ПОВЕДЕНИЕ НА ЗАВАРЕНИТЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИ РАЗЛИЧНИ
ВИДОВЕ НАТОВАРВАНИЯ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Статична якост.
Якост при повишена температура.
Нискотемпературна якост.
Уморна якост.
Устойчивост при пълзене.
Поведение при ударно натоварване.
Влияние на надрезите и заваръчните дефекти.
Приложимост на техниките за подобряване на съединението.
Литература
2
5
6
8
12
13
13
14
16
1. ПОВЕДЕНИЕ НА ЗАВАРЕНИТЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИ РАЗЛИЧНИ
ВИДОВЕ НАТОВАРВАНИЯ
Заварените съединения, респ. конструкции могат по принцип да бъдат
изложени на следните външни въздействия – натоварвания:
• Преобладаващо статично натоварване. Изискванията по отношение
на съпротивлението на завареното съединение при това натоварване
е са насочени срещу настъпване на:
o разрушаване от претоварване;
o крехко разрушаване;
o терасовидно разрушаване;
o загуба на устойчивост.
• Преобладаващо динамично натоварване. Съпротивлението на
заварените съединения се свежда до предотвратяване на
разрушаването :
o от умора при циклично натоварване
o от ударно натоварване.
o Натоварване под температурно въздействието. Специфичното
поведение на заварените съединения се проявява при:
o въздействието на високи температури (пълзене), за което е
отговорна температурната зависимост на границата на
провлачане;
o въздействието на ниски температури, за което е отговорно
температурната зависимост на жилавостта на метала .
Заварените съединения трябва да бъдат така проектирани (конструктивно
оформени и оразмерени) и изработени, че да противостоят на предвидените
натоварвания и да не достигат тези гранични състояния, т.е. да притежават
товароносимост.
1.1. Статична якост.
При оразмеряването на елементите на конструкциите и на заваръчните
шевове, натоварени предимно статично, се приемат стойности за якост, които се
определят на базата на кратковременни изпитвания (напр.изпитване на опън).
Натоварването по време на изпитването може да бъде на опън, натиск, срязване,
огъване или усукване. Основно условие е то да създава едноосно напрежение. Ако
един прът се натоварва не само по една ос, а по две или три, то в този случай
способността за удължаване в напречна посока е силно намалена.
2
При пръти, които нямат много остри
конструктивни надрези, както това е
нормално за конструктивните елементи,
подложени
предимно
статично
натоварване, няма голяма разлика в
якостите.
Гладкият
прът
има
приблизително еднаква якост при
"опъване" с пръта със странична планка
(фиг.1). Това обстоятелство води до
значителни
опростявания
при
конструирането на предимно статично
натоварени заварени конструкции в
сравнение с динамично натоварените
Фиг.1.
конструкции.
Шев с доказано качество означава, че шевът не съдържа пукнатини,
несплавявания и непровари, както и неметални включвания, като се изключват
единичните и незначителни пори и шлакови включвания и това е доказано чрез
пролъчване (радиографски контрол) или ултразвукова дефектоскопия. При
шевовете с недоказано качество трябва да са спазени следните изисквания при
провеждане на заваряването: бездефектно проваряване на корена (коренът се
изсича и се прави подвар или при едностранно заваряване с подходящи средства
се обезпечава проваряването на корена); липсват кратери в края на шева при
челни шевове, което се обезпечава с входящи и изходящи планки; плавни преходи
между шева и основния метал без подрези; няма пукнатини, несплавявания и
дефекти в корена и чужди включвания. Съпоставянето на различни заварени
съединения с планка без заваръчан шев е показано на фиг.2.
Фиг. 2-а) шевове с доказано качество
3
б) шевове с недоказано качество
Фиг.2.
Поради взаимното влияние на челните шевове, които са натоварени от
нормални напрежения (определящ за деформацията е модулът Е), и
деформируемите ъглови шевове, натоварени на срязване (тук определящ
деформацията е модулът G), е възможно да настъпи неравномерно пренасяне на
усилията, което да доведе до намаляване на общата носеща способност.
Напреженията на разрушаване в този случай са по-малки отколкото биха били,
ако цялата площ на заваръчните шевове би била само челна. Примери за такива
съединения са дадени на фиг.3.
Фиг.3.
При челни шевове с пълен провар за дебелина на шева „а“ се взима
дебелината на свързваните части. При части с различна дебелина се взима тази на
по-тънката част. При шевове с непълен провар изчислителната дебелина на
челния шев е равна на сумарната дълбочина на провара. Изчислителната дебелина
"a" на ъглов заваръчен шев следва да се приема равна на височината към
външната страна на най-големия триъгълник (равнобедрен или разностранен),
който може да се впише между повърхностите на сплавяване и повърхността на
заваръчния шев (съгласно БДС EN 1993-1-8).
4
Минималната дебелина на ъгловия шев min a се определя се в съответствие
със стандарти или други валидни нормативни документи, например:
съгласно EN 1993-1-8
min a = 3.0 mm
съгласно EN 15085-3
min a = 2.0 mm (стомана) респ.
min a = 3.0 mm (алуминий)
съгласно RiL 804
min a = 3.5 mm
По технологични съображения при дебелина на ламарините до 30 мм се
предписва минимална дебелина на ъгловия шев съгласно формулата
min a = (max t)1/2 – 0,5.
Максималната дебелина на ъгловия шев max a трябва да бъде не по-голяма
от 0,7.min t (min t - минимална заварявана дебелина в съединението).
Изчислителната дължина на шева lW е равна на общата дължина на шева,
когато са използвани технологични (входящи-изходящи) планки или
технологични процеси, които осигуряват геометрия на началото и края на шева
еквивалентна на проектната. В противен случай изчислителната дължина следва
да бъде намалена с отчитане на реалния технологичен процес. При ъгловите
шевове в съединения с препокриване се ограничава максималната дължина на
шева - обикновено до (120÷150)а.
1.2. Якост при повишена температура.
С повишаване на температурата намаляват якостните характеристики на
стоманите - граница на провлачане и граница на якост. Характеристиките на
пластичността относително удъбжаване и напречно свиване нарастват (понякога
преминават през максимум). Ето защо, при заварени конструкции, които се
експлоатират при повишени температури не е достатъчно носещата им
способност да се оценява на базата на получените при стайна температура
характеристики на материала (фиг.4). По тези причини за оценяване на носещата
способност на температурно натоварените конструкции са необходими
допълнителни якостни величини, например: граница на провлачане при високи
температури Rp0.2/Т – това е напрежението, отнесено към първоначалното сечение
при стайна температура, което при изпитване на опън при определена
температура Т предизвиква пластична деформация 0.2%; модул на еластичност Е
и коефициент на топлинно разширение αТ при повишени температури.
5
Стомана легирана с Mn
Cu-Cr-Zr сплав
Влияние на температурата върху
модула на еластичност.
Средновъглеродна стомана (AISI 1050)
Фиг.4. Зависимост на характеристиките на материала от температурата.
1.3. Нискотемпературна якост.
Оценяването на материалите и заварените съединения за използването им
при ниски температури изисква познаването на измененията на свойствата с
намаляване на температурата, тъй като при понижаване на температура якостта на
опън, границата провлачане и твърдостта нарастват, докато относителното
удължение и напречното свиване при разрушаване, както и ударната якост
намаляват - фиг.5 .
6
Възможната загуба на пластичност
на стоманите, които се внедряват при
ниски температури е в центъра на
вниманието на специалистите по
заваряване. Сигурността на дадена
конструктивна част е поставена под
въпрос, тъй като поради силно
снижената жилавост/пластичност на
Фиг.5
метала при такива температури на
експлоатация значително е ограничаване възможността за пластична деформация
и по този начин не могат да бъдат разградени пиковите напрежения.
Известно е, че при феритните стомани (с обемно центрирана кубична
решетка) се наблюдава преход от пластично в крехко състояние, което не е само
функция на температурата, а в значителна степен зависи и от вида на
натоварването. Под това се разбира типа на напрегнатото състояние и скоростта
на натоварването. Напълно крехко разрушаване на гладка и квазистатично
натоварена проба се наблюдава едва при много ниски температури. И обратно, то
може да се наблюдава при повишени температури, когато е налице многоосно
натоварване (ограничена деформируемост) и повишена скорост на натоварване
(ударно натоварване).
Преходната температура, която характеризира стръмния преход от пластично
в крехко състояние само на феритните стомани (аустенитните стомани със
равнинно центрирана кубична решетка запазват висока пластичност и жилавост и
до най-ниски температури) и е мерило за приложимостта на тези стомани до
определени ниски температури, зависи в голяма степен и от
условията(строгостта) на изпитването.
Определящо влияние върху приложимостта на феритните стомани при ниски
температури има тяхното структурно състояние – фиг.6. Това особено се отнася
до подобряемите стомани, при които чрез съответния вид термична обработка
(закаляване+отвръщане) може да се реализира много ниска преходна температура,
в някои случаи до -80 0С. Още по-добри свойства притежават феритните стомани,
които допълнително легирани с Ni и при много ниско съдържание на вредните
примеси S и P показват запазване на пластичността до -1960С –фиг.7.
7
Фиг.6 Влияние на термичното
обработване.
Фиг.7. Влияние на никела
1.4. Уморна якост.
При променливите във времето натоварвания (често пъти повтарящи се), в
материала се развиват пластични деформации, които инициират първо микро-, а
след това на макро-пукнатини. Тези пукнатини се развиват да доведат до
разрушаване на оставащото сечение. Този ефект се нарича умора на материала и
се разглежда като генериране и развитие на пукнатина, при което фазата на
стабилното й разпространяване, пресметната в брой цикли натоварвания, заема
съществена част от общата продължителност на живота на конструкцията.
Оопределящо значение за този процес имат както надрезите така и резките
изменения във формата на конструкцията - пораждат високи локални напрежения.
Силно влияние оказват състоянието на повърхностите и околните въздействия –
грапавост, корозия, температура и др. Характеристиките на материала,
технологичните и експлоатационни фактори също влияет върху този процес.
Характеристиките на натоварването са илюстрирани на фиг.8. При
променливото натоварване се говори за два случая на натоварване: едностъпално
и експлоатационно. Едностъпално е натоварването, при което горните и долни
стойности на натоварването остават константни по време на всеки цикъл. В
останалите случаи натоварването е експлоатационно. При изпитване на умора се
установява зависимостта между амплитудата на напреженията σа и броя на
циклите до момента на възникване на пукнатина или на разрушаване (фиг.9).
Всяка точка е резултат от изпитването на един образец, като при всеки образец се
запазват константни по стойност средното напрежение и амплитудата на
напреженията. Резултатите, обработени чрез регресионен анализ и представени в
двойно логаритмичен мащаб, изразяват намерената линейна функция. Тази форма
8
на представяне е предложена от August Woeler (1819-1914) и затова се означава
като Вьолерова крива. В кривата на Вьолер се оформят три основни области:
област на малоциклова умора; област на (високоциклова) умора; област на трайна
якост (съпротивление срещу циклова умора). В диапязона на високоцикловата
умора в логаритмични координати зависимостта е линейна:
Фиг.8
Фиг.9
9
( )
(
)
 C 
lg(σ a ) = C1 − m. lg( N ) = lg(C ) − lg N m = lg m  = lg C.N − m → σ a = C.N − m
N 
Съпротивлението срещу циклова умора или якост на умора означава, че
действащите напрежения могат да бъдат понесени безкрайно дълго време. Найновите изследвания показват, че това не е възможно и затова даже при N > 107 би
трябвало да се работи с много малък наклон на кривата. Тъй като границите на
високоцикловата умора са плавни, много често като ограничение се дава
поносимата амплитуда на напреженията σа при брой на цикли от N= 2.106 и
наклона m. Основните фактори, които влияят върху уморното поведение на
материала са : Върху якостта на умора на конструкции и в частност на заварените
съединения влияе цяла редица от фактори: материал; концентрация на
напреженията предизвикани от надрези; асиметрия на цикъла, средно
напрежение, амплитуда на напреженията; вид на натоварването; състояние на
повърхността; размерен фактор; температура; брой на циклите; собствени
напрежения.
Коефициентът на концентрация на напреженията е отношението на
максималните напрежения в зоната на концентратора към напреженията в същата
област при отсъствие на концентратор. Ефективният коефициент на концентрация
на напреженията е отношението на границата на умора при наличие на
концентратор към границата на умора без концентратор на напреженията следователно той може да бъде определен само експеримантално. На фиг.10 са
показани концентраторите на напреженията за някои заварени съединения.
Фиг.10
Влиянието на геометрията на съединението върху концентрацията на
напреженията за случая на заваряване с препокриване е показано на фиг.11. Тук
съшо е илюстрирано влиянието на челния шев върху разпределението на
напреженията. На фиг. 11 б) е показан резултат, получен чрез числено решаване
на същата задача.
10
A
A
A
A
B
B
B
B
C
C
C
C
A-A
A-A
B-B
B-B
C-C
C-C
а)
б)
Фиг.11.
Характера на натоварването влияе върху якостта на умора. При натоварване
на огъване за якостта на умора се получават по-големи стойности отколкото при
опън-натиск или усукване, а при усукване стойностите са най-ниски. Грапавостта
на повърхнината също оказва влияние и с увеличаването й якостта на умора
намалява. Независмо от това в заварените конструкции това влияние е много
слабо поради доминирането на надрезното действие на заваръчния шев. В същото
време остатъчните напрежения оказват съществено влияние променяйки
характеристиката на цикъла. Натисковите напрежения способстват за подтискане
на генерирането на пукнатини, а опъновите облекчават този процес.
Оразмеряването на уморно натоварените конструкции се извършва по БДС
EN 1093-1-9. В тази насока за заварените конструкции, работещи в условията на
уморни натоварвания Международния институт по заваряване (IIW) предлага
категоризация на заварените съединения според техния якостен клас на умора
(включена е в БДС EN 1093-1-9). Тя се базира на единна за всички видове
заваропригодни конструкционни стомани мрежа от Вьолерьови криви, отнасящи
се различни надрезни случаи, характерни за отделните видове заварени
съединения и части – фиг.12. Като критерий за якостта на умора е приета
стойността на поносимия размах на напреженията (2 х [σа]) при асиметрия на
цикъла r=0 е при брой на циклите 2.106.
По аналогичен начин се подхожда и в приложните стандарти, отнасящи се до
пресмятане на заварените съединения, като:
- EN 13001-3-1:2011 Кранови конструкции
- EN 1993-1-9 Оразмеряване на строителни конструкции – умора
11
- ЕN 13455-3 Съдове под налягане –пресмятане
- БДС EN 1093-1-9 Конструкции от стомана. Умора.
Фиг.12. Мрежа на Вьолерoвите криви с класовете на якост на умора за
заваропригодните конструкционни стомани (БДС EN 1093-1-9).
1.5. Устойчивост при пълзене.
Високотемпературната
якост
се
характеризира
предимно
чрез
продължителното поведение на материала. Говори се за продължителна или
дълготрайна якост на материала. Ако материалът се натовари достатъчно над
определена специфична температура, то без да се увеличава натоварването той
претърпява удължаване във времето, т.е. той „пълзи” до достигане на момента на
разрушаване. Това явление може да се илюстрира нагледно с характеристичните
„криви на пълзене“ (фиг.13). От техническа гледна точка най-важен е периодът на
пълзене с постоянна скорост тъй като конструкциите обикновено работят в този
диапазон. Продължителната якост на стоманите може да се увеличи посредством
легиране с Cr, Ti, Mo и V. Манганът и никелът понижават тази характеристика.
Тъй като пълзенето е свързано с дифузионни процеси в метала с повишаване на
температурата то се засилва. Легираните стомани обикновено могат да работят до
12
4500С ÷ 5500С, а високолегираните аустенитни Cr-Ni стомани до значително повисоки температури - 8000С ÷ 12000С.
1.6. Поведение при
натоварване.
ударно
Пластичната
деформация,
която от гледна точка на
металознанието се разглежда като
извършващи
се
елементарни
преплъзвания
в
кристалната
решетка в резултат от движението
на
дислокациите
е
процес,
изискващ време. Също така
Фиг.13.
скоростта на деформацията влияе
върху пластичните свойства на материала - с нейното увеличаване пластичността
намалява. Това се отразява както върху граниата на провлачане така и върху
кривата на уякчаване. При ударно натоварване се реализират високи скорости на
деформиране в конструктивните елементи, които водят до високи скорости на
деформациите. Както се вижда от фиг.14 в резултат на увеличаване на скоростта
на натоварване нараства границата на провлачане и якостта на разкъсване на
материала. Нарастването на границата на якостта е с по-ниска интензивност от
нарастването на границата на провлачане. По такъв начин двете граници могат да
се изравнят и дори границата на якостта да стане по-малка от тази на провлачане материалът се окрехкостява и в този случай настъпва крехко разрушаване.
1.7. Влияние на надрезите
заваръчните дефекти.
Фиг.14
и
Надрезното действие на възлови
планки в заварени ферми е илюстрирано
на фиг.15, а пример за пръти е даден на
фиг.16. Както тук така и в следващите
примери (фиг. 17 ÷ фиг.19) е подчертано
надрезното действие като е показана
промяната на носещата способност в
зависимост от изпълнението.
13
Фиг.16
Фиг.15
Фиг. 17
Фиг.18
Фиг.19
1.8. Приложимост на техниките за подобряване на съединението.
Подобряването на носещата способност на заварените съединения и
конструкции по отношение на уморното натоварване може да бъде реализирано
чрез конструктивни, технологични и производствени мерки. Основните
съображения в етапа на конструирането могат да бъдат следните: правилен
избор на основен метал на заварената конструкция; използване на челни шевове
вместо ъглови навсякъде, където това е възможно; избягване на прекъснати
шевове; плавен преход на елементите на конструкцията от един към друг;
разполагане на заваръчните шевове в области с ниски номинални натоварвания;
използване на затворени профили вместо отворени; осигуряване на достъпност на
шева за изпълняването му във възможно най-добро пространствено положение;
14
осигуряване на възможност за обработване на челните шевове; използване на
симетрични шевове при големи дебелини; в Т-образните съединения използване
на К-шевове и др. Основните технологични похвати са: изпълняване на
шевовете без подрези и с плавен преход към основния метал; безразрушителен
контрол за избягване на несъвършенства от типа на несплавяване; отстраняване
на изпъкналостта на челните шевове както от личевата страна така и от към
страната на корена; използване на технологични процеси и режими елиминиращи
образуването на пръски; използване на приспособления за осигуряване на
натискови остатъчни напрежения в корена на шева; използване на режими за
началото на шева и за заваряване на кратера или имползване на технологични
входящи и изходящи планки; използване заваръчен план (последователност на
изпълняване на шевовете) и режими на заваряване, минимизиращи остатъчните
опънови напрежения напречно на посоката на заваряване; използване на
вдлъбнати ъглови шевове; намаляване на времето на престояване на метала в
температурния диапазон на прегряване; използване на добавъчни материали,
осигуряващи дребнозърнеста структура на шева; изполдване на режими,
избягващи образуването на стълбчати дендрити в метала на шева и др. В процеса
на изработване на конструкцията е целесъобразно: осигуряване на надлежащ
производствен контрол; осегуряване на необходимият безразрушителен контрол;
използване на сертифицирани материали; използване на заваръчни
приспособления; използване на механизирани методи на заваряване; използване
на технологии за намаляване на остатъчните заваръчни напрежения и др.
15
ЛИТЕРАТУРА
1. БДС EN 1093-1.
16