СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

НАПРЯЖЕНИЯ В КРУГОВЫХ СТЫКОВЫХ ШВАХ НА ПЛОСКОСТИ

Встречаются различные варианты сочетаний деталей, сваривае­мых стыковым круговым швом (см. рис. 102, е). Величина и рас­пределение остаточных напряжений в этом случае зависят от жест­кости деталей и режима сварки. В общем случае задача о распреде­лении напряжений в круговом сварном соединении до сих пор не решена Ч Однако характер распределения напряжений в низ­коуглеродистых сталях и пути приближенного решения могут быть указаны. Несмотря на то, что круговой шов сваривается не­одновременно и условия образования деформаций металла, стро-

го говоря, различны в различных зонах по окружности, задачу о напряжениях в круговом шве в первом приближении можно рассматривать как осесимметричную.

В круговом сварном соединении следует различать три основ­ные зоны: внутреннюю 1, среднюю 2 и внешнюю 3 (рис. 103, а). Зона 2 соответствует зоне растягивающих напряжений в обычном прямолинейном шве и характеризуется, как правило, высокими напряжениями а1г, близкими к пределу текучести. Допустим, что на внутреннюю зону действует напряжение ог на внеш­нюю <7га_3. Вследствие уравновешенности кольца 2 всегда >■ £> оГі. В низкоуглеродистых и аустенитных сталях зона 2 на­ходится в состоянии пластической деформации. Поэтому в ней соблюдается условие пластичности

Решая уравнение (165) относительно at„ находим

(166)

Подставляя att из уравнения (166) в дифференциальное урав­нение равновесия (167)

Ъ. — о,, + r-g - = 0,

(168)

Для данного случая, так как в зоне 2 а1г •> аг„ согласно урав­нению (166) берем верхний знак. Дальнейшие преобразования вы­полняются с одним знаком. Интегрируем дифференциальное урав­нение (168):

(169)

Обозначим размер зоны 1 гъ а зоны 2rt. Подставим в уравнение

(169) вначале краевое условие г = rlt аГ1 = ог а затем краевое условие г = r2 аГг = ог. После подстановки краевых условий найдем разность полученных уравнений и преобразуем:

V-T /resin (/4-^f-)— arcsin ' <170)

Из уравнения (170) следует, что конкретному значению аг при определенных и г2 соответствует конкретное значение напря­жения Ог2 и вполне конкретное распределение напряжений во всей зоне 2. На рис. 103, б показано несколько распределений напряжений аГг и <т(г, удовлетворяющих уравнению (169). Во всех трех случаях значения а(г близки к пределу текучести ат. Откло­нения а(г от ат обусловлены условием пластичности (165) по энер­гетической теории, согласно которой пластическая деформация происходит тогда, когда эквивалентное напряжение <т( для пло­ского напряженного состояния равно ат:

(171)

Напряжения оГі в зоне 1 могут быть сжимающими, растягива­ющими или, в частном случае, равными нулю. Величина этих на­пряжений в каждом конкретном случае зависит от соотношения жесткости элементов в зоне 1 ив зонеЗ, от радиуса г20 (см. рис. 103) и соотношения между величиной поперечного сближения при

сварке, пропорционального 2 -Д—и шириной зоны про­дольных пластических деформаций 2Ьп. Установить количествен­ную связь между всеми этими величинами в настоящее время пока затруднительно.

Однако в любом случае имеется следующая тенденция: по­перечная усадка и в зоне 1, ив зоне 3 вызывает растягивающие напряжения аг, продольная (в данном случае окружная) усадка вызывает в зоне 1 сжимающие напряжения ог, а в зоне 3 — растягивающие. Значение ог в зоне 1 зависит от того, какой фактор преобладает. Можно также указать на качественную связь, кото­рая обнаруживается при экспериментальных измерениях. При больших размерах зоны 3 и малых размерах зоны 1 поперечная усадка преобладает, и в зоне 1 действуют растягивающие напряже­ния. Если зона 1 представляет особо жесткую бобышку или фланец относительно небольшого диаметра (до 100—200 мм), то напря­жения аг в ней обычно растягивающие. Если зона 1 является эле­ментом листовым или малого диаметра, то зоны 1 и 2 сливаются, ar = ot = от. Это происходит при значительном нагреве зоны 1 в процессе сварки. Указанный случай совпадает с осесимметрич­ным центральным разогревом листа (п. 22).

Сжимающие напряжения ое в зоне 1 наблюдаются при относи­тельно малой жесткости элемента в зонеЗ, например при приварке узкого кольца; окружное сокращение почти полностью передается на зону 1, вызывая в ней сжатие. При значительном поперечном сокращении и больших пластических деформациях металла в зоне 2 возможно образование пластической области в зоне За (рис. 103, в).

В уравнении (170) два неизвестных: аГг и оГг_я - Для их опре­деления необходимо составить уравнение, связывающее радиаль­ные перемещения и в каждой зоне с величиной &поп, возникающей в момент сварки, и величиной пластической деформации в окруж­ном направлении. На рис. 103 эпюры напряжений схематизированы. Представленные эпюры необходимы для качественного понимания закономерностей распределения напряжений. На рис. 104 пока­заны экспериментальные значения напряжений в титановых круг­лых пластинах послесварки круговых швов разного диаме. ра [103]. По мере уменьшения диаметра кругового шва сжимающие напря­жения аг в центре пластинки переходят в растягивающие.

Распределение напряжений в примере на рис. 103 определялось в предположении отсутствия потери устойчивости. Характер на­пряжений резко изменяется при короблении. Сопротивление листа 144

в зоне 3 после потери устойчивости уменьшается, в результате чего в зоне 1 могут появиться напряжения сжатия даже при больших размерах зоны 3.