Расчет деформация и напряжений в сварочном шве

Размещено на http://allbest.ru

1

1. Описание сущности способа ручной дуговой сварки

сварка деформация напряжение усадка

Сущность

Сущность всех дуговых методов сварки заключается в использовании тепла дуги - мощного стационарного самостоятельного газового разряда с низким катодным напряжением, существующего в промежутке между двумя электродами, роль которых при сварке выполняют плавящийся или неплавящийся электрод и металл свариваемого изделия. Это тепло идет на расплавление основного и присадочного металлов, сообщения их атомам энергии активации, образование физического контакта и др. процессы, имеющие место при сварке.

При ручной дуговой сварке в качестве анода и катода выступают металл свариваемого изделия и сварочный электрод - металлический стержень, покрытый слоем особого состава - обмазкой, или, согласно официальной терминологии, покрытием. Назначение покрытия - стабилизация дуги, защита и легирование расплавленного металла сварочной ванны. Различают четыре вида покрытия: основной, целлюлозный, рутиловый и кислый; для сварки магистральных трубопроводов разрешены только электроды первых двух видов. Различные виды покрытия электродов по-разному взаимодействуют с металлом в процессе сварки. Химический состав металла электрода и покрытия определяется химическим составом металла свариваемого изделия (труб) и выбранной технологией сварки.

Возбуждение электрической дуги при ручной дуговой сварке основано на использовании явления короткого замыкания. При этом происходит следующее: в месте контакта на катоде образуется катодное пятно, которое настолько сильно нагрето, что становится способным к электронной эмиссии (т.е. испусканию электронов) при приложении напряжения в 60-70 В. Для возникновения сварочной дуги как газового разряда необходимо наличие заряженных частиц, направленное движение которых и будет электрическим током. Явлением, обеспечивающим появление этих частиц, является термическая, или ударная ионизация. Эмитированные катодом электроны в результате соударения с нейтральными ионами приводят к появлению ионов. В результате в газовом промежутке между двумя электродами возникают носители электричества - отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы, создаются условия для возникновения сварочной дуги, тепло которой используется при сварке.

Металл сварного шва - закристаллизовавшейся сварочной ванны - будет состоять из смеси металла труб и металла электродов. Его физико-химические характеристики будут зависеть как от качества и правильности принятия решений по выбору технологии сварки, так и от качества выполнения сварочных работ и последующей термообработки сварного шва.

Описание

К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания сварочной дуги от источников сварочного тока подводится постоянный или переменный сварочный ток. Сварочная дуга горит между металлическим стержнем электрода и основным металлом. Под действием тепла дуги металл дуги электрода, покрытие электрода и основной металл расплавляется, образуя сварочную ванну. Капли жидкого металла с торца расплавленного электродного стержня переносятся в ванну через дуговой промежуток. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя вокруг дуги газовою защиту и жидкую шлаковую ванну. По мере движения дуги, металл сварочной ванны затвердевает, образуется сварочный шов и шлаковую корка на поверхности шва.

Глубина, на которую расплавляется основной металл, называется глубиной проплавления. Она зависит от режима сварки (силы сварочного тока и диаметра электрода), пространственного положения сварки, скорости перемещения дуги по поверхности

2. Расчет сварочных деформаций и напряжений в тавровом соединении от продольной усадки

Дано:

Справочные величины:

2.1 Определение активной зоны поясных швов

Приведённая толщина листов воспринимающих тепло сварочной дуги

Удельная энергия сварочного нагрева

Область нагрева до пластического состояния b₁:

Область упруго пластических изменений b₂ в в полке и стенке таврового соединения, при коэффициенте k₂=0,23 (по графику):

Поперечное сечение активной зоны поясных швов таврового соединения:

Площадь поперечного сечения тавра

Определение центров тяжести активной зоны и сечения тавра

Направим ось 0У по оси симметрии тавра.

Координаты центров тяжести активной зоны и сечения тавра

Центр тяжести полки по оси 0У

Центр тяжести прямоугольника лежит на пересечении его диагоналей.

Центр тяжести стенки по оси 0У

Центр тяжести треугольника по оси 0У

Центр тяжести треугольника находиться на точке пересечения его медиан. Медианы треугольника пересекаются в одной точке, которая делит каждую из них в отношении 2:1, считая от вершины.

Также биссектриса, проведенная из основания равнобедренного треугольника, является медианой и высотой. По теореме Пифагора:

Координаты центра тяжести активной зоны полки и катетов останутся без изменений

Y₂₁=Y₁₁ = 0,4 см

Y₂₃= Y₂₄=Y₁₃ = Y₁₄= 0,13 см

Координата центра тяжести активной зоны стенки по оси 0Y

Статистические моменты активной зоны и сечения тавра

Центры тяжести активной зоны и сечения тавра

Момент инерции тавра

Момент инерции полки относительно собственного центра тяжести

Момент инерции стенки относительно собственного центра тяжести

Момент инерции катета относительно собственного центра тяжести

Момент инерции

Момент инерции тавра

Расстояние от центра тяжести тавра до центра тяжести активной зоны

Активное внутреннее усилие поясных швов

Внутреннее усилие

Реактивное напряжение осевого сжатия:

2.3 Определение остаточного прогиба сварного тавра

Начальное усилие

Изгибающий момент от внутренних усилий:

где у₀ - от точки центра тяжести сечения тавра до центра тяжести зоны нагрева.

Прогиб сварного шва

3. Технологическая инструкция изготовления тавровой балки

3.1 Заготовка

Основным исходным материалом для сварных строительных конструкций является листовой металлопрокат низкоуглеродистой или низколегированной стали. Первоначальные заготовки представляют собой простые геометрические фигуры: прямоугольник (стенки, полки), квадрат, треугольник. Получают эти заготовки, как правило, термической резкой. В качестве оборудования возможно применение:

Ручная резка автогенным резаком или плазменным резаком. Резка выполняется по разметке с применением направляющих из подручных средств (например, уголок). Отсюда вывод, особого качества по точности заготовки, по качеству кромки не следует ожидать. Также невысока производительность. Требуется рабочий резчик высокой квалификации.

Механизированная резка с применением двух типов оборудования. Во-первых, это газорежущие машинки тракторного типа (например «РадугаМ», «Микрон», «Смена», «Гугарк» и пр.). Эти машины позволяют выполнять длинные резы с применением специальных направляющих с достаточной точностью и с хорошим качеством кромки. Так же этот тип оборудования позволяет получать сразу при резке фаски на деталях типа «стенка». Основным сдерживающим фактором повышения производительности является необходимость в разметке и выставления направляющих. Стоит отметить, что непосредственно время резки такое же как при применении портальных машин термической резки (далее МТР). Операцию термической резки можно выполнять в любом месте, вплоть до открытых площадок. Второй тип простой механизации термической резки - это МТР консольного типа по магнитному копиру (например «АСШ-70», «Факел» и пр.). Чаще всего эти МТР выполняют резку деталей небольшого габарита (1,0x1,0 м). Это всевозможные платики, косынки, фасонки.

Автоматическая термическая резка с применением МТР портального типа с ЧПУ или без. Этот тип оборудования применяют уже большие предприятия, которые в состоянии выпустить от 400 до 1500 тн. сварных строительных конструкций в месяц. Эти МТР имеют на сегодняшний день максимально возможную производительность и наилучшее качество заготовок.

Еще одной технологической операцией получения конечной заготовки является сверловка. Особенностью сборки металлических конструкций является применение болтовых соединений в большей степени чем сварка на монтаже. Сверловку обычно выполняют либо в заготовках будущей сварной балки, либо уже на готовой сваренной балке. В первом случае следует не забывать, что после сварки изделие «сядет», т.е. следует учитывать усадку сварной конструкции на операции разметки. Во втором случае точность групп отверстий по концам сварной балки может быть выше, но это сопряжено с трудностями кантовки, что приводит к увеличению трудоемкости.

В случае изготовления конструкций из покупного профиля, для получения заготовок требуется лентопильный станок. Станки такого типа позволяют с максимальной на сегодняшний день эффективностью получать мерные заготовки не только с перпендикулярными резами, но и под углом. Резка ручными автогенными резаками возможна, но как правило она не очень точная и требует последующей ручной механической зачистки реза.

3.2Сборка

Для выполнения сборки требуется специально подготовленное место. Когда-то давно эту операцию выполняли только на специальных сборочных плитах или в специальных кондукторах. В настоящее время купить такие плиты либо затруднительно из-за отсутствия предложений, либо из-за высокой стоимости систем УСП. Типичным выходом из ситуации стало самостоятельное изготовление специальной сборочной постели.

Самая простая сборочная постель представляет собой раму из швеллера или двутавра (с обязательными поперечинами для жесткости), но которую сверху приваривают обычный металлический лист (чем толще, тем лучше). При изготовлении такой постели требуется обеспечить максимально возможное значение плоскостности. Чем точнее будет поверхность постели, тем точнее будет сборка под сварку.

Можно стыковать листы металла для создания карты под заготовки большего размера, чем полученный на предприятие изначальный металлопрокат. Нужно только не забывать оперативно механически зачищать места прихваток и сварочных брызг.

3.3 Сварка

При изготовлении балочных конструкций следует обращать внимание на взаимное расположение швов. В соответствии с требованиями нормативных документов минимальное расстояние между двумя параллельными швами должно быть не менее 10 б, где б = толщина более толстого материала.

Монтажные соединения балочных или коробчатых конструкций решаются исходя из технических возможностей монтажной организации и проекта производства работ. Большое значение при сварке металлоконструкций имеет правильное применение схем сварки и порядка наложения сварных швов. При сварке особенно тонколистовых изделий большой проблемой является сохранение правильной формы и размеров конструкции, для этого применяются специальные схемы сварки, где указывается последовательность выполняемых швов и узлов конструкции.

При сварке металла большой толщины шов выполняется за несколько проходов. При этом заполнение разделки может производиться слоями или валиками. При заполнении разделки слоями каждый слой шва выполняется за один проход. При заполнении разделки валиками в средней и верхней частях разделки каждый слой шва выполняется за два или более проходов, путем наложения отдельных валиков. С точки зрения уменьшения деформаций из плоскости первый способ предпочтительнее второго. Однако при сварке стыковых швов не всегда удобно выполнять очень широкие валики в верхней и средней частях разделки. Поэтому на практике 1-й способ чаще применяется при сварке угловых швов, 2-й -- стыковых.

При сварке толстого металла выполнение каждого слоя на проход является нежелательным, так как это происходит к значительным деформациям, а также может привести к образованию трещин в первых слоях. Образование трещин вызывается тем, что первый слой шва перед наложением второго слоя успевает полностью (или почти полностью) остыть. Вследствие большой разницы в сечениях наплавленного слоя и свариваемого металла все деформации, возникающие при остывании неравномерно нагретого металла, сконцентрируются в металле шва. При этом запас пластичности может оказаться недостаточным, что приведет к трещинообразованию.

Для предотвращения образования трещин заполнение разделки при сварке толстого металла следует производить с малым интервалом времени между наложением отдельных слоев. Это достигается применением каскадного метода заполнения разделки, или заполнения разделки горкой .

При каскадном способе заполнения разделки весь шов разбивается на короткие участки и сварка осуществляется таким образом, что по окончании сварки слоя на данном участке, не останавливаясь, продолжают выполнение следующего слоя на соседнем участке и т. Д При этом каждый последующий слой накладывается на не успевший еще остыть металл предыдущего слоя. Сварка горкой является разновидностью каскадного способа. Обычно сварка горкой ведется от середины шва к краям одновременно двумя сварщиками,

Также важным фактором при выполнении сварки является способ перемещения сварочной горелки и проволоки или электрода.

Если по окончании шва сразу оборвать дугу, то образуется незаполненный металлом кратер, который ослабляет сечение шва и может явиться началом образования трещин. Поэтому при окончании шва всегда должна производиться заварка кратера, которая осуществляется сваркой в течение некоторого времени без перемещения электрода вдоль свариваемых кромок, а затем постепенным удлинением дуги до ее обрыва.

Рекомендуемые схемы сварки двутавровых балок

Сварку балки с разделкой кромок на вертикальных стенках с двумя поясами производить, предварительно разметив на участки длиной не более 300 мм

Основные технологические приемы сборки и сварки конструкций коробчатого сечения можно показать на примере изготовления сварной двутавровой балки с ребрами жесткости. Отдельные листы соединяют в длинные полосы, которые являются полками и стенками двутавровой балки. На сборочно-сварочном стенде согласно чертежу устанавливают обе полки, стенку и ребра жесткости. Элементы двутавровой балки фиксируют относительно друг друга с помощью прихваток. Длина прихваток 30-40 мм, расстояние между ними 350-400 мм.

Сварку двутавровой балки ведут от середины к краям. Первоначально выполняют все швы в пределах одного центрального контура, ограниченного стенкой, двумя полками и двумя ребрами жесткости, с одной стороны стенки Затем сваривают швы противоположного контура, т. е. расположенного на другой стороне стенки.

Типичными отклонениями геометрии сварного двутавра являются: Уменьшение габаритов двутавра по длине. Виновником стали четыре продольных сварных шва между стенкой и полками. Существует два метода борьбы с этим отклонением: увеличивать длину заготовок на величину усадки либо уменьшать катеты сварного шва до минимально допустимых.

Перекос полки относительно стенки. В первую очередь возникает из-за неправильной сборки. Во-вторых, при выполнении сварного шва, в сторону которого «наклонило» полку, с противоположной стороны не было обеспечено жесткой фиксации полки относительно стенки. Фиксацию чаще всего обеспечивают прихваткой раскосов из подходящего материала (если раскос слабый, то его может согнуть вместе с полкой).

Грибовидность полки относительно стенки

Очень сложный для исправления дефект. Следует понимать, что его возникновение технологически неизбежно. Задача производителя заключается в первую очередь в таком выполнении сварки, чтобы значения грибовидности не превышали допустимых значений. Первый метод предупреждения дефекта - это уменьшение катетов сварных швов до минимально допустимых и жесткий контроль за зазорами между деталями перед сваркой (часто именно увеличенный зазор - виновник больших сварочных деформаций). Второй метод - это формирование на детали «полка» обратного прогиба. Раньше это реализовывалось с применением кромкогиба и специальной методики расчета углов обратного прогиба. К сожалению, в настоящее время большинству предприятий эта технология недоступна из- за отсутствия необходимого оборудования.

Методы борьбы с образовавшейся грибовидностью

Самый доступный и при этом самый трудоемкий процесс борьбы - термическая правка. Выполняется точечный нагрев ручным автогенным резаком снаружи полки напротив оси стенки (если стенка тонкая) или напротив сварного шва (если стенка толстая). Следует учесть, что результат нагрева проявится не сразу, поэтому перегревать не следует. В случае получения после правки обратной грибовидности придется прогревать в зоне сварного шва, имитируя нагрев от сварки. Возможно, выполнить правку грибовидности при помощи специального прокатного станка, но такие станки советских времен изготовления встречались только на специализированных предприятиях.

Серповидность или саблевидность

Самый распространенный дефект у начинающих производителей сварных двутавров. В первую очередь причина дефекта - нарушение последовательности выполнения сварных швов.

В случае, когда на боковой поверхности двутавра располагаются либо поперечные ребра усиления, либо элементы фасонок с отверстиями для обеспечения пространственной стыковки группы вертикальных и горизонтальных элементов балочной конструкции, следует ожидать, что приварка этих элементов может привести к искривлению двутавра в «саблю». Поскольку данный конструктивный элемент технически невозможно избежать, есть два пути противодействия сварочным деформациям:

*Если вся сварка выполняется только в полуавтоматическом режиме, то приварка поперечных ребер выполняется частично до сварки полок со стенками. При этом сварной шов под ребром выполняется предварительно, чтобы после этого завершить основные продольные швы между полками и стенкой;

*Если сварка стенки с полками выполняется в первую очередь, в том числе и с применением сварочных тракторов, то приварку поперечных элементов следует проводить с минимальными тепловложениями. минимально допустимыми катетами швов. Если конструктивно это возможно, то следует приваривать ребра поочередно с противоположных сторон двутавра, чтобы их сварочные деформации компенсировали друг друга.

Размещено на Allbest.ru