ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Влияние предварительного растяжения на уменьшение деформации от продольной усадки при сварке пластин стыковым швом

При сварке стыковым швом свободных листов (см. фиг. 49), ввиду действия продольной усадки, активная зона Ь0 после осты­вания останется растянутой, а остальные участки сварного сое­динения будут сжатыми (см. фиг. 49, в). Если толщина свари­ваемых листов небольшая и сварка производится без предупре­дительных мер, то сжатые участки обычно теряют устойчивость и сварное соединение будет покороблено. Главной причиной ис­кажения формы (коробления) сварных тонколистовых конструк­ций является продольное укорочение (продольная усадка), швов. Сварной шов в процессе остывания укорачивается и вызывает в соседних областях напряжения сжатия, которые во многих случаях достигают критических значений и приводят к потере устойчивости этих элементов, искажая форму сварного соеди­нения. Правка покоробленных сварных конструкций является ве'сьма трудоемким >и ісложіньгм производственным процессом. Искажение формы сварной конструкции иногда достигает такой степени, что правка становится невозможной и изготовленная сварная конструкция идет в брак.

Для уменьшения коробления сварных тонколистовых конст­рукций необходимо в процессе сварки принимать меры к умень­шению реактивных напряжений сжатия, вызываемых продоль­ной усадкой шва в прилегающих к нему областях сварного сое­динения.

Одним из эффективных средств для уменьшения остаточных напряжений и деформаций в сварных соединениях может быть предварительное растяжение свариваемых листов.

Рассмотрим образование остаточных напряжений и дефор­маций при сварке стыковым швом предварительно растянутых листов.

Два собранных под сварку стальных листа длиной /, шири­ной h и толщиной б (фиг. 56, а) растянем в продольном направ­лении до напряжений оп. Концы их прикрепим к неподвижным опорам (фиг. 56, а, б). Длина пластин после растяжения увели-

°п

чится «на величину Изменение напряжений в ак­

тивной зоне Ьо в процессе сварки листов в закрепленном состо­янии будет протекать, как показано на диаграмме фиг. 26, б.

На участках, непосредственно прилегающих к активной зоне Ь0 (зона пластических изменений при нагреве), напряжения предварительного растяжения оп временно снижаются в связи с тепловым удлинением волокон, вызванным повышением тем­пературы при сварке. В отдаленных от шва областях сварного соединения напряжения предварительного растяжения оп оста­ются в процессе наложения шва почти неизменными, так как

повышение температуры в этих областях в процессе сварочного нагрева незначительное.

После полного остывания сварного шва пластины в закре­плениях напряжения растяжения в активной зоне Ь0 достигнут предела текучести от. Последнее вытекает из того, что свобод­ное тепловое удлинение при сварочном нагреве є* = аГ значи­тельно превышает относительное удлинение ет, соответствую­щее появлению пластического изменения в металле, а тем более превышает относительное удлинение предварительного растяже­ния 8П. Все остальные участки сварного соединения, которые

Фиг. 56. Напряжения при сварке стыковым швом листов, пред­варительно растянутых и закрепленных: а — растянутые листы, закрепленные в неподвижные опоры перед сваркой; б — эпюра напряжений предварительного растяжения; в — эпюра напряжений после сварки до снятия закреплений; г — эпюра временных напряжений в первый момент после снятия закреплений; д — эпюра остаточных напряжений после снятия закреплений^

не подвергались пластическим изменениям, останутся растяну­тыми до напряжений оп - Теоретическая эпюра напряжений в по­перечном сечении сварного соединения при наличии закрепле­ний показана на фиг. 56, в. Все волокна сварного соединения будут растянуты, так как внутреннее активное усилие, порож­даемое продольной усадкой, не укорачивает шва ввиду проти­водействия закреплений на неподвижных опорах.

После снятия закреплений все волокна сварного соединения (фиг. 56, в) будут стремиться к максимальному укорочению. Для наглядности разделим мысленно процесс изменения напря­жений в поперечном сечении сварного соединения после снятия закреплений на два кратковременных последовательных этапа. На первом этапе все волокна сварного соединения освободятся от напряжений предварительного растяжения ап, укоротившись на величину Д/. К концу этого этапа напряжения растяжения о' останутся только в волокнах активной зоны Ь0, причем вели­чина их будет о')=от — Оп (фиг. 56, г). На втором этапе под действием внутреннего усилия Р = o'Fc = о'Ьоб происходит пе­рераспределение напряжений в поперечном сечении сварного соединения, и устанавливается равновесие внутренних усилий (фиг. 56, д) °iFc = g'2F2-

Остаточные напряжения растяжения а в активной зоне Ьо после установления равновесия внутренних усилий определяем согласно формуле (53)

а _ a'F* - (ат-°п) F2

1— F2 + Fc ~ F ’ (148)

где аг — остаточное напряжение растяжения в активной зоне Ь0 после снятия закреплений;

F—поперечное сечение сварного соединения;

Fс — сечение зоны активных напряжений;

Р2 — поперечное сечение сварного соединения, кроме актив­ной зоны, т. е. F2 = F — Fc - Остаточное реактивное напряжение осевого сжатия а' в осталь­ных областях сварного соединения определяем из условия рав­новесия внутренних усилий и значения а1

= ^ = (,49)

Если бы листы сваривались в свободном состоянии без пред - варительного растяжения ап, то величина остаточного реактив­ного напряжения осевого сжатия а' определилась бы по формуле (116, а), т. е.

а TFC

(149a)

Путем сопоставления формул (149 а) и (149) можно установить эффективность влияния предварительного растяжения листов перед сваркой на уменьшение остаточных напряжений сжатия в свар­ных соединениях, Для этого разделим значение напряжения о2, выражаемого формулой (149а), на значение напряжения а'2, вы­ражаемого формулой (149),

а9 aTF • F arF0 + arFr

-ї = р / -tv = - (150a)

а2 2 (ат ~ ап) Fс aTF2 ~ artF2 '

Разделив все члены правой части выражения (150а) на aTF2, получим соотношение между напряжениями а2 и а' в виде

= li. (150)

а2 1 _ — ат

Из выражения (150) видно, что при сварке закрепленных ли­стов, предварительно растянутых, остаточные напряжения сжатия а2' после снятия закреплений будут меньше, чем при сварке сво-

/! + -Ja

бодных листов в [-------------- 1 раза.

F.

При сварке закрепленных листов без предварительного растя­жения, т. е. когда а„ = 0, после снятия закреплений также будет некоторое уменьшение остаточных напряжений осевого сжатия по

сравнению со сваркой свободных листов в ^ 1 + - yC'j раза или ~ раза.

При сварке в закреплениях с предварительным растяжени'ем листов до напряжений а„ = 0,25зг остаточные напряжения сжатия а2 после снятия закреплений уменьшатся, согласно формуле (150),

3/її РА

b41+tJ Раза-

При сварке в закреплениях с предварительным растяжением листов до напряжений ап = 0у5ат остаточные напряжения сжатия

уменьшатся, согласно той же формуле (150), в 2^1 + /г) Раза>

т. е. больше чем на 50%.

В таком же соотношении будут соответственно снижены оста­точные напряжения растяжения в активной зоне &0.

Таким образом, сварка в закреплениях с предварительным растяжением и последующим снятием закреплений благоприятно влияет на уменьшение остаточных напряжений и может исклю­чить возникновение потери устойчивости тонких листов.

Более эффективное снижение остаточных напряжений имеем при сварке с предварительным растяжением листов малой и сред­ней ширины, так как в этих случаях сохраняется гипотеза плос-

F

КИХ сечений И отношение - ГГ будет больше, чем при сварке ши-

г 2

роких листов на таком же режиме. Для сварки листов малой и средней ширины величину силы Q, которая необходима для пред - варительного растяжения листов до напряжения аП9 можно опре­делить по формуле

Q = (151)

где сп — напряжение предварительного растяжения свариваемых листов;

F — поперечное сечение свариваемых листов.

Необходимо учитывать, что при деформировании широких ли­стов под действием сосредоточенной силы гипотеза плоских сече­ний не сохраняется, и деформации предварительного растяжения имеют местный характер. Для определения силы Q предвари­тельного растяжения при сварке широких листов применять фор­мулу (151) не рекомендуется, так как нет надобности растягивать перед сваркой широкие листы по всему поперечному сечению, а достаточно дать предварительное растяжение в области сваривае­мых кромок. Наиболее эффективным является такой способ пре­дварительного растяжения листов перед сваркой, при котором сила Q прикладывается к свариваемым кромкам по оси стыкового шва.

Предварительное растяжение листов перед сваркой можно осу­ществлять несколькими способами. Три схемы предварительного растяжения показаны на фиг. 57.

1. Перед сваркой листы растягиваются силой Q, и торцы их закрепляются на неподвижных опорах так, что смещение торцов в процессе сварки и остывания невозможно (фиг. 57, а).

2. Листы растягиваются силой Q, которая в процессе сварки изменяется в зависимости от продольных деформаций, вызываемых сварочным нагревом и остыванием шва (фиг. 57,6).

3. Листы растягиваются силой Q, которая в процессе сварки поддерживается постоянной, независимо от продольных деформа­ций, происходящих в процессе нагрева и остывания (фиг. 57, в).

По исследованиям П. М. Иевлева величина силы предвари­

тельного растяжения Q-при приложении ее по линии сваривае­мого стыка может быть определена по формуле

Q = кбОО. F, (152)

где Q — растягивающая сила в кГ

F — поперечное сечение листа в см2

к — коэффициент, характеризующий степень растяжения край­него волокна свариваемой кромки.

Коэффициент

к = (153)

є т

где в* — относительное удлинение крайнего волокна свариваемой кромки;

ет — относительная деформация, соответствующая пределу те­кучести ат.

Величина коэффициента к зависит от схемы приложения рас­тягивающей силы Q. При сварке закрепленных листов (фиг, 57, а) остаточное укорочение листов становится ничтожным при значении к= 1. При сварке с предварительным растяжением листов, когда сила Q изменяется в зависимости от продольных деформаций свариваемых листов (фиг. 57, б), остаточное укорочение становится уже незначительным при значениях к = 0,5.

Самым эффективным способом растяжения листов перед сваркой является третья схема (фиг. 57, в), когда растягивающая сила Q

поддерживается постоянной. При этом способе растяжения свари­ваемых листов остаточная деформация укорочения становится ма­лозаметной при значении к = 0,3.