СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СИММЕТРИЧНОМ НАГРЕВЕ

Ряд сварных соединений выполняется в условиях, когда рас­пределение температур осесимметричное. К таким соединениям от­носятся электрозаклепочные (дуговые и точечные), а также соеди­нения стержней встык. Относительно простое распределение тем­ператур в этих случаях позволило достаточно полно исследовать распределение напряжений в таких сварных соединениях. Осо­бенно многочисленными являются исследования, посвященные то­чечным соединениям [5—7, 41, 42]. Задача о распределении на­пряжений при осесимметричном нагреве пластины была решена

Н. С. Лейкиным [68], затем с различными уточнениями и вариан­тами— другими авторами [7], [6].

Так же, как и при сварке встык, при осесимметричном нагреве можно различать три зоны (рис. 51): зону I, где предел текучести металла близок к нулю; зону пластических деформаций II и зону упругих деформаций III. В зонах II и III напряжения являются двухосными. При остывании металла зоны lull стремятся сокра­титься до размеров, меньших тех, какие они имели до нагрева. При атом, как правило, возникают пластические деформации. После полного остывания на границе зон IV и III' действуют рас­тягивающие напряжения <тг, которые в упругой зоне III' беско-

'п

°(111— °/-Ц—III

О 2 4 6 8 10 12 14 16гсм 0 2 4 6 8 10 12 16гсм

S)

Рис. 51. Напряжения при осесимметричном нагреве тон­ких пластин:

а — в период нагрева [68 ]; б — после остывании [68]; в — остаточные ог в точечном сое­динении стали XI8H9T толщи­ной I -f I мм при различных усилиях проковки [42]: / — 700 кГ (7 кн); 2 — 1000 кГ (10 кн); 3 — 1400 кГ (14 кн); 4 — 1900 кГ (19 кн); 5 — 2200 кГ (22 кн)

Напряжения в зонах Г и II' (рис. 51, б) находят методами тео­рии пластичности. В зоне /' or = ot = от, в зоне II' at = от.

Эффект проковки при точечной сварке и повышенный тепло­отвод в электроды могут существенно изменить эпюру остаточных напряжений после сварки (рис. 51, в) [41, 42].

При сварке стержней встык образуются трехосные остаточные напряжения. На образование остаточных напряжений при сварке

стержней влияет неравномерность температуры по сечению, вы­званная теплоотдачей с поверхности, и неравномерность распре­деления температуры по длине стержня (рис. 52, а). Неравномер­ность распределения температуры по длине стержня даже при равномерной температуре по сечениям может вызвать большие остаточные напряжения. Путь решения такой задачи заключается в следующем. Допустим, кривая 7 на рис. 52, а соответствует распределению температур по длине стержня, когда зона /, нагре­тая до 600° С, имеет наибольшие размеры. В этот момент напряже­ния в зоне / невелики и могут быть приняты равными нулю. При охлаждении до момента времени, когда в точке 0 температура достигнет 600° С, в зоне I значительных напряжений возникать

не будет, так как по краям зоны / в точках А температуры будут лишь порядка 500° С. После достижения в точке 0 температуры 600° С (кривая Т2У оба стержня можно считать жестко связанными друг с другом. Решая методами теории упругости задачу о напря­жениях в стержне при остывании его от температуры Т3, можно найти приближенно остаточные напряжения в зоне I.

Решение упругой задачи в данном случае сводится к определе-

ссТ Е

нию напряжении от нагрузки q = —— (рис. 52, б) плюс так

1 ц

называемые гидростатические напряжения

при этом огг = 0.

На рис. 53, а показано распределение напряжений в стыке стержня d — 50 мм при распределении температуры Тг по за­кону Т2 = 600 е~г (г в см). В центре стыка упругое решение дает довольно «жесткую» схему распределения значительных растя­гивающих напряжений. Напряжения ог вдоль оси OZ на поверх­ности сжимающие, что благоприятно для работы стержня в усло­виях переменных осевых нагрузок. В качестве примера на рис. 53,6 показана экспериментальная эпюра остаточных напряжений аг в сварном стальном стержне диаметром 38 мм из стали 35ГС[7]. Стержни сваривали контактным способом.

Результаты исследования сварочных напряжений и деформа­ций металла указывают на то, что распределение их отличается значительным разнообразием. Тем не менее могут быть выделены общие характерные закономерности.

1. Металл в зоне сварного соединения подвергается значитель­ным пластическим деформациям, величина которых, как правило, заметно превосходит ет, в особенности при наличии концентра­торов и многослойной сварке.

2. Максимальные остаточные напряжения в зоне сварного соединения в большинстве случаев являются растягивающими и близкими к пределу текучести металла.

3. В отличие от некоторых других полей остаточных напряже­ний (например, литейных или после прокатки) сварочные напря­жения характеризуются значительными градиентами напряжений и локальностью — весьма большие остаточные напряжения в уз­кой зоне сварного соединения уравновешиваются относительно небольшими, как правило, сжимающими напряжениями в основном металле.

4. Вследствие значительных скоростей изменения темпера­туры при сварке структурные превращения могут смещаться в об­ласть пониженных температур, вызывая существенные изменения остаточных напряжений как по величине, так и по распределению.