Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности

Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности

В.А. Винокуров, С.А. Куркин, Г.А. Николаев

Машиностроение, 1996 г.

§ 2.1. Виды требований к сварным конструкциям

Различают требования технологические, регламентирующие уровень качества технологического процесса на стадии изготовления конструкции, и требования эксплуатационные, которые имеют целью обеспечение работоспособности конструкции.

В определенной мере технологический характер имеет требование равнопрочности сварного соединения основному металлу. Оно включает в себя не только требование не уступать основному металлу по прочности. В широком смысле этого понятия речь идет о полной равноценности сварного соединения и основного металла. Требование равнопрочности может служить своеобразной целью или эталоном качества технологического процесса, даже если в этом нет особой необходимости, являться стимулом к разработке новых методов сварки, сварочных материалов, технологий и сварочного оборудования. Под влиянием этого требования проводятся различные мероприятия, направленные на устранение недостатков, свойственных сварочному процессу, например применение термической обработки для снижения остаточных напряжений или устранения механической неоднородности.

Для некоторых металлов с особыми свойствами, главным образом для высокопрочных, требование равнопрочности обеспечить не удается.

Ко многим сварным конструкциям предъявляются требования в отношении термической обработки после сварки. Они в той или иной мере связаны с повышением прочности, пластичности и вязкости металла, точности изготовления, обрабатываемости, предотвращения образования дефектов и т.д. Применение термической обработки для сварных конструкций, ее режимы и эффекты, достигаемые ею, составляют крупную проблему, рассмотрение которой далеко выходит за пределы настоящей монографии. Перечислим лишь основные случаи применения термической обработки в плане достижения конкретных результатов.

1. Снижение уровня остаточных сварочных напряжений путем отпуска сварных конструкций [25]. Для сталей низкой и среднейпрочности одновременно устраняются последствия наклепа, вызванного пластической деформацией, значительно восстанавливается пластичность металла, утраченная в результате деформационного старения. Для ряда других сталейотпуск полезен главным образом как средство для уменьшения твердости закаленных участков и повышения вязкости металла.

2. Нормализация или закалка с целью повышения прочности, пластичности и вязкостиметалла сварного соединения [98}. Применяют эти виды термической обработки, в частности, после электрошлаковой сварки для измельчения зерна, повышения ударной вязкости и прочности сварных соединений. При сварке высокопрочных сталей эти операции необходимы для получения высокой прочности сварных соединений.

3. отпуск с целью стабилизации структур. Используется для предотвращения образования холодных закалочных трещин, если проводится непосредственно после завершения сварки для распада неустойчивых структур [179J или если ставится цель добиться стабильности размеров во времени [271].

4. Термическую обработку выполняют также для повышения жаропрочности сварных соединений [92], коррозионной стойкости [289[ и др. Мотивированное и грамотное принятие решения о необходимости проведения термической обработки в ряде случаев требует учета противоречивых требований.

Ко многим сварным конструкциям предъявляют различные требования точности. Одна из групп этих требований относится к конструкциям, которые после сварки, не могут быть выправлены или обработаны механически, например при изготовлении сварных деталей крупногабаритных машин и механизмов, удовлетворительная работа которых существенно зависит от точности исполнительных размеров. Предотвращение отклонений от этих размеров требует не только точной сборки, но и ограничения деформаций и перемещений от сварки. Другую группу составляют требования, предъявляемые к сварным

• конструкциям, идущим на механическую обработку. Отклонения от заданных размеров в этом случае не должны превышать припуски на механическую обработку.

Определенную группу составляют требования точности в отношении формыповерхностей для вагонов, автомобилей, корпусов судов, предметов бытовой техники и др.

Характерными для сварных соединений являются требования по сплошности металла шва. Эти требования встречаются практически почти во всех технических условиях на сварные конструкции, поскольку непровары, несплавления, поры и другие несплошности являются следствием нарушения сварочного процесса. Анализ этих требований

•показывает, что они имеют как эксплуатационное, так и технологическое происхождение.

Требования контроля качества сварных соединений неразрушающими методами, как но объему контроля, так и по выявляемое различных дефектов, в первую очередь связаны с требованиями по сплошности металла. Существуют также требования, определяющие правила контроля, испытания и приемки различных сварных конструкций.

Значительную часть перечисленных выше требований в конкретных формулировках содержат нормативные документы, методические указания, технические условия, ОСТы, ГОСТы

Обеспечение минимальной массыизделия или детали также может оказаться весьма важным требованием. Оно не является чем-то специфическим именно для сварных конструкций, но реализация этого требования в сварных деталях и конструкциях имеет некоторые особенности.

Один из основных путей получения минимальной массы — это использование материалов с высокой удельной прочностью. Следует подчеркнуть, что существует общая закономерность, состоящая в том, что чем выше удельная прочность металла, тем сложнее обеспечить условиясварки и термической обработки, позволяющие полностью использовать преимущества высокой удельной прочности.

Подход к выбору металла с позиций обеспечения минимальной массы сварной конструкции оказывается различным для разных групп изделий. К первой группе, для которой требование минимальной массы является безусловно необходимым, поскольку оно определяет саму возможность создания прогрессивной конструкции, могут быть отнесены различные детали и конструкции летательных аппаратов — ракет, самолетов, вертолетов. Вторая группа более многочисленна. В нее входят транспортные конструкции — суда, вагоны, автомобили, грузоподъемные, строительные и добывающие машины — краны, экскаваторы, тракторы, а также военная техника, для которых снижение массысвязано с повышением эксплуатационных показателей изделия. В третью группу могут быть отнесены все остальные изделия, для них массаметалла определяет стоимость производства и незначительно влияет на эксплуатационные характеристики.

При выборе металла, удовлетворяющего требованиям минимальной массы, необходимо избегать противоречий с другими требованиями. Так, например, ограничением в некоторых случаях оказывается низкий модульупругости металла, определяющий жесткость и устойчивость элемента конструкции, а также невысокая жаропрочность или коррозионная стойкостьметалла в определенных средах.

Наивысший результат в снижении массы сварной конструкции или детали достигается в тех случаях, когда обеспечивается равнопрочность сварного соединения и присоединяемого элемента из основного металла. В наибольшей мере этому отвечают стыковые сварные соединения. Наиболее трудно обеспечить требование равнопрочности яри переменных нагрузках.

При создании сварной конструкции, то есть в процессе проектирования и изготовления, стремятся наделить ее такими характерными особенностями, которые обеспечили бы ей требуемую работоспособность и экономичность изготовления. При этом, естественно, приходится учитывать действие факторов, предопределяющих эти характерные особенности. Главные из них — это служебное назначение сварной конструкции, условия ее эксплуатации, стоимость и условия производства.

§ 2.2. Служебное назначение сварных конструкций и деталей

Значительную группу составляют сварные конструкции, предназначенные для хранения газообразных, жидких и сыпучих материалов. По своему назначению это должны быть оболочки. Для газообразных продуктов, создающих равномерное внутреннее давление, наиболее экономичной формой в отношении массыматериала является сфера. Однако многие оболочки для хранения газов имеют цилиндрическую форму. Жидкие материалы создают гидростатическое давление, но могут также находиться под равномерным внутренним давлением. Если имеется только гидростатическое давление, то наиболее рациональной формой является каплевидная форма оболочки, но по экономическим соображениям такая форма резервуара используется крайне редко. Для хранения жидких материалов наибольшее применение получила Цилиндрическая форма вертикальной оболочки с переменной толщиной стенки по высоте.

Для хранения сыпучих материалов крупных сварных емкостей обычно не сооружают. С целью обеспечения возможности ссыпать .материал за счет их веса, оболочки нередко делают коническими. В этом случае удачно сочетается удобство транспортировки с требованием минимального веса — стенка конической оболочки может иметь постоянную толщину, что при соответствующем уменьшении радиусаоболочки обеспечивает мало изменяющиеся окружные напряжения.

Форму оболочек имеют также многие элементы различных сооружений, если они предназначены для хранения или удержания сыпучих материалов. Это корпуса домен, различные ковши, бункеры, засыпные аппараты, корпуса цементных печей и др.

Транспортные сварные конструкции по своему назначению являются вместилищем транспортируемых предметов или сред, но одновременно должны быть приспособлены к определенному способу их передвижения. Они подразделяются на две крупные группы: группа, в которой движется только продукт, а основная масса конструкции