СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОДНООСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Основная задача образования продольных напряжений под­робно рассматривалась в работах Г. А. Николаева [36, 80, 82],

Н. О. Окерблома [83, 86], И. П. Трочуна [111], Г. Б. Талыпо - ва [106] и других авторов [4, 56]. Ряд допущений в указанных работах у некоторых авторов был одинаков:

1. Гипотеза плоских сечений элементов, утверждающая, что поперечные сечения свариваемых пластин не искривляются.

2. Гипотеза одноосных напряжений.

3. Схематизированная диаграмма зависимости предела теку­чести от температуры для стали. Отсутствие эффекта упрочнения металла при пластических деформациях.

4. Постоянство теплофизических констант металла в широком диапазоне температур.

5. Предельное температурное состояние в пластине и равно­мерная температура по толщине металла.

В методе Г. А. Николаева рассматривается распределение де­формаций и напряжений в сечении 1—1, проходящем через точку касания прямой, параллельной оси шва, к изотерме 600° С (рис. 8, б). Температурные деформации продольных волокон пла­стины равны величине а Т. Так как волокна связаны между собой (гипотеза плоских сечений), в них возникнут дополнительные де­формации. На рис. 8, а деформаций укорочения показаны со зна­ком минус, а деформации удлинения — со знаком плюс. Пласти­ческие деформации показаны косой штриховкой, а упругие — прямой. Величина упругих деформаций на участке /2 показана в соответствии с зависимостью предела текучести стали Ст. 3 от температуры (см. рис. 2).

Прямая тт' отражает положение сечения пластины и прово-

дится из условия уравновешенности эпюры на рис. 8, а. Пласти-
ческие деформации укорочения (на рис. 8, в они показаны ли-
нией abdg) вызывают остаточные напряжения. Величина пластиче-
ских деформаций в зоне с температурой нагрева выше 600° С опре-
деляется условно. В действительности пластические деформации
металла при остывании будут происходить с самого начала кри-

сталлизации вплоть до 7 = 600° С.

Однако при температурах выше
600° С напряжения образовывать-
ся не будут. Лишь начиная с
Т = 600° С возникающие дефор-
мации будут вызывать напряже-
ния. По этой причине деформа-
ция при Т > 600° С в расчет не
вводится и на рис. 8, а она огра-
ничена прямой gd.

Для определения остаточных
деформаций рассмотрим эпюру
пластических деформаций на
рис. 8, в. Она выражает укороче-
ние волокон, которое произошло
в зоне пластических деформаций.

Укорочение волокон обнаружится
при остывании металла и приведет

к образованию растягивающих на-
пряжений. Для определения вели-
чины остаточных деформаций не-
обходимо провести прямую п —п'
так, чтобы площади у положи-
тельной и отрицательной частей
эпюры были равны. При попытке
сделать это уравновешивание без
учета пластической деформации
обнаруживается, что максималь-
ная величинадеформации гтм^>гт.

Следовательно, в данном кон-
кретном случае при остывании бу-

дут происходить пластические деформации удлинения. Нарис. 8, в
показана уравновешенная эпюра остаточных деформаций, полу-
ченная в предположении, что металл идеально пластичен и де-
формируется без упрочнения (допущение 3). Умножив эпюру де-
формаций на модуль упругости металла Е, получим эпюру оста-
точных напряжений.

Приведенный расчет показывает, что в низкоуглеродистых ста-
лях остаточные напряжения в шве и околошовной зоне достигают
предела текучести металла, а с учетом возможного упрочнения
металла при пластической деформации могут быть даже выше ат.

Об этом же свидетельствуют многочисленные измерения остаточ­ных напряжений в сварных соединениях низкоуглеродистых ста­лей, когда их величина оказывалась близкой к ат.

Аналогичным путем могут быть определены остаточные дефор­мации и напряжения при наплавке валика на кромку полосы (рис. 9). В этом случае, кроме условия равенства нулю суммы пло­щадей при построении линии mm', необходимо соблюдать условие

равенства нулю суммы момен­тов площадей. Эпюра пласти­ческих деформаций показана на рис. 9, а косой штриховкой, а на рис. 9, б — линией adg. Остаточные деформации пока­заны на рис. 9, б прямой штри­ховкой. Умножив значения остаточных деформаций на мо­дуль упругости металла Е, в определенном масштабе полу­чим эпюру остаточных напря­жений.

Уточненный метод опреде­ления деформаций при сварке, разработанный Н. О. Окербло - мом, предусматривает последо­вательный. учет пластических деформаций, образуемых в про­цессе сварки в течение всего периода нагрева и остывания. Здесь также принимается гипо­теза плоских сечений и одно­осных напряжений, но рассма­тривается не одно сечение, как в предыдущем методе, а не­сколько (рис. 10, а). При та­ком подходе в случае сварки двух одинаковых широких пла­стин эпюру температурных деформаций можно рассматривать как эпюру максимальных температурных деформаций (рис. 10,6), потому что в процессе движения источника каждая точка пла­стины достигает в определенный момент времени максимальной температуры.

При быстродвижущемся источнике тепла это равносильно пред­положению о мгновенной сварке шва по всей его длине. Ширина зоны пластических деформаций 2Ьп (рис. 10, в) получается больше, чем по методу Г. А. Николаева. Остаточные напряжения для низ­коуглеродистой стали также оказываются равными пределу те­кучести.

определяется в зависимости от жесткости пластины и режима сварки. Напряжения во всей зоне b Ь2 условно приняты равными пределу текучести.

Г. Б. Талыпов исследовал случай мгновенной укладки шва по всей длине с привлечением теории пла­стичности [106]. Перечисленные ме­тоды определения одноосных напря­жений в общем правильно отражают картину образования напряжений в низкоуглерсдистых и некоторых низколегированных сталях. Остаточ­ные напряжения в подавляющем большинстве случаев оказываются равными пределу текучести и это подтверждается экспериментально.

При тщательно поставленных специ­альных опытах можно было бы обна­ружить, что ширина зоны пласти­ческих деформаций оказывается меньше, чем это следует из расчета по методу Н. О. Окерблома. Зани­женные значения к. п. д. процесса сварки, принятые в работе [86], не позволили обнаружить этого расхо­ждения между расчетом и экспери­ментом.

С появлением титановых и алю­миниевых сплавов, у которых запас температурной деформации по срав­нению с ет меньше, чем у низко - углероднстых сталей, было обнару­жено, что остаточные напряжения в них могут быть меньше ат, хотя по упрощенным методам расчета они должны быть больше оГ. Например,

в титановом сплаве ОТ4 запас относительной деформации а Т, fiCJJn-3ee отсчитывать от Т = 700° С при а = 8,5-Ю-6, равен •10 3. Согласно гипотезе плоского сечения должны получиться остаточные напряжения

а = б,8-10"3£ = 71 кПмм2 (—710 Мнім2),

86 Є,?;Лизкие к пРеделу текучести этого сплава, равного 70—

кГ/мм2 (700—800 Мнім2). Экспериментально измеренные

21

остаточные напряжения в стыковых соединениях сплава ОТ4 равны 30—40 кГІмм1 (300—400М«/ж2), т. е. меньше от.

Появление новых металлов привело к необходимости дальней­шего исследования механизма образования сварочных напряжений и более точного учета различных сторон явления. Перечисленные выше методы могут быть использованы в основном для определения одноосных остаточных напряжений в низкоуглеродистых и неко­торых низколегированных сталях.

Дальнейшее уточнение расчетных методов определения свароч­ных напряжений, по-видимому, должно идти по пути применения теории упругости и пластичности и более полного учета происхо­дящих физических процессов.