ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Угловая деформация от поперечной усадки в стыковых швах

Угловая деформация в стыковых швах часто наблюдается при односторонней сварке пластин, которые под действием по­перечной усадки поворачиваются относительно друг друга на некоторый угол (3 (фиг. 68, а). Основной причиной образования угловой деформации в стыковых швах является неравномерный нагрев металла по толщине шва. В наибольшей степени угловая деформация проявляется при односторонней стыковой сварке сво­бодных пластин с V-образной разделкой кромок. Поскольку нагретые до высоких температур слои наплавленного металла (фиг. 68, б) имеют различную ширину у, зависящую от уровня г своего расположения по толщине шва, то при остывании будут иметь различную поперечную усадку А у, под действием которой пластины выйдут из своей начальной плоскости и образуют угол (3.

В некоторой степени угловую деформацию наблюдаем также при односторонней сварке стыковым швом свободных пластин без скоса кромок, так как на лицевой поверхности шва, где пе­ремещается сварочная дуга, ширина слоев нагретого до высоких температур металла больше, чем со стороны корня шва.

Для установления величины угловой деформации в стыковых швах с V-образной разделкой кромок примем такое допущение: нагрев основного металла до высоких температур с образовани­ем © нем пластических деформаций сжатия, независимо от уровня разогретого слоя по толщине шва, распространяется от поверх­ности скошенной кромки на одинаковую ширину, равную Ь (фиг. 68, б). Поперечное сокращение основного металла в про­цессе остывания на участке 6, где при нагреве имели место де­формации пластического сжатия, представляет поперечную усад­ку в плоскости свариваемых пластин Аb (фиг. 68, б). В отдален­ных от шва областях температура нагрева основного металла по толщине выравнивается и при остывании никакого влияния на угловую деформацию оказывать не будет. Полная поперечная усадка каждого слоя металла стыкового шва в зависимости от уровня его расположения по толщине сварного соединения будет 142 складываться из двух составляющих: постоянной Ab0 = 2Abr представляющей поперечную усадку основного металла около - шовной зоны, и переменной Ау0 = 2Ау, представляющей попереч­ную усадку каждого слоя наплавленного металла соответственно уровню г его расположения по толщине шва.

Постоянная составляющая свободной поперечной усадки бу­дет сближать свариваемые пластины в их плоскости на величину А60, уменьшая зазор, установленный при сборке стыкового шва.

Величина постоянной составляющей свободной поперечной усадки стыкового шва Або зависит главным образом от ширины прилегающих ік наплавке шва областей основного металла, под­вергавшихся при сварке нагреву до пластического состояния.

При однопроходной сварке стыкового шва постоянную состав­ляющую свободной поперечной усадки АЬ0 приближенно можем определить по формуле (158), рассматривая распространение тепла >по основному металлу в слоях, прилегающих к корню шва. В корне шва, где уровень расположения слоя металла сов­падает с нижней поверхностью пластин, т. е. 2 = 0, величина пере­менной составляющей свободной поперечной усадки Ауо стыко­вого шва, определяемая по формулам (164) и (165), имеет ну­

левое значение. Поперечная усадка слоя металла, совпадающего с нижней поверхностью пластин, равна постоянной составляющей поперечной усадки Або стыкового шва, действующей в плоскости сварного соединения, и определяется по формуле (158).

При остывании наплавленного металла переменная состав­ляющая свободной поперечной усадки стыкового шіва со скосом кромок приведет к укорочению каждого слоя наплавленного ме­талла 'на - величину Дуо, соответственно уровню г расположения этого слоя по толщине шва (фиг. 68, б). Величину переменной составляющей свободной поперечной усадки Дуо любого слоя наплавленного металла соответственно уровню его расположе - 7ІИЯ по толщине шва приближенно можно определить по формуле

Ауа = 2аТсру, (164)

где а — температурный коэффициент линейного расширения ме­талла;

ТСр — средняя температура слоя наплавленного металла к мо­менту перехода наиболее нагретых его точек из пласти­ческого состояния в упругое; у— ширина слоя наплавленного металла соответственно

уровню z его расположения по толщине шва, y = ztg

При остывании сварного шва на малоуглеродистой стали среднюю температуру наплавленного металла ;в момент перехода его из пластического состояния в упругое принимаем равной 600° С. Тогда формулу (164) можем записать в виде

Ау0 = 2 • 12 • Ю-6 • 600 = 0,0144 у. (165)

Переменная составляющая свободной поперечной усадки Ду0 слоя наплавленного металла, возрастая постепенно с повышени­ем уровня своего расположения по толщине шва, будет вызывать поворот пластин около линии шва, образующих угол (3.

С повышением уровня расположения слоев наплавленного ме­талла по толщине стыкового шва ширина этих слоев у увеличива­ется, поэтому свободная поперечная усадка Ду0 слоев наплавлен­ного металла тоже увеличивается, что видно из формул (164) и (165). Поперечная усадка Дг/шах слоев наплавленного металла

будет наибольшей на лицевой поверхности шва, где ymax=8tg^.

На основании формул (164) и (165) наибольшее значение попе­речной усадки Дг/тах наплавленного металла определяется вы­ражением

Aj/max = 2аТ'срУтах = Тср Ь tg ■— , (166 a)

а для стальных пластин

Aymax = 0,0144 8tg|-. (166 6)

угловой деформации d[3 от поперечной усадки металла выделен - ного элементарного треугольника (фиг. 69) определяем по фор­муле

Д cos 9 oTrndy 5 tg d^ = - r-=-^-. (169)

лу hy

Принимая значение tgrfp равным углу в радианах и заменяя переменную hy= Ку2 + ^2> как это показано на фиг. 69, получим

aTrndy 5

= (170)

Суммируя угловую деформацию элементарных треугольников* найдем угол поворота Pi каждой пластины от поперечной усад­ки Д наплавленного металла

^max ^max

Им" = °т'’1 і агс‘*т

= «r„arctg?=f =«Г„|. (171)

Полная угловая деформация р сварного стокового соединения от поворота обеих пластин будет

Р = (172)

В стыковых швах с V-образной разделкой кромок под уг­лом <р>60° угловая деформация р при подсчетах по формуле (172) будет меньше, чем по формуле (168). Для угла разделки кромок <р< 60° результаты подсчетов угловой деформации р как по формуле (172), так и по формуле (168) близки между собой. С увеличением угла разделки кромок стыкового шва расхожде­ние между результатами подсчетов по формуле (168) и по фор­муле (172) постепенно возрастает. При значении угла <р = 90° результаты подсчетов по формуле (168) превышают *на 20% ре­зультаты подсчетов угловой деформации р по формуле (172). На практике угол разделки кромок стыкового шва обычно ко­леблется в пределах 60—70°, поэтому для подсчетов ожидаемой угловой деформации р можно пользоваться как формулой (168), таки формулой (172).

Рассмотренная свободная поперечная усадка стыкового шва в плоскости свариваемых пластин имеет место при односторон­ней стыковой сварке сравнительно тонких пластин без разделки кромок, когда распространение тепла при сварке происходит по схеме линейного источника нагрева. При двухсторонней сварке пластин угловая деформация, образовавшаяся при наложении шва с одной стороны, уменьшается после наложения шва с обрат­ной стороны, и остаточная угловая деформация весьма незначи­тельна или совсем отсутствует.

При сварке стыковым швом более толстых пластин без раз­делки кромок температура металла вблизи источника нагрева

распределяется по толщине неравномерно. Более нагретыми бу­дут верхние слои основного металла. Ввиду этого поперечные де­формации пластического сжатия слоев по толщине основного металла различны. Соответственно этому после остывания пла­стин поперечные укорочения их также различны, что приводит к повороту пластин около линии шва и образованию угловой деформации (3.

Для определения угловой деформации (3 необходимо устано­вить неравномерность распределения температуры по толщине шва в поперечных сечениях, которые находятся позади источни­ка нагрева и имеют среднюю температуру! не ниже 600° С, т. е. температуру перехода металла из пластического состояния в уп­ругое. Распределение температуры в этих сечениях приближенно можно установить на основании формул распространения тепла при нагреве мощным быстродвижущимся точечным источником и поправочных коэффициентов, учитывающих 'неравномерность на­грева металла по толщине шва [1], [17].

На основании формулы (154) температура точек по толщине металла вблизи линии шва приближенно определяется зависи­мостью

V у2

Т{х, у, z) = m - •-е 4“*, (173)

5 у су vx±

где v — скорость сварки в см/сек;

у— координата точки от линии шва;

х —расстояние от источника нагрева до поперечного сечения, в котором металл шва переходит из пластического состояния в упругое;

6— толщина свариваемых пластин в см;

m—поправочный коэффициент, учитывающий сосредоточение источника нагрева на верхней поверхности пластины.

Поправочный коэффициент m показывает отношение темпе­ратуры в любой точке по толщине шва к средней температуре, определяемой по формуле (154) и зависит от трех безразмерных

параметров £ и Коэффициент m выбирается по графику

(см. фиг. 6). Первый параметр ^ зависит от скорости сварки,

второй — относительный радиус-вектор и зависит от радиуса

исследуемой точки г= /х2+у2, третий параметр относитель­ная глубина положения точки по толщине металла. Наибольшая температура, определяемая по формуле (173), будет в волокнах на верхней поверхности пластин, где г=0, а наименьшая на ниж­ней поверхности, где z—b (фиг. 70). С удалением от линии шва температура выравнивается и уже на расстоянии г/0=46 стано­вится почти одинаковой по толщине металла, отличаясь от сред­него значения не более, чем на 5%.

ю* ш

В областях, удаленных от линии шва на расстояние у>46 по­перечное укорочение волокон по толщине металла при его осты­вании одинаковое и никакого влияния на величину угловой де­формации не оказывает. Причиной угловой деформации в стыко­вых швах является 'неравномерное распределение температуры по толщине пластин в областях, расположенных примерно на у0 = = 46 по обе стороны от линии шва (фиг. 70, а). При остывании

этих областей от температуры перехода металла из пластического состояния в упругое до полного выравнивания температуры по­перечное укорочение волокон по толщине металла будет различ­

ное, ввиду неравномерного распределения температуры. Соответ­ственно температурному состоянию точек на разных уровнях по толщине металла на ширине г/о = 46 наибольшее поперечное уко­рочение после остывания будет в волокнах на верхней поверх­ности пластин, а наименьшее—на волокнах нижней поверхно­сти пластин. На основании формулы (173) величину свободного поперечного укорочения А любого волокна в сечении х при осты­вании его до полного выравнивания температуры можно опреде­лить по зависимости

Наибольшее поперечное укорочение Дь которое будет в во­локнах верхней поверхности пластин и наименьшее Д2 в волок­

нах нижней поверхности пластин (фиг. 70, а) определяется по формуле (174)

г/0=4о _ vy*_

Д1 = 2а/^ —4=. Г в *“.•dy (175)

5 у 4тсл ихх

И

г/0=4о _ vy*_

Д2 = 2аm2 ? f е 40JC* • dy, (176)

о ]/ 4яА ^7 vxi J

где гп — поправочный коэффициент значения температуры соот­ветственно уровню положения верхних волокон (г = 0); т2 — поправочный коэффициент для температуры нижних

ВОЛОКО'Н (2 = 6).

Поперечная усадка (сокращение) Д2, определяемая по фор­муле (176), будет сближать пластины в их плоскости, уменьшая зазор при сборке стыка и общую ширину /г0 сварного соединения.

Разность между поперечными усадками верхних и нижних во­локон Ді—Д2 приводит к повороту пластин около линии шва и об­разованию угловой деформации (3. Величина последней опреде­ляется из следующих геометрических соотношений (фиг. 70)

‘е{=т - <177>

Ввиду малых значений tg | заменяем ее величиной угла в

радианах, тогда угловая деформация (3 сварного стыкового сое­динения от поворота обеих пластин под действием поперечной усадки будет

л л

(178)

Ах-А2

Подставляя в формулу (178) значение поперечных укороче­ний верхнего и нижнего волокон из формул (175) и (176), полу­чим для определения угловой деформации сварного стыкового соединения следующую формулу

j/0=4S ууг

P = (mi ~т2) - v;7 :-[е 4ах і dy' (179)

Ь2 У 4тсХ vxxJ

Угловую деформацию (3 можно определить, исходя из свобод­ных относительных поперечных укорочений элементарных участ­ков волокон на верхней поверхности оварного соединения Ди~ = аГ/и на нижней Д2/=аTia где Ті—температура точек в сече­нии х, определяемая соответственно по формуле (173), аДі/ и А2і —поперечные укорочения, определяемые по формуле (175) и (176). Откладывая ординаты относительных температурных уко­рочений Ап = аТі элементарных участков на ширине Уо = 46, гто -

лучим кривую относительных укорочений Дь для волокна верх­ней поверхности пластин в сечении Х и кривую Аг — для волокна на нижней поверхности в том же сечении (фиг. 70, б). Площадь Fі, ограниченная кривой Аь представляет собой поперечную усадку (укорочение) волокон на верхней (поверхности сварного соединения, а площадь F2, ограниченная кривой Аг—попереч­ную усадку волокон на нижіней поверхности. Разность этих пло­щадей будет определять угловую деформацию р

(3 = ^^. (180)

В первом приближении угловую деформацию |3 сварного сты­кового соединения ориентировочно можно определить, исходя из предположения, что в момент перехода наплавленного металла из пластического состояния в упругое температура по длине лю­бого волокна ;на участке t/o = 48 одинаковая и изменяется только соответственно уровню расположения волокон по толщине ме­талла. В этом случае поперечное укорочение волокон, располо­женных на верхней поверхности сварного соединения, будет

И1 = 2іт1ТсрАЬ, (181)

поперечное укорочение волокон на нижней поверхности

Д2 = 2шп2Тср4Ъ, (182)

где ТСр —температура волокна на срединной поверхности пла­стины в сечении Х (2 = 0,56).

Для малоуглеродистой стали температуру Тср в этот момент можно принять за 600° С.

Ка основании формул (180), (181) и (182) приближенное значение угловой деформации (3 для сварного стыкового соеди­нения выразится

Р = Al уА2 = 8а Тср (/пх — пг2). (183)

Принимая для малоуглеродистой стали Тср= 600° С и коэф­фициент температурного расширения а=12-10_6, получим при­ближенное значение угловой деформации (3 стыкового соединения

р = 8- 12- 10_б • 600°(/пх — т2) = 0,06 (тх —т2), (184)

где гп и /п2— поправочные коэффициенты для определения тем­пературы вблизи шва при средней и большой толщине сваривае­мых пластин.