ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ УГЛОВЫМИ ШВАМИ Напряжения и деформации в угловых соединениях при сварке

Наиболее широкое применение угловые швы имеют при свар­ке решетчатых, коробчатых и двутавровых конструкций.

Основными конструктивными видами сварных соединений, которые осуществляются угловыми швами, являются: угловьїе, нахлесточные и тавровые.

Угловые соединения (фиг. 78) являются преимущественно эле­ментами коробчатых сварных конструкций. Широкого распрост­ранения в промышленности угловые соединения пока не получили. Причиной этого является трудность выполнения точной сборки угловых соединений и необходимость применения флюсоудер - жиівающих и направляющих устройств для выполнения автома­тической сварки под флюсом. С применением сборочно-сварочной оснастки специализированного назначения угловые соединения найдут более широкое распространение при выполнении сварных конструкций, как более экономичные по расходу металла.

Угловые соединения (фиг. 78), по характеру распространения тепла по свариваемым пластинам и по заполнению раскрытия шва наплавленным металлом, напоминают сварку пластин сты­ковым швом с V-образной разделкой кромок. Отличие заключа­ется © том, что в угловом соединении свариваемые пластины рас­полагаются в пространстве в разных плоскостях под углом 0, а не в одной плоскости, как это имеет место в стыковом соедине­нии пластин. На практике свариваемые пластины углового соеди­нения обычно расположены под прямым углом.

Рассмотрим расчет остаточных напряжений и деформаций в сварном угловом соединении (фиг. 78). Активную зону сварного шва углового соединения определим по тем же формулам и зави­симостям,, которыми пользуемся для определения активной зоны стыкового шва при сварке двух пластин. Область нагрева до пла­стического состояния Ь (фиг. 78, а) в каждой пластине можно определить по формуле (91), а область упруго-пластической де­формации Ь2 определяется по зависимости (95), пользуясь гра­фиком фиг. 41 для вы-бора коэффициента к2. Установив значение областей Ь и Ь2 при помощи указанных выше формул, найдем П* 163

поперечное сечение активной зоны углового соединения по выра­жению

F =(2Ь1 + 2Ь2)Ъ,

где б — толщина пластины.

Ширину активной зоны ікаждой пластины bn = b + b2 (фиг. 78, а) мож-но определить также при помощи формул (101)

и (102) или (103), вместо формул (91), (95) и графика для коэф­фициента /с2. Тогда площадь активной зоны может быть пред­ставлена выражением

Fc = 2bnb.

Величина активного внутреннего осевого усилия Р от про­дольной усадки сварного шва по формуле (116) будет

Р = oTFc = от 26А (202)

где Fc — площадь поперечного сечения активной зоны шва;

Ьп — ширина активной зоны в одной пластине; б — толщина пластин.

Реактивное напряжение осевого сжатия сг2 в остальных во­локнах сварного углового соединения, лежащих за активной зоной, по формуле (116 а) будет

P 2aTbn8 aTbn

°2~ F — Fc~ 2hb — 2bnb ~ h — bn'

где F — площадь поперечного сечения сварного углового соеди­нения;

Fc — площадь поперечного сечения активной зоны сварного шва.

На фиг. 78 показана эпюра напряжений от действия остаточ­ных осевых активных и реактивных внутренних усилий.

Изгибающий момент углового сварного соединения от действия остаточных внутренних усилий состоит из моментов Мі, соз­даваемых внутренними усилиями каждой пластины и действую­щими в плоскостях этих пластин. Изгибающий момент Мі, дейст­вующий в плоскости каждой пластины, определим по форму­ле (106)

М, = ^ , (203)

где Рі — активное внутреннее усилие >в каждой пластине, в на­шем случае Р = 0у5Р; h— ширина пластины.

Результирующий изгибающий момент Му действующий! на сварное угловое соединение, будет равен геометрической сумме моментов внутренних усилий в каждой пластине. Проектируя мо­менты М на плоскость биссектора угла 0 и складывая их, полу­чим результирующий момент М, изгибающий сварное угловое соединение,

М = 2Мх cos = 2 ^ cos ^ ^ cos у. (204)

Величина результирующего изгибающего момента М, дейст­вующего на сварное угловое соединение и определяемого по фор­муле (204), зависит от значения угла 0 между свариваемыми пластинами.

При 0 = 0 имеем, по сути, случай наплавки валика на кромку пластины, ширина которой h и толщина 28. Изгибающий момент

Ph

по формуле (204) при 0 = 0 будет М = , что совпадает с фор­

мулой (106). С увеличением угла © изгибающий момент М по формуле (204) убывает, а при 0 = 180° будет равным нулю, подобно случаю сварки стыковым швом двух одинаковых пластин.

Напряжение от действия изгибающего момента, создаваемого внутренними усилиями волокон сварного соединения, будет

« = {£, (204а)

где W — момент сопротивления поперечного сечения углового соединения.

Суммируя в отдельных волокнах напряжения от осевого дей­ствия внутренних усилий с напряжениями от изгибающего мо­
мента, получим распределение остаточных напряжений в пла­стинах сварного соединения (фиг. 78, б).

В целях уменьшения длительности вычислительных операций изгибающий момент от действия внутренних усилий на про­странственную сварную конструкцию или на пространственное сварное соединение, каким является рассматриваемое нами угло­вое соединение, удобнее определять, исходя из условного на­чального усилия Ро, определяемого по формуле (110)

Po = (°t + °2)Fc, (205)

где ат — остаточное напряжение растяжения в активной зоне, равное обычно пределу текучести металла; о2 — реактивное напряжение осевого сжатия в волокнах сварного соединения, кроме активной зоны;

Fc — площадь поперечного сечения активной зоны сварного шва.

Приложив условное начальное усилие Р0 в центре активной зоны сварного шва углового соединения Оа, берем результирую­щий момент М от начального усилия Р0 относительно центра тяжести поперечного сечения углового соединения О (фиг. 78, а)

М - Р0Уо, (206)

где уо — расстояние от центра тяжести активной зоны Оа до центра тяжести поперечного сечения сварного углового соединения.

Формулой (206) выражаем результирующий изгибающий мо­мент от внутренних усилий, действующий на сварное угловое соединение. Численное значение изгибающего момента, опреде­ляемое по формуле (206), совпадает с его численным значением, определяемым по формуле (204).

Вид остаточной деформации сварного углового соединения от действия продольной усадки показан на фиг. 78, в

Остаточный прогиб / сварного углового соединения опреде­лится по общеизвестной формуле

/ = ш ’ (20?)

где I — длина сварного шва;

] — момент инерции поперечного сечения углового сечения;

Е — модуль упругости металла.

Поперечные напряжения, порождаемые продольной усадкой шва, © угловом соединении будут меньше, чем в стыковом [фор­мула (133)], так как деформирование обеих пластин после раз­реза совпадает с остаточной деформацией каждой пластины в сварном соединении до разреза. Поэтому внутренние усилия, ко­торые потребовались бы для восстановления деформированного состояния пластин после разреза в то исходное положение, в ко­тором они находились в сварном угловом соединении, будут не­велики, ввиду того, что деформация пластины после разреза увеличивается лишь незначительно по отношению к деформации, которая была в соединении до разреза.

Л 66

Поперечные напряжения от поперечной усадки © угловых со­единениях из-за неодновременное™ остывания шва по длине бу­дут тоже меньше, чем в стыковых сварных соединениях из-за большой податливости пластин углового соединения в направле­нии оси шва.

Распределение остаточных поперечных напряжений от попе­речной усадки в угловых соединениях при сварке на проход или от середины к концам напоминает распределение остаточных напряжений в стыковых швах, т. е. середина шва сжата, а концы растянуты. Однако пики остаточных поперечных напряжений в угловых соединениях должны быть меньше, чем в стыковом сое­динении, ©следствие повышенной податливости пластин в на­правлении, перпендикулярном оси шва.

Поперечные напряжения, порождаемые в угловых соедине­ниях поперечной усадкой шва, зависят также от величины угла 0 между свариваемыми пластинами. С увеличением угла 0 между пластинами выше 90°, угловое соединение приближается к виду стыкового соединения, й поперечные напряжения будут возра­стать. С уменьшением угла 0 между пластинами ниже 90° угло­вое соединение в пределе будет приближаться к бортовому сое­динению (фиг. 78, г), в котором поперечные напряжения почти отсутствуют, как и © случае наплавки валика на кромку пла­стины.

Угловая деформация р будет направлена на увеличение уг­ла 0 между пластинами углового соединения (фиг. 78, д). Это влияние увеличивается, если первый слой будет малого сечения и в нем слабо проварен корень. При глубоком проваре корня шва угловая деформация соединения уменьшается и может быть доведена до малозаметных отклонений от начального положения пластин при сборке. Ликвидировать угловую деформацию можно правильным подбором соответствующего режима для подварки шва со стороны его корня.