Тема 1. 2. Неоднорідність зварних з'єднань

На практиці поряд з однорідними тілами (властивості для усіх точок тіла однакові), які є основними об’єктами, що розглядаються в теорії пружності, теорії пластичності та опору матеріалів, мають місце і неоднорідні тіла, для яких властивості або стан в різних точках неоднакові. Зварні з’єднання внаслідок технологічних і конструктивних особливостей характеризуються наявністю неоднорідностей різного виду.

Механічна неоднорідність. У більшості випадків процес отримання зварного з’єднання пов’язаний з введенням в матеріал, що підлягає зварюванню, теплоти і її розповсюдженням внаслідок теплопровідності. Характер розподілу максимальних температур в поперечному перерізі зварного з єднання (рис.1.10) показує, що метал в процесі зварювання нагрівався в широкому діапазоні температур – від температури плавлення до температури довкілля.

Рис.1.10. Розподіл температур у зварному з’єднанні.

Тобто, має місце нерівномірне нагрівання і в залежності від температури нагріву в зварному з’єднанні можна виділити три характерних зони: перша - метал зварного шва, де метал нагрівався до температури плавлення (до стану рідини), друга – зона термічного впливу, де в процесі нагрівання – охолодження мали місце структурні перетворення, і третя зона – основний метал, де ніяких змін не відбувалось.

Зона металу шва - це зона, де метал, що зварюється, та присадковий метал нагріваються до розплавлення з наступним охолодженням та кристалізацією. При цьому мають місце металургійні процеси взаємодії різних фаз - рідкого і твердого металів, газу і рідкого шлаку. Взаємодія фаз спочатку має місце в умовах підвищення, а потім в умовах зниження температури. В залежності від умов (температури, часу взаємодії, початкових та рівновагових концентрацій, тощо) повнота реакцій і їх напрямок можуть бути різними. Це може привести до зміни складу і властивостей металу цієї зони.

Крім того, при переході металу від рідкого стану до твердого (процес кристалізації) формується так звана первинна структура, яка суттєво впливає на властивості зварного з’єднання. Тип первинної структури залежить від теплових і кінетичних умов кристалізації, хімічного складу розплаву та швидкості його охолодження.

Під час нагрівання і охолодження металу другої зони (зона термічного впливу) в ній мають місце фазові і структурні перетворення в твердому стані. Умови, при яких мають місце ці перетворення, повністю визначаються термічним циклом зварювання. Основними параметрами термічного циклу є максимальна температура нагріву, термін знаходження металу вище температури кінця фазового перетворення ( ), швидкість нагрівання і охолодження в інтервалі фазових перетворень.

Зрозуміло, що механічні властивості цих трьох зон відрізняються, отже має місце так звана механічна неоднорідність. Відомо, що між показниками механічних властивостей (межею текучості, міцності) і значенням твердості існує певна залежність. Таким чином, аналізуючи розподіл твердості в поперечному перерізі зварного з’єднання, можна оцінювати наявність того чи іншого виду механічної неоднорідності зварного з’єднання.

Зварні з'єднання з м’яким та твердим прошарком (рис.1.11).Принципово, в залежності від марки основного матеріалу і його початкового стану, в процесі нагрівання – охолодження в зварному з’єднанні може сформуватися зона зі значенням твердості Н більш низьким ніж в інших

Рис.1.11 Зварне з’єднання з м’яким (а) і твердим (б) прошарком.

зонах (при зварюванні загартованої сталі внаслідок відпалу), або, навпаки, більш високим значенням Н (при зварюванні відпаленої сталі, здатної до загартування).

Конструктивна неоднорідність. Зварне з'єднання характеризується також конструктивною неоднорідністю, що викликана як обрисом зварного шва, так і конструкцією з'єднання. Це призводить до концентрації напружень. Розглянемо концентрацію напружень в різних типах зварних з’єднань при зварюванні плавленням та тиском.

Стикові з’єднання. У стикових з'єднаннях з обробленими гладкими поверхнями швів, що не мають внутрішніх дефектів (непроварів, тріщин, пор, шлакових включень), напруження від подовжньої сили розподіляються рівномірно по поперечному перерізу 1-1 елементів, що з'єднуються, і визначаються за формулою (рис.1.12.) (l δ довжина шва).

В зонах шва, що прилягають до основного металу (переріз 2-2), має місце концентрація напружень, яка визначається коефіцієнтом концентрації напружень .

Рис.1.12. Концентрація напружень в стиковому з’єднанні.

Викликана обрисом (геометрією) шва концентрація напружень, яка має місце в зоні сполучення шва з основним металом, залежить від величини випуклості шва c і радіуса переходу r. Характер впливу цих параметрів на коефіцієнт концентрації напружень зображений на рис.1.13.

Рис.1.13. Вплив на концентрацію напружень форми стикового шва.

Стикові шви при усіх видах зварювання - дуговому, контактному, електронно-променевому - є оптимальними у відношенні концентрації напружень. При якісному технологічному процесі, відсутності пор, непроварів, включень, зсуву окрайок, при доведенні до мінімуму залишкових місцевих зварювальних деформацій і, нарешті, що особливо важливо, при раціональній формі швів, їхніх плавних сполученнях з основним металом коефіцієнт концентрації напружень може бути зведений до значень, близьких до одиниці. В інших типах з'єднань такий результат одержати практично неможливо.

З’єднання внакладку з лобовим швом. Розподіл напружень у лобових швах визначався теоретично - на основі положень теорії пружності і пластичності та експериментально - на моделях із застосуванням поляризованого світла, лакових покриттів, тензометрування. Останнім часом розвивається метод числового моделювання на ЕОМ, який дозволяє одержати найбільш повну інформацію про напружено-деформований стан металу шва і, на відміну від інших розрахункових методів, досить добре погоджується з даними експериментів. Експерименти і розрахунки підтвердили наявність значної концентрації напружень в лобових швах і великий вплив на їх розподіл конфігурації поперечного перерізу шва, глибини проплавлення, кута при вершині шва і форми вільної поверхні шва. Концентрація напружень помітно знижується при збільшенні глибини проплавлення, збільшенні кута і введенні плавних переходів від шва до основного металу.

Розрахунки показали, що при зростанні навантажень відбувається вирівнювання деформацій в металі шва і зниження концентрації напружень. Розподіл напружень у з'єднаннях з лобовими швами показаний на рис 1.14.

Рис. 1.14. Розподіл напружень в перерізі А-А (а), та В-В (б).

У з'єднаннях внакладку з двома лобовими швами зусилля між ними розподіляються рівномірно, у випадку якщо елементи мають рівні товщини.

З’єднання внакладку із фланговими швами. В цьому випадку має місце концентрація напружень у швах і в основному металі смуг між швами.

Розглянемо з'єднання двох смуг, зварених швами з катетом К і довжиною l (рис.1.15.).

Через незначну ширину смуг умовно приймемо розподіл напружень у смугах рівномірним по їхній ширині. Основні елементи під дією зусиль розтягнення подовжуються і переміщуються, викликаючи у флангових швах утворення деформації зсуву. Прямокутний елемент dx шва 1-1-2-2 перетворюється в паралелограм 1’-1" -2’-2" (рис.1.15.). Найбільші деформації спостерігаються в крайніх точках шва, найменші - у середніх. Тому дотичні напруження розподіляються по довжині шва нерівномірно.

Рис.1.15. Розподіл напружень у з’єднанні з фланговими швами.

Розглянемо розподіл нормальних напружень між фланговими швами в з'єднаннях внакладку (рис.1.16.). Допустимо, що флангові шви мають невелику довжину і приймемо умовно, що напруження уздовж їх довжини однакові. Ширину листів 2а будемо вважати значною, і визначимо концентрацію напружень у металі листів, що викликана фланговими швами.

Рис. 1.16. Розподіл напружень в накладці.

Силовий потік у розтягнутому листі згущається в зоні флангових швів, а середня частина напружена мало. Тому в розглянутому з'єднанні відповідно розподіляються інормальні напруження . Вони максимальні на краях накладки і мінімальні по середині.

У з'єднанні з фланговими швами завжди виникає концентрація напружень. У з'єднаннях з довгими фланговими швами при невеликій відстані між ними концентрація утвориться головним чином у кінцях флангових швів (концентрація дотичних напружень ). У з'єднаннях з короткими фланговими швами при відносно великій відстані між ними концентрація виникає переважно в основному металі на ділянці між швами (концентрація нормальних напружень ). У з'єднаннях зварних конструкцій утворюються обидві різновиди концентрацій у більш-менш різко вираженій формі.

З’єднання внакладку з лобовими і фланговими швами (комбіновані з’єднання). Розподіл напружень у з'єднаннях з накладками нерівномірний. У тих з'єднаннях, де стикові шви перекриті однобічними накладками, утворюється ексцентриситет сил і з'являється згинаючий момент. У таких з'єднаннях напруження не тільки не зменшуються в порівнянні зі стиковими швами без накладок, але навіть помітно зростають. У з'єднаннях, що не мають стикових швів, накладки теж викликають значну концентрацію напружень.

На рис.1.17. показані результати експериментального вивчення розподілу напружень у різних поперечних перерізах (А-А, Б-Б, В-В) з'єднань з однобічними накладками, коли накладки приварені до смуг, що з'єднуються, тільки фланговими швами.

Рис.1.17. Розподіл напружень в з’єднанні з накладками.

У точках, близько розташованих до флангових швів, утвориться концентрація напружень: точки, які віддалені від швів і знаходяться біля осі елемента, напружені дуже мало. При віддаленні від накладок епюра напружень у поперечному перерізі вирівнюється і елемент працює більш рівномірно.

Нерівномірність розподілу напружень по поперечному перерізу накладок значно зменшується при додаванні до флангових швів лобових. На рис.1.17. показаний розподіл напружень у такому з'єднанні в перетинах Г-Г, Д-Д, Е-Е.

Таврові з’єднання. Концентрація напружень має місце також у лобових швах таврових з'єднань. Так, біля ребер жорсткості, приварених до елемента, що розтягується, (рис.1.18, а.), утвориться концентрації напружень по перерізу А-А. Епюра цих напружень показана на рис. 1.18, б.

Рис.1.18. Концентрація напружень в тавровому з’єднанні.

Коефіцієнт концентрації напружень у шві таврового з'єднання залежить від його обрису (геометрії) і від форми сполучення з основним металом.

З’єднання при шовному контактному зварюванні. У з'єднаннях, виконаних шовним контактним зварюванням, нерівномірність розподілу викликана рядом причин:

1. Розподіл напружень у зоні шва по довжині деталі при розтягненні відбувається нерівномірно. Коефіцієнт концентрації напружень при розтягненні деталей, як правило, не великий і лише незначно перевищує одиницю.

2. При розтягненні з'єднання відбувається вигин деталі (рис.1.19.), що звичайно не враховується при розрахунку.

Варто пам'ятати, що за межею текучості відбувається деяке вирівнювання напружень і коефіцієнт концентрації при цьому знижується.

Рис.1.19. Концентрація напружень в з’єднанні з шовним швом.

З’єднання при точковому контактному зварюванні. У точкових з'єднаннях виникає концентрація напружень, обумовлена рядом факторів:

I. У результаті згущення силових ліній по ширині і товщині основного металу утворюється концентрація напружень у зоні точки (рис.1.20.). Інтенсивність згущення визначає концентрацію. Вона росте з ростом відносини t/d (t - відстань між точками в напрямку, перпендикулярному дії сили; d - діаметр точки).

На рис.1.20. показана епюра розподілу нормальних напружень у поздовжньому перерізі з'єднання. Максимального значення напруження досягають в перерізі 0-0.

Рис.1.20. Концентрація напружень в точкових з’єднаннях:

А - загальний вигляд; б - розподіл? у поздовжньому перерізі.

Зусилля в окремих точках з'єднання, розташованих у подовжньому ряді, при їхній роботі в пружній області не однакові. За умови, що поперечний переріз елементів, що з'єднуються, однаковий, крок точок у подовжньому ряді - t, ширина зразка чи крок у поперечному напрямку – 3d, розподіл зусиль між точками в подовжньому ряді даний в таблиці 1.4.

Таблиця 1.4. Розподіл зусиль між точками в подовжньому ряді

Крайні точки виявляються навантаженими значно сильніше, ніж середні. Зі збільшенням числа точок у подовжньому ряді така диспропорція зростає. Подібне явище має місце при роботі в межах пружності. За межею текучості настає значне вирівнювання зусиль.

Конструктивна неоднорідність також виникає внаслідок утворення залишкових напружень різної інтенсивності від зварювання та технологічних дефектів (газові пори, шлакові включення, гарячі та холодні тріщини, непровари, підрізи, тощо).

Вплив неоднорідності зварних з'єднань на їх міцність при дії статичногоабо змінного навантаження. Розглянемо, як наявність прошарків впливає на руйнуваннязварного з’єднання двох стержнів прямокутного перерізу при статичному розтягненні поперек шва. При статичному розтягненні процес руйнування стержня починається з формування шийки. Якщо стержень з однорідного матеріалу (незварний) і достатньої довжини, то зародження шийки може бути в будь якому поперечному перерізі стержня. У випадку зварного стержня з твердим прошарком шийка почне формуватися поза цією зоною внаслідок різних пластичних властивостей. Тому і руйнування буде мати місце поза цією зоною (наприклад, по основному металу). Отже, міцність стержня буде визначатися виключно властивостями основного металу.

У випадку наявності м’якого прошарку при навантаженні спочатку одночасно пружно (однорідно) деформується як метал прошарку, так і метал суміжних ділянок основного металу. Така деформація має місце поки вона не досягне значення межі текучості м’якого прошарку. При подальшому збільшенні навантаження в металі прошарку будуть розвиватися пластичні деформації, а суміжні ділянки залишаться в пружному стані. При цьому коефіцієнт поперечної деформації для прошарку буде зростати ( ), а для решти ділянок він залишиться незмінним (  0, 3). Внаслідок різної поперечної деформації на площинах розділу між прошарком і сусідніми ділянками виникнуть дотичні напруження. Вони будуть заважати поперечному звуженню прошарку в напрямку товщини і тим самим перешкоджати формуванню шийки, а значить і руйнуванню. Таке явище отримало назву контактне зміцнення. Ефект контактного зміцнення тим вищий, чим вужча відносна ширина прошарку (відношення ширини прошарку до її товщини ). Розрізняють широкі ( ) і вузькі ( ) прошарки. Поперечне звуження вузького прошарку менше, ніж для широкого і тому площа руйнування для вузького прошарку буде більшою, а значить, його міцність вища (практично дорівнюватиме міцності основного металу). Приймається, що для зварних з’єднань характерним є наявність широкого м’якого прошарку. Це означає, що при проведенні розрахунків на міцність зварних з’єднань їхня міцність визначається, виходячи з властивостей металу м’якого прошарку.

Таким чином, треба відзначити, що зварні з’єднання характеризуються наявністю механічної неоднорідності у вигляді прошарків. При розрахунках на міцність тверді прошарки не беруться до уваги, а наявність м’якого прошарку треба обов’язково враховувати.

Щоб оцінити вплив концентрації напружень на міцність, розглянемо процес їхнього формування при навантаженні пластини з отвором статичною силою (рис.1.21.).

Розподіл напружень в пластині з концентратором при статичному навантаженні в перерізі А-А показана на рис.1.21, а. Виберемо силу Р такою, щоб _. Збільшимо силу Р так, щоб , одночасно зростуть і (рис.1.21, б.). Якщо далі збільшувати силу Р, то напруження не зростуть, тому що пройде тільки пластична (залишкова) деформація, а напруження досягнуть значення _. Епюра напружень у цьому випадку має вид на рис.1.21, в, тобто концентрація напружень відсутня. Якщо пластина буде навантажуватися перемінною силою Р, то в результаті кожного циклу навантаження в місці концентрації напружень буде відбуватися накопичення пластичної деформації і врешті вичерпання запасу пластичності металу, що приведе до початку руйнування.

Рис.1.21. Розподіл напружень в пластині з концентратором при статичному навантаженні.

Таким чином, при розрахунках на міцність наявність концентрації напружень варто враховувати тільки при дії змінного навантаження, а при статичному навантаженні її не враховують.