Определение деформаций сварных соединений МК

1 Цель работы

Цель работы – изучение и расчет остаточных деформаций, возникающих в различных соединениях металлических конструкций при электрической дуговой сварке плавлением.

а) выбор конструкции соединения;

б) выбор способа соединения;

в) выбор марки и типа электродов;

г) выбор разделки;

д) расчет деформаций.

Формируемые компетенции или их части

Владением технологией проектирования деталей и конструкций в соответствии с техническим заданием (ПК-2), владение методами испытаний строительных конструкций и изделий, методами постановки и проведения экспериментов по заданным методикам (ПК-14)

2 Теоретическая часть

Под воздействием сварочной дуги вследствие неравномерного нагрева металла и фазовых превращений в зоне термического влияния происходят упругие и пластические деформации.

Эти деформации изменяют размеры металлической конструкции, а в некоторых случаях могут вызвать трещины и разрушение металла.

Правильный выбор технологии сварки может в значительной степени уменьшить сварочные деформации.

Основные причины, вызывающие напряжения и деформации при сварке, следующие: неравномерный нагрев, усадка наплавленного металла при переходе его в твердое состояние, структурные изменения наплавленного или основного металла в зоне термического влияния, сопровождающиеся изменением объема.

Величина деформаций и напряжений зависит также от вида сварки, формы деталей, их размеров и зоны нагрева при сварке. Менее выражены напряжения и деформации, возникающие при сварке электрической дугой деталей простой формы. Газовая сварка вызывает повышение деформаций вследствие большой зоны термического влияния.

Деформации от сварки бывают временные, происходящие в процессе сварки, и остаточные, образовавшиеся после полного остывания сварной конструкции.

Остаточные сварочные деформации являются результатом пластических деформаций, происходящих во время сварки в околошовных зонах.

Остаточные сварочные деформации влияют на геометрическую форму конструкции, а иногда и на несущую способность элементов (например, коробление сжатых элементов или стенки балки способствует потере устойчивости).

При сварке строительных конструкций наиболее часто встречаются следующие виды деформаций.

Деформации собственно сварных швов. Они бывают продольные и поперечные. Усадку швов по высоте не учитывают, т.к. она не оказывает влияние на деформации конструкций.

Деформации стальных конструкций от сварки могут быть: общие (они характерны для сварного элемента в целом) и местные (образующиеся в пределах одной или нескольких деталей конструкции). К общим деформациям от сварки, которые наиболее часто встречаются в строительных стальных конструкциях, следует отнести: серповидность (саблевидность) элементов; продольное и поперечное укорочение элементов. А также скручивание (винтообразность) элементов; грибовидность полок сплошных тавровых, двутавровых, Н-образных и т.п. элементов; перекос полок сплошных составных сечений.

Серповидность (саблевидность) элементов (рисунок 3.1) возникает под действием изгиба от неравномерных продольных усадочных деформаций, например:

при несимметричных сечениях сплошных сварных элементов
(рисунок 3.1а);

при приварке наружных деталей, расположенных несимметрично относительно нейтральной оси сечения элементов (рисунок 3.1б);

при несимметричном расположении по стенке сечения элементов
(рисунок 3.1в).

Продольное укорочение элемента является следствием продольного укорочения от сварки поясных швов, усадки поперечных стыков, швов, прикрепляющих ребра жесткости, и др.

Рисунок 3.1 – Деформации серповидности (саблевидности) от сварки:
а – при несимметричном сечении; б – при приварке односторонних наружных деталей; в – при несимметричной приварке мелких деталей по стенке сечения

Для борьбы с деформациями металла при сварке можно рекомендовать:

1) обратноступенчатый порядок нанесения швов, при котором длинный шов делится на участки длиной 150 – 200 мм и сварку ведут отдельными участками – это препятствует концентрации тепла в одном месте и уменьшает зону разогрева изделия;

2) деформирование детали перед сваркой в обратном направлении на ту же величину, которая вызывается сваркой; этот способ обычно применяется для изделий с несимметричным расположением швов;

3) уравновешивание деформаций, т.е. выбор такого порядка наложения швов, чтобы последующие вызывал деформации, обратные тем, которые получились при наложении предыдущего шва (рисунок 3.2а);

4) увеличение отвода тепла от свариваемого изделия. Это уменьшает объем нагретого металла и соответственно его деформацию. Охлаждение достигается погружением частей деталей в воду или применением медных подкладок под деталь;

5) жесткое закрепление свариваемых элементов в специальных приспособлениях. Этот способ, хотя и уменьшает деформацию, но увеличивает внутренние напряжения; последующим обжигом они устраняются;

6) назначение минимальных объемов наплавленного металла; сечения угловых шов следует принимать по расчету или в соответствии с рекомендациями о минимальных катетах шва;

7) последовательность выполнения швов должна допускать свободную деформацию элементов конструкций. Например, при сварке настила из нескольких листов следует в первую очередь выполнить швы, соединяющие листы полос, и лишь затем швы, соединяющие эти полосы между собой
(рисунок 3.2б).

Рисунок 3.2 – Последовательность наложения швов для уменьшения деформаций при сварке: а – поясных швов сварных балок; б – настила из нескольких листов

3 Оборудование и материалы

Тетрадь для лабораторных работ, линейка, карандаш, ластик, ручка, калькулятор для выполнения инженерных расчетов, ГОСТ 9467-75 «Электроды, покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкций и теплоустойчивых сталей».

4 Указания по технике безопасности

В помещении проведения лабораторных работ должно быть смешанное освещение, то есть естественное и искусственное, что обеспечивает освещенность зоны работ в соответствии с требованиями норм.

5 Задания (указания по порядку выполнения работы)

Работа состоит из пяти заданий. Общие для всех заданий исходные данные берутся из текстов государственных стандартов:

1. Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия. ГОСТ 535 – 88*.

2. Прокат для строительных стальных конструкций. ГОСТ 27772 – 88.

3. Прокат сортовой калиброванный со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. ГОСТ 1050 – 88*.

4. Прокат из легированной конструкционной стали. Общие технические условия. ГОСТ 4543 – 71*.

5. Электроды, покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционной и теплоустойчивой стали. Типы. ГОСТ 9467 – 75*.

Отдельные для каждого задания исходные данные в виде типов конструкций, их вариантов, размеров приводятся в текстах заданий.

План выполнения заданий

1. t = 10 – 25 мм

2. t₁ = 10 – 30 мм; t₂ = 3 – 8 мм.

3. d₁ = 20 – 300 мм; d₂ = 25 – 380 мм (d – диаметр трубы).

4. Определение площади поперечного сечения шва A_w:

Рисунок 3.3 – Пример детального изображения поперечного сечения шва

Следует задаться формой разделки кромок и формой валиков, детально изобразить поперечное сечение шва:

t₁ = t₂ ≥ 4 мм,                                     (1)

t₂  ≥ 0,6t₁.                                        (2)

Другие формы поперечных сечений сварных швов принимать по литературным данным. Площади поперечных сечений сварных швов определяются расчетным путем. В лабораторных условиях можно определять планиметром.

5. Определение времени t_sv, необходимого для наплавления шва длиною в один метр.

,                                   (2 а)

где A_w – площадь поперечного сечения шва (см²), принимать по п. 4;

γ – объемный вес стали (г/см³), принимать – 7,8;

c_n – скорость направления шва (г/А.ч), принимать (8 – 9) для электродов из низколегированной стали и (9 – 12) для электродов из стали углеродистой горячекатанной обыкновенного качества;

I_sv – сила сварного тока (ампер), принимать в зависимости от диаметра электрода d_е  в мм по формуле

I_sv = (40 – 50) d_e.                                 (3)

6 Определение погонной энергии (кал/см) процесса направления шва.

Погонная энергия q_p вычисляется на 1 п.см. вдоль оси z
(рисунок 3.4) по формуле

,                                 (4)

где I_sv – по п. 5;

U_q – напряжение дуги (вольт);

V_q – скорость сварки; определяется по п. 5 как (I_sv/t_sv) в м/ч;

η – эффективный КПД, зависящий от технологических условий сварки, для ручной электродуговой сварки η=0,5-0,85;

Q_ef  – эффективная тепловая мощность дуги (кал);

V_q – скорость перемещения дуги (см/с).

7 Определение укорочения сварного шва после его остывания

Рисунок 3.4 – К определению температурных деформаций сварного стыкового шва: а – сварной шов, рассматриваемый как отдельное физическое тело; б – поперечное сечение сварного шва с центром тяжести

В момент окончания сварки, горячий шов имеет длину l (см); затем шов остывает и укорачивается на величину ∆l (см). Так как поперечные сечения шва при этом поворачиваются относительно главных осей, то длина шва и ее изменение определяются вдоль продольной оси шва, проходящей через центр тяжести поперечного сечения шва (точка 0 на рисунке 3.4б). Укорочение шва ∆l находится из зависимости

,                                          (5)

где μ – константа, характеризующая теплофизические свойства металла; принимать по таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Значения μ для металлов

q_p – погонная энергия процесса наплавления сварного шва (по п. 6.);

l – длина сварного шва (по pиc. 3.4a).

8 Кривизна элемента конструкции

Кривизна элемента конструкции определяется из зависимости:

,                                         (6)

где Z – расстояние от оси полосы до центра тяжести площади, характеризующей местные деформаций (до оси зоны нагрева), см;

I – момент инерции поперечного сечения элемента (полосы), см⁴.

9 Определение максимальной стрелы прогиба элемента металлической конструкции (полосы) f.

Максимальная стрела прогиба для тавровых сечений определяется по формуле

.                                    (7)

Рисунок 3.5 – Стрела прогиба

Расчетные формулы могут быть использованы как при неравномерном местном нагреве кромок полосы, так и при равномерном нагреве металла, а также для определения деформаций любых сечений при любом расположении валика.

Задание 1

Стыковое соединение двух пластин

Дано:

1. Материал соединяемых пластин сталь С245.

2. Толщины соединяемых пластин t₁=   см;

                                                         t₂=   см;

Определить:

1. Форму разделки кромок в стыке при ручной сварке и доступе к шву с одной стороны.

2. Тип и марку сварочных электродов.

3. Количество времени, необходимое для сварки одного погонного метра стыкового шва.

Задание 2

Стыковое соединение двух пластин

Дано:

1. Материал соединяемых пластин 1 и 2 сталь С345;

2. Толщины соединяемых пластин t₁=   см;

                                                         t₂=   см;

Определить:

1. Форму разделки кромок в стыке пластин 1 и 2 при ручной сварке и доступе к шву с двух сторон.

2. Тип и марку сварочных электродов.

3. Количество времени, необходимое для сварки одного погонного метра стыкового шва.

Задание 3

Стыковое соединение двух труб

Дано:

1. Материал трубы 1 –   Сталь марки ВСт3сп;

2. Материал трубы 2 –   Сталь марки ВСт3сп;

3. Толщина стенки t₁=   см;

4. Толщина стенки t₂=   см;

5. Наружный диаметр трубы 1 d₁=   см;

6. Наружный диаметр трубы 2 d₂=   см;

Определить:

1. Форму разделки кромок в стыке деталей 1 и 2 при ручной сварке и доступе к шву с одной или двух сторон в зависимости от диаметров труб 1 и 2. В соответствии с данными рассмотреть варианты компоновки стыка:

2. Тип и марку сварочных электродов.

3. Количество времени, необходимое для сварки одного стыка труб 1 и 2.

Задание 4

Соединение на угловых швах

Дано:

1. Материал трубы – сталь марки 20

2. Материал фланца – сталь С245

3. Наружный диаметр трубы d=   см;

4. Толщина стенки трубы t₁=   см;

5. Толщина фланца            t₂=   см;

Определить:

1. Наиболее рациональную конструкцию сопряжения трубы 1
и фланца 2. Рассмотреть варианты сопряжения трубы 1 и фланца 2.

2. Тип и марку сварочных электродов.

3. Количество времени, необходимое для сварки одного стыка труб 1 и фланца 2.

6 Содержание отчета

В отчете должны быть представлены:

1) цель работы;

2) порядок выполнения работы;

3) рисунки соединений заданий;

4) исходные данные к сварным соединениям;

5) выбор способа соединения;

6) выбор марки и типа электрода;

7) выбор разделки; рациональной конструкции сопряжения (задание 4);

8) расчет деформаций (определение площади поперечного шва, определение времени, необходимого для сварки стыка; определение: погонной энергии; укорочение сварного шва после его остывания; кривизны элемента; максимальной стрелы прогиба (полосы)).

7 Контрольные вопросы и тестовые задания

1. Назовите основные причины, вызывающие напряжения и деформации при сварке.

2. От чего зависит величина деформаций и напряжений при сварке?

3. Какие бывают деформации от сварки?

4. На что оказывают влияние остаточные сварочные деформации?

5. Назовите деформации собственно сварных швов.

6. Какие могут быть деформации от сварки стальных конструкций?

7. Назовите наиболее часто встречающиеся общие деформации от сварки в строительных стальных конструкциях.

8. Какими приемами можно уменьшить деформации при сварке?

9. Расскажите о порядке выполнения работы.

10.Как определить время, необходимое для наплавления шва длиной в один метр?

11.Как можно определить погонную энергию процесса наплавления шва?

12.Как определить укорочение сварного шва после его остывания?

13.Как определяется кривизна элемента конструкции?

14.Как можно определить максимальную стрелу прогиба?

Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме: основная 1; дополнительная 7,8,9.

Лабораторная работа 4