CC BY
114
УДК 621.791
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЕЛИЧИН ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ РЕМОНТЕ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СВАРКОЙ
© А.М. Авдонин, Е.В. Пояркова
Ключевые слова: сварка; металлоконструкция; ремонт; внутренние напряжения; деформации; мостовые краны. Проведен поиск методов определения деформаций и напряжений в сварных швах, выполненных ручной элек-тродуговой сваркой при ремонте металлоконструкций грузоподъемного оборудования.
Как известно, возникновение сварочных деформаций обусловлено физическими процессами при сварке, и их появление невозможно исключить. Грамотное проектирование сварной металлоконструкции, использование специальных технологических приемов позволяют снизить величины остаточных деформаций и внутренних напряжений.
Априори такие параметры, как точность изготовления, величины деформаций и внутренних напряжений, возникающие в процессе монтажа металлоконструкций, достаточно успешно поддаются корректировке в ходе применения различных внешних воздействий на тот или иной фактор в нужный момент технологического процесса. Однако вопрос остается открытым, когда конечным этапом является не получение (производство) нового изделия (металлоконструкции), а его восстановление (ремонт).
Специфика точности изготовления деталей и сборочных единиц металлоконструкций подробно рассмотрена в классических учебниках [1, 2]. Стоит отметить тот факт, что снижение точности деталей и сборочных единиц, применяемых для ремонта оборудования, в т. ч. и грузоподъемного, приводит к экономии средств только на начальном этапе изготовления. Тогда как последующие манипуляции с точностью изготовления приводят к увеличению сроков ремонта, низкой стойкости оборудования, уменьшению межремонтных периодов, снижению надежности и т. д., что не только сократит прежнюю экономию до нуля, но и потребует еще больших затрат.
Деформации, вызванные сварочным процессом, являются основной причиной искажения формы металлоконструкции и отклонения от проектных размеров. Обладание информацией о числовых значениях внутренних напряжений позволит применить их в проверочных расчетах при проектировании ремонтов металлоконструкций грузоподъемного и иного оборудования с целью снижения рисков дальнейшего выхода его из строя или прогноза стадии разрушения.
Как наиболее распространенные металлоконструкции предложено подвергнуть изучению пролетные балки мостовых кранов, применяемых на предприятиях различных областей промышленности для перемещения грузов, масса которых равна номинальной грузоподъемности крана, а интенсивность работы, в ряде случаев, ограничивается лишь скоростью перемещения
крана. Стало быть, появление дополнительных (привнесенных) напряжений в металлоконструкции крана может привести к тому, что суммарные напряжения достигнут или превысят предел прочности металла, а это неизбежно приведет к разрушению металлоконструкции. Поэтому при проектировании ремонтов металлоконструкции одной из важных задач должна быть задача «не навредить», т. е. конструктивно или технологически свести к минимуму возникновение деформаций и напряжений, которые неминуемо появляются при ремонте металлоконструкции с помощью сварки.
В качестве примера рассмотрим один из способов ремонта металлоконструкции несущей балки мостового крана, показанного на рис. 1. Пролетная балка крана (весьма часто коробчатого сечения) - одна из наиболее нагруженных металлоконструкций крана, испытывающая статические и динамические напряжения, в результате действия которых с течением времени балка получает отрицательный «строительный подъем», т. е. балка прогибается вниз или появляется вертикальная трещина в боковых листах.
Рис. 1. Мостовой кран
Существуют различные способы устранения описанных ремонтных проявлений, но, как показала практика, имеется острая потребность в необходимом усилении «дефектной области». Один из действенных способов усиления - это увеличение момента сопротивления сечения балки, т. е. увеличение сечения, как правило, в вертикальном направлении путем приваривания дополнительной конструкции типа «Лодочка» (рис. 2).
1585
Данная конструкция разработана под руководством Г.М. Николаевского, Е.М. Концевого во ВНИИП-ТМАШ.
Вертикальный
лист
консруюшя
Рис. 2. Ремонт пролетной балки с помощью приварки дополнительной конструкции типа «Лодочка»
При всех подтвержденных практически преимуществах данного ремонта существуют технологически «каверзные», неоднозначные в положительном плане области. К таким относится сварной шов, идущий поперек нижнего листа (пояса) балки. Помимо того, что в месте шва балка меняет свое поперечное сечение, в самом шве образуются «вредные напряжения», механизм возникновения которых предопределен в работе «Электрическая отливка металлов» изобретателем дуговой сварки плавящимся электродом Н.Г. Славяно-вым.
Сущность возникновения сварочных деформаций и напряжений детально раскрыта в трудах [2-4] и заключается в том, что при сварке происходит быстрый местный нагрев металла до температур плавления. Источник тепла расплавляет сравнительно небольшой объем металла за короткий промежуток времени, и вследствие хорошей теплопроводности нагрев распространяется в основной металл. По мере удаления источника теплатемпература понижается. Большая скорость нагрева при сварке и достаточнобыстрое охлаждение создают в свариваемом металле неравномерное температурное поле со значительным градиентом температур при переходе от металла шва к удаленным участкам основного металла. Вследствие неравномерного нагрева металла происходит некоторое изменение объема различных зон в сварном соединении, которое и оказывает на соседние области силовые влияния, вследствие чего возникают механические напряжения.
В классическом понимании рассматриваемый шов (рис. 3) условно разделен на две области, одна из которых (заштрихованная) будет соответствовать форме стыкового шва с К-образной разделкой кромок (рис. 4).
Рис. 3. Расположение кромок в ремонтном угловом шве
Если представить, что «разделка» (заштрихованная область рис. 3) залита жидким металлом и условно разделить залитый объем на множество слоев, расположенных параллельно наружному, то при затвердевании будет наблюдаться некоторое их укорочение (усадка):
Ы = Ьа(Т-Т0), мм, (1)
где Ь - длина наружного слоя; а - коэффициент линейного расширения стали; Т - температура металла, охлажденного до нормальных условий; Т0 - начальная температура охлаждения.
Усадка металла шва образует силу, которая может привести к деформации конструкции. Деформация будет продолжаться до тех пор, пока действие силы не станет равным нулю, т. е. укорочение полностью не исчезнет. В сварном соединении от действия силы Р возникнет напряжение, которое по закону Гука будет равно:
о = £Е = ^Е, МПа, (2)
где Е - коэффициент пропорциональности (модуль Юнга), МПа; е =-----относительное удлинение.
Общеизвестно, что коэффициент пропорциональности Е, изменение температур АТ и коэффициент линейного расширения стали являются постоянными факторами для каждого материала, а стало быть, напряжения, возникающие в сварном соединении, будут зависеть от размеров лицевой части каждого слоя шва и глубины шва. Поэтому каждый слой шва можно связать между собой через отношение величины лицевого слоя и глубины шва (рис. 5).
где - глубина шва; ф - угол раскрытия кромок; Ь -лицевая часть шва.
Параметры 51 и Ь образуют площадь поперечного сечения сварного шва:
„ о / л\
¥ =—, мм2. (4)
Выразив Ь через 51, получим:
г. 51$1«*«р 5?4*<р — 2 ^
Ь ------------- —-—, мм . (5)
Рис. 4. Стыковой шов, ф - угол раскрытия кромок 1586
Очевидно, что с увеличением площади поперечного сечения шва напряжения, возникающие после остывания, увеличиваются. Принимая тот факт, что толщина привариваемого листа ^ - величина постоянная, из чего следует, что площадь поперечного сечения сварного шва будет зависеть от изменения угла раскрытия кромок ф и лицевой части шва Ь.
Однако следует отметить, что напряжения будут возникать и оставаться, если существуют ограничения, препятствующие в повороте деталей относительно точки О (рис. 5). Например, детали закреплены между собой по линиям 1 и 2.
Для оценки величины деформаций и напряжений, вызванных силами сжатия, предлагается следующий метод. Если принять, что в точке О укорочение равно нулю, длина ничтожно мала, а по линии АБ = Ь укорочение будет максимальным, то среднее значение укорочения будет проходить через центр тяжести треугольника АОБ с вершиной в точке О и основанием АБ. Соответственно и среднее значение сжимающей силы Р, вызванной укорочением всех слоев, будет проходить через точку С - центр тяжести треугольника АОБ. Силу сжатия, вызываемую укорочением (усадкой) металла шва, действующую в плоскости перпендикулярной плоскости поперечного сечения привариваемого листа (также принадлежащей плоскости продольного сечения шва), можно рассчитать по следующей формуле [5]:
(6)
где М - укорочение слоя, проходящего через точку С; Е - модуль упругости; Fп - площадь поперечного сечения привариваемого листа (равная площади продольного сечения шва); I - длина слоя, проходящего через центр тяжести треугольника АОБ.
Площадь Рп будет равна:
Е, = 5,
(7)
где Ьш - длина всего шва; - толщина привариваемого листа.
Из формулы (7) следует, что сжимающая сила, вследствие прямой зависимости, будет расти с увеличением длины шва. Допустим, что длина всего шва 1Ш в десятки раз превышает величину толщины привариваемого листа и стремится к бесконечно большим величинам. Как следствие, будет расти и сжимающая сила Р, что, по мнению авторов, не отражает действительной картины, применительно к расчету шва. Если теоретически всю длину шва разбить на единичные отрезки, т. е. ¿ш = 1 ММ, то получим что Рп = 1 мм2.
После преобразований, формула (6) примет вид:
=в1» Н| (8)
I I Ид<р гд ф
симальны, и, следовательно, изменение длины М, рассчитываемое по формулам (1) и (8), не равно между собой.
Характерный участок металлоконструкции (вторая зона) расположен в листе (нижнем поясе балки), к которому приваривается дополнительная конструкция типа «Лодочка». Здесь наблюдается процесс проплавления основного металла на определенную глубину (рис. 6).
Анализ исследований сварных соединений различных авторов позволил установить, что проплавление металла приводит к возникновению угловой деформации, подобной той, которая наблюдается при сваривании двух листов стыковым швом без разделки кромок
[1-4].
При проплавлении образуется сварочная ванна с жидким металлом, которая при затвердевании дает усадку. Выделим характерные две зоны.
В первой зоне будут проходить стандартные процессы [5, 6], проиллюстрированные на рис. 5.
Во второй зоне будут возникать напряжения от действия сил, препятствующих образованию угловых деформаций.
Рис. 6. Проплавленная зона. 5 - толщина листа; а - глубина проплавления; б - высота второй зоны; СБ - длина лицевой стороны шва; Р - сжимающая сила
Условимся принять, что в точке А, принадлежащей нейтральной линии, сжимающие усилия равны нулю, т. к. в этой зоне расплавленного металла деформация (укорочение) не образуется и теоретически равна нулю, а на лицевой стороне шва сжимающие усилия максимальны. Стало быть, средние сжимающие усилия будут приложены в точке В - центре тяжести треугольника с основанием СБ и вершиной в точке А. Сжимающую силу, приложенную в точке В, определим по формуле (6), где площадь продольного сечения будет равна:
(10)
Результирующая сила возникает в каждом сечении свариваемой детали (см. рис 6) на протяжении всей длины Ь. Как было отмечено ранее, длину ¿ш приравняем к единичной длине и получим:
Рп = 1 ■ -а, мм2.
(11)
где а - напряжения, вызванные силой Р. Или
а —
Р^ф н
1-г ' мм2
(9)
Посему формула 8 имеет смысл только в нормальных условиях, когда упругие свойства материалов мак-
Сила Р, возникающая на уровне линии центра тяжести проплавленного участка (треугольник САБ), проходит через точку В и вызвана усадкой металла шва. Она (сила), в свою очередь, приведет к появлению изгибающего момента с плечом, равным двум третям глубины проплавленного слоя:
М = Р--а, Н-мм.
з
(12)
1587
Тогда изгибающий момент вызовет поворот второй зоны относительно нейтральной линии, проходящей через вершину треугольника САБ. Угол поворота будет равен [5]:
а = а1 + а2.
(16)
(13)
где J - момент инерции поперечного сечения второй зоны относительно оси у.
В условиях существования ограничений, препятствующих искажению геометрии сваренной конструкции, лист не сможет деформироваться. Тогда напряжения, возникшие в поперечном сечении проплавленного листа от действия сил, вызванных усадкой металла шва, вычислим как частный случай внецентренного сжатия:
н
мм2:
(14)
где - момент сопротивления поперечного сечения проплавляемого участка листа; Р - сила, приложенная в точке В; Б - толщина листа; а - глубина проплавленного участка; ЬШ - длина шва; F - площадь поперечного сечения листа.
Из ранее выдвинутых условий приведем к единичной длине іш. Тогда формула (14) примет вид:
а = —
— £ + —
S 3 S2
SP±4Pa
(15)
В случае жесткого закрепления металлоконструкции или существования факторов, препятствующих ее деформации, в зоне шва должны возникнуть напряжения, которые (в числовом выражении) будут максимально стремиться к пределу текучести наименее прочного материала (мягкой прослойки) в сварном соединении [7].
Если же напряжения, возникшие в сварном соединении, соизмеримы с величиной предела текучести свариваемого металла, то приложение внешней (рабочей) нагрузки, например, от действия сил инерции и груза (в случае грузоподъемных кранов), может привести к «вытягиванию» металлоконструкции, резкому изменению ее первоначальных геометрических форм и размеров, потере устойчивого равновесия и т. д.
Полученные данные [8, 9] свидетельствуют о том, что исследуемый вид сварного соединения в связи с конструктивными и технологическими особенностями нежелателен для выполнения ремонтных работ пролетных балок грузоподъемного оборудования. Однако при невозможности осуществления другого способа ремонта его использование не исключается. При применении в реставрации или ремонте восстановлении металлоконструкций вышеприведенного вида сварного соединения необходимо искать конструкторские и технологические решения, которые исключат или сведут к минимуму образование «вредных напряжений».
ЛИТЕРАТУРА
Резюмируя вышеизложенное, заключаем, что напряжения, возникающие в листе в результате появления ремонтного сварного шва, зависят от глубины проплавления, длины лицевой стороны шва и толщины самого листа.
Рассмотрим совместное действие напряжений в рассматриваемом шве (рис. 7).
Рис. 7. Сварной шов
Напряжения, возникающие в первом участке сварного соединения, обозначим как Они вызваны силами сжатия, стремящимися повернуть привариваемый лист 1 относительно линии, проецируемой в точке 1.
Напряжения, возникающие в участке 2, обозначим как ст2. Указанные напряжения вызваны силами сжатия, стремящимися согнуть лист 2 по линии, проходящей через точку, принадлежащую вершине непроплавлен-ного участка, проецируемой в точке 2.
Эквивалентное действие этих напряжений будет равно их алгебраической сумме и, соответственно, стремится вызвать деформацию металлоконструкции:
1. Окерблом Н.О. Конструктивно-технологическое проектирование сварных конструкций. М.: Машиностроение, 1964. 420 с.
2. Николаев Г. А. и др. Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций: учеб. пособие для машиностроительных вузов. М.: Высш. шк., 1971. 760 с.
3. Пономаренко Д.В., Сюкасев Г.М. Механизм возникновения сварочных напряжений и деформаций: учеб. электронное текстовое издание. М.: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2010. 46 с.
4. Николаев Г.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Расчет и проектирование: учебник для вузов / под ред. Г.А. Николаева. М.: Высш. шк., 1990. 446 с.
5. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. М.: Высш. шк., 1976. 424 с.
6. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / под ред. акад. Б.Е. Патона. М.: Машиностроение, 1974. 768 с.
7. Пояркова Е.В., Диньмухаметова Л.С., Халитов Т. Ф. Роль остаточных напряжений в оценке напряженно-деформированного состояния сварных соединений // Инновации. Инициатива. Опыт. Орск: Изд-во ОГТИ, 2011. № 1. С. 77-82.
8. Авдонин А.М., Пояркова Е.В. Ремонт крупногабаритного грузоподъемного оборудования с помощью ручной дуговой сварки (концепция исследования) // 14 внутривуз. науч.-практ. конф. Ор-ского гуманитарно-технологического института (ф-ла) ОГУ: материалы: в 3 ч. Орск: Изд-во ОГТИ, 2012. Ч. 3. Технические, физикоматематические и экономические науки. С. 3-7.
9. Авдонин А.М., Пояркова Е.В., Полухина В.И. Оценка качества монтажных сварных швов при проведении ремонтов металлоконструкции грузоподъемного оборудования // Инновации. Инициатива. Опыт: сб. науч. трудов / отв. ред. Н.Е. Ерофеева. Орск: Изд-во ОГТИ (ф-ла) ОГУ, 2012. Вып. 4. С. 107-121.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Avdonin A.M., Poyarkova E.V. FORECASTING OF AMOUNT OF STRAINS AND STRESSES ARISING IN REPAIR OF METAL BY WELDING
This work is devoted to finding methods of determining of the strains and stresses in the welds made by manual electric welding during the repair of metal constructions lifting equipment.
Key words: welding; metal construction; repair; internal stress; strain; bridge cranes.
1588
