет иметь значительно меньшее действитель­ ное относительное укорочение посравнению с тем относительным

укорочением впл.сж, которое в ней было бы при отсутствии связи между отдельными продольными волокнами. В подавляю­ щем большинстве случаев при сварке условия образования де­ формаций и напряжений таковы, что в зоне шва, подвергавшейся наиболее интенсивному нагреву, появляются остаточные растя­ гивающие напряжения, тогда как местные остаточные деформации в этом участке проявляются в виде некоторого укорочения.

Общие деформации полосы при нагреве и охлаждении полосы, соответствующие рассмотренным выше диаграммам относитель­ ных деформаций, представлены на фиг. VI. 1, б, в.

Методика вычисления деформаций и напряжений для рассмо­ тренного случая может быть пояснена на примере, относящемся к моменту полного охлаждения полосы.

Эпюру остаточных относительных деформаций (фиг. VI. 3, а) можно разбить на две составляющие ее эпюры. Из них одна (фиг. VI. 3, б) будет представлять собой область, определяемую в основном местными остаточными деформациями, образовавши­ мися в процессе сварки в зоне, подвергшейся сосредоточенному нагреву (без учета части, соответствующей остаточным пластиче­ ским деформациям растяжения, которые на фиг. VI. 3, а отме­ чены пунктиром). Другая составляющая часть эпюры (фиг. VI. 3, в) будет представлять собой упругие деформации в поперечном сечении полосы, возникающие под действием местных пластиче­ ских деформаций. Нетрудно убедиться в том, что при наложении этих двух составляющих эпюр получается общая эпюра остаточ­ ных упругих деформаций.§

§ 3. Расчет сварочных деформаций и напряжений

По аналогии с расчетом при внецентренном приложении про­ дольной силы эпюру местных деформаций можно уподобить внеш­ ней силе, тогда эпюра упругих деформаций будет характеризовать собой относительные деформации, возникающие в поперечном се­ чении полосы под действием этой внешней силы (т. е. в нашем слу­ чае под действием местных остаточных деформаций). При этом составляющие относительных деформаций, по которым могут быть вычислены общие остаточные деформации всей полосы, выраг жаются в виде среднего продольного перемещения (относительного

укорочения волокна, расположенного по оси полосы) —	и
кривизны полосы С.

Понятие о кривизне полосы (т. е. о величине, обратной радиусу ее искривления) и о ее связи с другими.параметрами, которыми характеризуются'деформации, может быть’получено'по фиг. VI. 1,е.

Угол поворота сечения искривленного участка полосы длиной I = 1_может быть выражен отношением длины дуги к радиусу:

Ввиду того, что при малой длине участка угол поворота мал, он может быть принят равным своему тангенсу, который, в свою очередь, выражается через относительные деформации крайних волокон полосы и ее высоту:

		tga = Ар ~Ь Aft
				h
Таким	образом,			До + Aft
				h	*
Составляющие деформаций определяются следующими фор­
мулами:
			=		(VI. 1)
			с =	J	(VI. 2)
Здесь	Дцт — относительная деформация продольной оси полосы,
	проходящей через центр тяжести ее сечения;
	С — кривизна полосы;
	2 hр — сумма	произведений местных относительных де­
	формаций на площадь участка, занимаемого ими;
	F — площадь поперечного сечения полосы;
	J — момент инерции поперечного сечения полосы;
	z — расстояние от оси полосы до центра тяжести пло­
	щади, характеризующей местные деформации (до
	оси зоны нагрева).
Эти формулы составлены по аналогии с расчетом для внецен-
тренно приложенной силы,			хорошо известным из курса сопротив­
ления материалов, можно			написать:
	_	_	Р .	г _	гР м
	Vcp —y -,			° ~W"E3’
Здесь	Р — внешняя	продольная		сила;

М— изгибающий момент, возникающий от внецентренного приложения силы (М = гР).

Зная относительные остаточные деформации Дцт и кривизну, можно определить общее остаточное укорочение неравномерно нагревавшейся полосы и ее стрелку прогиба по формулам

	ДL --	CL»	(VI. 3)
			(VI. 4)
	'	8 ’

Здесь L — общая длина полосы.

Формула (VI. 4) дает высоту кругового сегмента, имеющего длину хорды, равную b (f = . Следовательно, эта формула

может применяться только для условий, когда кривизна полосы одинакова по всей ее длине, т. е. для случая вычисления остаточ­ ного прогиба.

На основании теоретических расчетов, а также данных прак­ тики установлено, что относительное укорочение свариваемых эле­ ментов при различной форме их поперечного сечения и различном значении погонной энергии в общем случае определяется криво­

	линейной		зависимостью,		которая	для
	стальных		конструкций		может	быть
	представлена			графиком фиг. VI. 4. Из
	этого	графика		следует, что при доста­
	точных размерах площади поперечного
	сечения свариваемых элементов,					когда
	отношение -у- < 150, деформация					пря­
	мо пропорциональна погонной энергии.
	Погонная энергия qn характеризует
	собой	тепловую мощность электриче­
	ской дуги, вводимую на единицу длины
	шва,
Фиг. VI. ^Зависимость от­				Яп = -*г =
носительного укорочения от
отношения погонной энергии
к площади поперечного сече­	=	- ,24/^ Т| кал!см(0,24-10~2дж/м),
ния.

где q — эффективная тепловая мощность дуги, кал/сек (0,24 вт);

V— скорость сварки, см/сек (1 0 2 м/сек);
I — сварочный ток, а;
U — напряжение дуги, в;	0,5 н-0,7).
Л — эффективный коэффициент нагрева (т] =
Из графика фиг. VI. 4 следует
_ 3,5
qJF “ 100’
откуда
Лщл = 3,5-10_ 6	(VI. 5)

с другой стороны, имея в виду ранее установленную зависимость" (VI. 1), можно написать:

2 V = 3,5 .10 -4 - (VI. 6 ) Тогда кривизна элемента, в соответствии с (VI. 2 ), может быть вы­ ражена

С = 3 ,5 .1 0 - 4 ^ - (V I-7)

Эти формулы используются при выполнении практических рас­ четов для определения сварочных деформаций в зависимости от размеров элементов и режима сварки.