СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

В общем случае металл зоны шва в результате сварки и осты­вания находится в упруго-пластическом деформированном со­стоянии. При последующем пиложении внешних сил металл этой. зоны может оказаться в условиях сложного нагружения. Рас­смотрим простейшую задачу о потере устойчивости плоской формы равновесия прямоугольных полос одинаковой ширины в результате их сварки продольным швом и остывания в упрощен­ном варианте без прямого учета сложности нагружения. Исполь­зуя приближенную теорию, можно найти остаточные сварочные напряжения в растянутой и сжатой зонах. Это позволяет найти то значение ширины упруго-пластически растянутой зоны (ее критическое значение ек), при котором упруго-сжатые зоны могут потерять устойчивость плоской формы равновесия. При принятой толщине полос и используемых для опытов способах и режимах сварки, обеспечивающих качественность соединения, не удается установить соответствующее опытное значение ек. Но можно уста­новить, что при всех опытных е > ек имеет место потеря устой­чивости плоской формы равновесия сжатых зон

Вопрос влияния остаточных сварочных напряжений в общей постановке имеет три аспекта.

1. Балки и пластины большой жесткости после сварки и осты­вания не теряют устойчивости плоской формы равновесия, но на­чальные сварочные напряжения могут привести к существенному снижению величины критического напряжения от внешних сил. Задача заключается в том, чтобы получить оценку, насколько начальные сварочные напряжения уменьшают величину кри­тического напряжения от внешних сил.

2. Каким должен быть режим сварки (тепловая мощность ис­точника, скорость его перемещения), чтобы в разультате сварки и остывания сварной лист заданной толщины и заданных разме­ров не потерял устойчивость начальной плоской формы равнове­сия при отсутствии внешних сил. Другими словами, нужно найти тот режим сварки (критический режим), при котором в результате сварки и остывания теряется устойчивость плоской формы равно­весия пластины заданных размеров.

3. Может оказаться, что найденная область некритических режимов широко применимыми в настоящее время способами сварки не достижима, т. е. может оказаться практически невоз­можным осуществление таких режимов сварки, при которых одно­временно обеспечивались бы устойчивость плоской формы равно­весия пластины и качественность сварного соединения при сварке данным способом. Тогда, если исключить из рассмотрения техно­логические приемы уменьшения сжимающих напряжений (пред­варительное растяжение или нагрев), возникает задача разра­ботки таких новых способов сварки, при которых ширина зоны пластических деформаций нагрева окажется минимальной. К та­ким новым способам сварки можно отнести, например, радио­частотную сварку.

По первому аспекту рассматриваемой задачи в последние годы появился ряд исследований. В работах [88, 89] дано исследование влияния начальных сварочных напряжений на устойчивость балок (колонн) и показано, что эти напряжения существенно снижают величину критической нагрузки [52]. В работах [57, 73, 89, 110, 144) дано исследование влияния начальных сварочных напряжений на изгиб и устойчивость прямоугольных пластин. [11]

Н. О. Окерблом [89] использует выражение для остаточного сва­рочного напряжения, полученное им на основе гипотезы плоских сечений, в исследовании местной потери устойчивости прямо­угольных пластин и приходит к заключению, что «остаточные сварочные напряжения снижают местную устойчивость» (см. стр. 235 в работе [89]) и что «остается недоказанной возможность снижения общей устойчивости сжатых сварных стержней из-за наличия в них внутренне уравновешенных сварочных напряжений» (см. стр. 239 там же). В работе [38] показано достаточно суще­ственное влияние остаточных напряжений на устойчивость ци­линдрических труб.

В работе [115] предприняты теоретические и эксперимен­тальные исследования по второму аспекту задачи в том же про­стейшем случае [89], когда остается справедливой гипотеза пло­ских сечений. Результаты указывают на несомненное влияние сварочных напряжений на устойчивость. Рассмотрен случай сварки продольным швом двух свободных пластин длиной I, шириной b и толщиной /і. Для определения критического значения ширины зоны интенсивного нагрева необходимо найти поле оста­точных сварочных напряжений. Принято, что металл околошов­ной зоны 1 вместе с металлом шва с общей шириной є после сварки и остывания оказывается в упруго-пластическом деформирован­ном состоянии, а остальная часть 2 сварной пластины — в упру­гом состоянии. При малых упруго-пластических деформациях можно использовать закон линейного упрочнения, в соответствии с которым относительное удлинение ехх и напряжение ахх за пре­делом текучести связаны соотношением

= + (9.2)

где crs — средний предел текучести металла зоны шва;

Е' — секущий модуль.

Для определения напряжений сварной пластины используем первый метод (п.29) и упрощенный первый способ уточнения (п. 31). Задача сводится к определению деформаций и напряже­ний пластины шириной 2Ь, возникающих при ее мгновенном охла­ждении по закону:

Т = 0; -^у^Ь-

<9-3)

т — — тк = — (тк — До);

Для напряжений в отдельных зонах получим:

ж)

г(1)

—е аТ« ~ °s (~F IF )

(*-+Г

(*-»■

Сварная пластина теряет устойчивость плоской формы равно­весия, когда ofx достигает критического значения. Ввиду сим­метрии можно рассматривать лишь половину сварной пластины.

Сжатая зона этой полупластины будет иметь ширину b------------------

Є о

Вдоль продольной кромки У — ~2 она будет связана с растянутой

«л е

зоной 0 у ^ уи эту связь можно принять за упругую заделку,

а продольная кромка у — b—• свободна. Известное решение для критического напряжения такой упруго-деформированной пла­стины, в поперечных сечениях которой действует сжимающее нор­мальное напряжение oi*, имеет вид [121]

(9.5)

где k — коэффициент, зависящий от отношения I к b и от коэф­фициента защемления, для определения которого можно, напри­мер, использовать прием, указанный в работе [12] (см. стр. 151— 153). Подставив в (9.4) абсолютное значение ст**, для критического значения ширины зоны интенсивного нагрева получим

2кпЮ, п с,

(9.6)

где

Ehs 12(1 —(Xа) '

Полученная для еК формула имеет вполне ясный механический смысл. Величина гк пропорциональна отношению Е к Е', т. е. чем меньше модуль упрочнения за пределом текучести металла зоны шва, тем больше ек. Чем больше аТк, т. е. чем больше актив­ная часть пластических деформаций нагрева, тем меньше ек. Чем больше as металла зоны шва, тем меньше ек.

Экспериментальная часть исследования потери устойчивости в результате сварки и остывания тонких листов стали ЗС (4Х250Х X1000 мм) при ручной, полуавтоматической и автоматической
сварке в среде углекислого газа, а также при автоматической сварке в среде углекислого газа с одновременным двусторонним формированием шва была проведена в сварочной лаборатории одного из заводов. Исследование механических характеристик этой стали дало Е = 2-Ю6 кГ/сма, Е' — 0,0157-106 кГ'см2, 1-і = 0,3 и для металла зоны шва os — 4400 кПсм2. Исследование поведения этой стали при повышенных температурах показало, что за температуру Тк можно принять Тк = 620° С, а на дилато­метре Leitz было получено а = 14,6-10" 6 в интервале температур 20—600° С. При lib — 4, рассматривая крайний случай, когда акр имеет минимальное значение, соответствующее свободному опи­ранню продольной кромки у = получим & = 0,516 [121].

При этом формула (9.6) при Т0 = 20° С дает ек = 2,53 см. По всем указанным выше способам сварка производилась в режимах, близких к используемым на практике. При проведении всех опы­тов автоматически записывались температурные кривые в точках среднего по длине поперечного сечения пластины в процессе сварки, а также измерялись прогибы образцов после сварки и остывания. Используя полученные температурные кривые, можно установить расстояния ук, уу и ус от кромки листа до изотерм Тк, Ту, Тс [109] (п. 31) предельного состояния нагрева, где ус = 0,5 (ук + уу), и определить средние значения ширины зоны интенсивного нагрева с учетом начального зазора ес = 2ус + + 1.5 мм. Во всех случаях оказалось ес> ек и пластины теряли устойчивость плоской формы равновесия в результате сварки и остывания, т. е. при принятых способах и режимах сварки пластин заданной геометрии оказалось невозможным обеспечить одновременно качественность соединения и исключить потерю устойчивости плоской формы равновесия этих пластин. Отсюда следует, что для исключения потери устойчивости тонких пластин в результате сварки и остывания необходимо использовать такие способы сварки, которые создают достаточно узкую зону пласти­ческих деформаций нагрева.

Предположим, что пластина в результате сварки и остывания не теряет устойчивость плоской формы равновесия. Обозначим через а0 абсолютное значение сжимающего напряжения от внеш­них сил. Тогда, если известна величина ес, критическое значение о0 с учетом влияния начальных сварочных напряжений опреде­лится по формуле

(9J)

Здесь была рассмотрена простейшая задача. Аналогично, используя приближенную теорию, можно найти поле остаточных сварочных напряжений в каждом конкретном случае и обычными методами [23, 121] провести исследование их влияния на устой­чивость.