CC BY
53
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Квагинидзе В.С. - доктор технических наук, профессор, ОАО ХК «Якутуголь»,
Чупейкина Н.Н. - кандидат технических наук, ОАО ХК «Якутуголь».
А__________
------------------------------ © В.С. Квагинидзе, Н.Н. Чупейкина,
2007
УДК 621.879:622.271.4
В.С. Квагинидзе, Н.Н. Чупейкина
СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ ПРИ РЕМОНТНОЙ СВАРКЕ
У^азрушение металлоконструкций горно-транспортного обо--мГ рудования происходит в большинстве случаев от мест ре-
монтных сварных соединений. Разрушения несущих конструкций горно-транспортного оборудования можно разделить на четыре группы: по схеме возникновения — внезапные, постоянные и релаксационные; по причине возникновения — конструктивные, технологические, износные; по связи с другими отказами — зависимые и независимые; по признаку проявления — явные и неявные. При этом хрупкие разрушения деталей при одновременном действии низких температур и нагрузок, не превышающие допустимые, относят к релаксационным.
Причинами образования и развития трещин от мест сварки являются возникающие при сварке напряжения и деформации.
В сварных конструкциях обычно возникают и действуют линейные и плоскостные напряжения:
а) продольные, направленные параллельно оси шва;
б) поперечные, направленные перпендикулярно оси шва.
Объемные напряжения возникают обычно при толщине металла более 50 мм и для большинства конструкций не характерны.
В процессе сварки при нагреве стали предел прочности св несколько повышается в пределах температур 150—400 °С, а относительное удлинение 5 в интервале этих температур падает. Модуль упругости Е и предел текучести с8 стали при повышении температуры непрерывно падают. При температуре Тп= 600 г 650 °С сталь утрачивает свои упругие свойства, так как модуль упругости и предел текучести при этой температуре имеют очень малые значения.
В условиях дуговой сварки температура от 1600 °С в зоне плавления металла падает до 20—30 °С на расстоянии 60-100 мм от дуги (в поперечном направлении к оси шва). Соответственно степени нагрева происходит изменение линейных размеров отдельных волокон металла. Однако соседние, менее нагретые участки металла препятствуют этим изменениям.
Во время охлаждения свободному укорачиванию волокон, нагретых до высоких температур и подвергшихся пластическому сжатию, будут препятствовать менее нагретые участки металла, в результате чего в шве и прилежащих зонах возникают и сохраняются растягивающие сварочные напряжения. Кроме того, неравно -мерный нагрев при сварке приводит к появлению остаточных напряжений растяжения, достигающих, как правило, предела текучести.
Закрепление деталей в процессе сварки приводит к возникновению реактивных напряжений вследствие противодействия креплений изменению размеров деталей при их нагреве и охлаждении. Уменьшение расстояний между креплениями, увеличение зоны разогрева и объема расплавленного металла вызывают возрастание величины реактивных напряжений, которые могут изменить распределение остаточных сварочных напряжений. При удалении креплений реактивные напряжения исчезают.
Сварка легированных и высокоуглеродистых сталей, для которых характерны процессы образования и распада аустенита при температуре 700—900 °С, сопровождается значительными объемными изменениями, так как коэффициент теп-лового расширения а-железа составляет 1,2 • 10-5, а .у-железа - 2 • 10-5. В закаливающихся сталях аустенит переохлаждается до температуры 200—350 °С и превращается в мартенсит с резким увеличением объема. При этом возникают структурные напряжения, которые, суммируясь со сварочными, могут привести к увеличению общего напряженного состояния. При сварке малоуглеродистых конструкционных сталей образования мартенсита не происходит, структурные напряжения весьма незначительны и ими можно пренебрегать.
Возникающие различные виды и величины сварочных напряжений приводят к образованию разнообразных деформаций, так, например, из-за неравномерности нагрева возникают местные пластические деформации сжатия. При этом в зонах,
Рис. 1. Разновидности сварочных деформаций: а, б, - искривление продольной оси; в - уменьшение продольного размера; г - уменьшение поперечного размера и искривление поперечных кромок; д - поворот сечений; е - поворот и изгиб полки; ж - грибовидность полки; з - общие и местные деформации балки таврового сечения с ребрами жесткости
нагретых свыше 600 °С, не требуется больших усилий для осуществления таких пластических деформаций в связи с малыми значениями модуля упругости стали.
Величина пластических деформаций сжатия вп.с при нагреве будет тем больше, чем жестче свариваемый элемент. С уменьшением жесткости элемента может измениться его форма, что приведет к снижению пластических деформаций сжатия.
Высокая степень неравномерности нагрева при сварке плавлением обусловливает возникновение в околошовной зоне значительных упругопластических деформаций.
Продольные сварочные напряжения вызывают деформацию изгиба продольной оси стержневых элементов, уменьшение продольных, размеров и искривление кромок при сварке широких полос. Поперечные сварочные напряжения вызывают перемещение свариваемых элементов в направлении к оси шва и уменьшение общей ширины деталей (Ннач>Нкон). Несимметричное поперечное
сечение стыкового или углового шва приводит к изменению угла сопряжения свариваемых элементов или образованию грибовидно-сти в полках тавровых соединений.
На рис. 1 представлены наиболее характерные виды сварочных деформаций.
Кроме общих деформаций, вызывающих искажение формы и размеров всего элемента, возможны местные деформаций. Например, балка таврового сечения с приваренными ребрами будет иметь изгиб продольной оси, дополнительное укорочение ее от приварки поперечных ребер и волнистость полки.
В результате возникающих сварочных напряжений и деформаций происходит разрушение ответственных металлоконструкций горнотранспортного оборудования. В связи с этим, необходимо провести ряд исследований с целью определения основных параметров режима ремонтной сварки, оказывающих влияние на величину и количество возникающих при сварке напряжений и деформаций, что позволит разработать комплекс мероприятий, направленных на уменьшение возникающих при сварке напряжений и деформаций и повышения долговечности и работоспособности металлоконструкций в целом.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Квагинидзе В.С. - доктор технических наук, профессор, ОАО ХК «Якутуголь»,
Корецкий В. Б. - кандидат технических наук, доцент, ТИ (Ф) ГОУ ВПО ЯГУ,
Чупейкина Н.Н. - кандидат технических наук, ОАО ХК «Якутуголь».
