таллургические изменения, происходящие в них, сильно зависят от количества тепла, вводимого в соединение электрической дугой, скорости сварки и скорости охлаждения металла.

Лроникновение зоны расплавления в свариваемый металл называют глубиной проплавления или проваром щва. При ручной сварке он составляет 1,5-2 мм, при механизированной сварке он больше. Глубина проплавления определяет коэффициент «полноты» угловых щвов (табл. 5.3). Чем глубже проплавление, тем лучше шов и особенно важно, чтобы необходимая глубина проплавления была в корне угловых швов.

В соответствии с законами теплопроводности характер температурных полей при сварке зависит от эффективной мощности источника нагрева и скорости его перемещения (рис. 5.5).

Снижение тепловой мощности дуги (ручная сварка) или увеличение скорости охлаждения уменьшает величину зон расплавления и термического влияния, увеличивает температурный градиент (крутизну кривой падения температуры) и способствует появлению закалочных структур, а следовательно, и появлению холодных трещин. Так же действуют повышение скорости сварки (без увеличения тепловой мощности дуги) и сварка при низкой температуре. Во время сварки при низкой температуре возможность хрупких разрушений усугубляется уменьшением вязкости и пластичности основного металла. Однако сварка хорошего качества при низких температурах вполне возможна. Для этого необходимо: применять металл с малым содержанием серы, фосфора и углерода (не более 0,2 %), лучше спокойной плавки; применять тщательно разработанный технологический процесс сварки, гарантирующий отсутствие непроваров шва; вести сварку электродами типов Э42А, Э50А и т. п. или под флюсом, что обеспечивает повышение пластических свойств шва; создавать конструктивную форму с минимальной концентрацией ШЕов и связанных с этим больших сварочных напряжений. Весьма существенное значение имеет тщательное выполнение концов шва без подрезов и других мест концентрации напряжений. Большинство повреждений сварных конструкций при низких температурах вовремя сварки или после сварки связано с концентрацией напряженийу подрезов металла и непроваров, а также с появлением холодных трещин. Сварка при низких температурах снижает ударную вязкость металла, не отражаясь на его временном сопротивлении.

Одной из проверок сварного соединения помимо испытаний на растяжение служит технологическая проба на загиб (рис. 5.6), выполняемая обычно при сварке на монтаже. Это испытание дает простую возможность выявить пластичность сварного шва. Для хороших швов угол загиба а достигает 180°,

2. Температурные напряжения и деформации при сварке

Причины возникновения и характеристика сварочных напряжений и деформаций. Неравномерный разогрев изделия при сварке порождает неравномерную температурную деформацию его. Монолитность материала изделия препятствует свободной температурной .деформации отдельных частей его, в результате чего во время сварки образуются напряжения и пластическая деформация части металла соединения, а после охлаждения в изделии остаются сварочные напряжения и деформации. Оставшиеся после сварки напряжения и деформации называются термическими сварочными. Эти напряжения, не связанные с действием внешних сил, являются внутренними, собственными напряжениями первого рода, уравновешиваемыми в объеме элемента и вызывающими его деформацию. Помимо термических сварочных напряжений в соединении могут существовать напряжения структурные, получающиеся в результате быстрого охлаждения соединения и появления переохлажденнь1Х структур, не свойственных данному температурному состоянию изделич, например мартенсита. Структурные напряжения сильно зависят от

можность свободной деформации закрепленного по краям изделия вызывает большие растягивающие напряжения в нем, которые могут привести к разрушению.

Возникновение в стыковом шве и в околошовной зоие растягивающих сварочных напряжений двух направлений создает плоско напряженное состояние этой зоны, что может привести к хрупкому разрушению.

Сварочные напряжения и деформации при соединении угловыми швами. В угловых швах также возникают сварочные напряжения, так как жесткость соединяемых элементов препятствует свободному сокращению шва при остывании. Остаточные сварочные напряжения вызывают продольную и поперечную усадку швов и деформацию элементов (рис. 5.9). Усадка происходит всегда к центру шва. Наиболее неблагоприятна поперечная усадка, которая примерно в 10 раз больше продольной.

Снизить сварочные деформации можно рядом технологических мероприятий, в том числе закреплением или даже выгибом изделия в сторону, обратную его усадке, однако в этом случае увеличиваются сварочные напряжения.

Влияние сварочных напряжений на прочность соединения. Сварочные напряжения линейного характера не влияют на прочность изделия при наличии в соединении от внешних усилий тоже линейного напряженного состояния, совпадающего по направлению с первым. В силу уравновешенности сварочных напряжений они будут увеличивать и уменьшать напряжения от внешней нагрузки, но не будут нарушать равновесия внешних сил, действующих на изделие. Сварочные напряжения, совпадающие по знаку с напряжениями от нагрузки, могут вызвать преждевременное появление местной текучести в изделии, выравнивающей неравномерное распределение напряжений. Пластическая работа материала в этом случае уменьшает сварочные напряжения, и после первой же разгрузки конструкция работает упруго.

При плоском однозначном поле сварочных напряжений (например, средняя зона*двух листов, сваренных встык, испытывающая растяжение в двух направлениях) они препятствуют развитию пластичности при суммировании сварочных и силовых напряжений и могут вызвать хрупкое разрушение изделия. Их неблагоприятное воздействие усиливается источниками концентрации напряжений вследствие дефектов сварного шва. Особенно опасны сварочные напряжения, появляющиеся при сварке толстых изделий, так как в этом случае распределе?гие остаточных напряжений носит объемный характер, еще более затрудняющий влияние пластичности материала иа выравнивание напряжения.

§ 4. работа и расчет сварных соединении

Прочность сварных соединений зависит от: прочности основного металла соединяемых элементов, прочности наплавленного металла шва, формы и вида соединения и связанного с этим распределения напряжений в соединении, характера силового воздействия на соединение, технологии сварки.

Прочность наплавленного металла шва определяется составом электродной проволоки, составом обмазки или флюса при .механизированной сварке и технологией сварки. Рекомендация применения сварочных материалов при дуговой сварке конструкции из сталей разных классов помещена в табл. 5.1. Применение этих материалов при правильном технологическом процессе обеспечивает получение прочностных характеристик металла соединения не ниже характеристик основного металла, что видно из табл. 5.1. Однако при некачественном выполнении шва в аем могут оказаться поры, газовые и шлаковые включения и прочие внутренние дефекты, которые являются внутренними источниками кон-иеитрации напряжений и будут ослаблять шов при его работе на растя-

жение. Поэтому стыковой шов, работающий на растяжение, принимается равнопрочным основному металлу только в том случае, если он будет надежно проверен одним из физических методов контроля (просвечивание рентгеновскими или гамма-лучами, проверка ультразвуком) и признан годным к эксплуатации. На стыковые швы, работающие на сжатие или срез, влияние возможных внутренних источников концентрации напряжений (газовые и шлаковые включения, поры и т. п.) оказывается меньшим, а потому применение физических методов контроля для них не является обязательным. Это позволяет принимать для таких швов расчетные сопротивления равными сопротивлению основного металла.

Угловые швы (лобовые и фланговые) всегда испытывают совокупность воздействий осевой силы, изгиба и среза, имеют значительную концентрацию напряжений и их расчет носит условный характер.

1. Работа и расчет соединений стыковых швов

Хорошо сваренные встык соединения имеют весьма небольшую концентрацию напряжений у начала наплава шва, поэтому прочность таких соединений при растяжении или сжатии в первую очередь зависит от прочностных характеристик основного металла и .металла шва. Различия разделки кромок соединяемых элементов не влияют на статическую прочность соединения и могут не учитываться.

В стыковом шве при действии на него центрально-приложенной силы Л распределение напряжений по длине шва принимается равномерным, рабочая толщина шва принимается равной меньшей из толщин соединяемых элементов. Поэтому напряжение в шве, расположенном перпендикулярно оси элемента (рис. 5.10, а), определяется по формуле

а N/tlu,< Ry, (5.1)

где N - расчетное усилие; t - рабочая толщина шва - наименьшая толщина соединяемых элементов; /ш - расчетная длина шва, равная его полной длине, если начало и конец шва выведены за пределы стыка, в ином случае /ш=/-2t, где / - фактическая длина шва; -расчетное сопротивление сварного стыкового соединения сжатию или растяжению, у - коэффициент условий работы элемента.

Для стыковых соединений, в которых невозможно обеспечить полный провар по толщине свариваемых элементов путем подварки корня шва или применения остающейся стальной подкладки, в формуле (5.1) вместо t следует принимать 0,7t.

Расчетное сопротивление стыкового соединения, выполненного автоматической, полуавтоматической или ручной сваркой материалами, рекомендованными табл. 5.1, принимается: при сжатии соединения независимо от методов контроля R=R; при растяжении (осевом или при изгибе) соединения, проверенного физическими методами контроля, jcB~f. при растяжении соединения, не проверенного физическими методами контроля, R< = 0,85R; при сдвиге соединения R =Rcp, где R

и Rcp - расчетные сопротивления основного металла.

Если расчетное сопротивление сварки в стыковом соединении R меньше расчетного сопротивления основного металла и в стыкуемом элементе действующие напряжения превышают то для увеличения длины шва его делают косым (рис. 5.10,6). Косые швы с наклоном реза tg а = 2 : 1, как правило, равнопрочны с основным металлом и потому не требуют проверки.

В отдельных случаях, когда необходимо снизить напряжение, например при вибрационной нагрузке, приходится рассчитывать и косые швы. Разложив действующее усилие на направление, перпендикулярное оси шва, и вдоль шва, находим напряжения:

перпендикулярно шву 0ш = iV sin a/f/и,; (5.2) вдоль шва Тш = cos а ш> (5-3) b

где /ш= -:--2t - расчетная длина косого шва.

sina