СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ПРОДОЛЬНЫЕ И ПОПЕРЕЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ ВСТЫК СВОБОДНЫХ и скрепленных деталей

Одним из наиболее распространенных сварных соединений является прямолинейное однопроходное сварное соединение двух пластин встык. Механизм образования деформаций в этом случае характерен во многих отношениях и позволяет объяснить образо­вание деформаций и в других сварных соединениях.

Рассмотрим сварку двух пластин большого размера с зазором. Допустим, что распределение температур по толщине металла равномерное. Такие условия наиболее близки к электрошлаковой сварке деталей встык.

Результаты определения перемещений края пластины при на­греве ее движущимся источником тепла (п. 10) можно использо­вать для объяснения механизма образования поперечной усадки. Если сваривают две пластины с зазором (рис. 59, б), то кромки каждой из пластин будут испытывать поперечные перемещения v. Впереди источника нагрева ничто не препятствует перемещению кромок навстречу друг другу. В момент сваривания кромок пере­мещения достигают максимальной величины ошах, а взаимное при­ближение кромок составляет 2отах. Если бы металл после сварки, находясь при высокой температуре, обладал высокой прочностью, то уменьшение v позади источника нагрева приводило бы сразу к подтягиванию пластин друг к другу и образованию поперечной усадки 2отах. В действительности на участке О А металл обладает небольшим сопротивлением пластической деформации, в резуль­тате чего на этом участке металл течет и происходит его удлинение на величину 2 (omax — vA).

В точке А пластическое удлинение металла в направлении поперек шва прекращается; взаимное сближение кромок состав­ляет 2va. В дальнейшем после полного остывания металла возни­кает поперечная усадка Апоп = 2vA. Величина пластической деформации, т. е. разность 2 (omax — vA), зависит главным обра­зом от механических свойств металла и от теплоотдачи в воздух.

Чем выше теплоотдача, тем быстрее снижается кривая v позади источника. При этом спад v не соответствует спаду температур ме­талла. Поэтому при плавном снижении v (пунктирная кривая на рис. 59, а) увеличивается величина 2vA и уменьшается пласти­ческая деформация.

В пластинах, свариваемых встык без зазора, кромки впереди источника тепла не могут перемещаться беспрепятственно. До неко­торой точки В (рис. 59, а) происходит упругое вдавливание ме­талла из-за'того, что кромки упираются друг в друга. От точки В до точки D происходит пластическая деформация осаживания ме­талла. При этом участок СВ, который испытывает упругую де­формацию, влияет на величину утах в точке D вследствие упругого

взаимодействия участков метал­ла ВС и BD. В результате при сварке пластин без зазора, а также при проваре целой нераз­резанной пластины величина 2цтах оказывается меньше, а следова­тельно, меньше и поперечная усадка, равная 2vA. Поперечная усадка в этом случае на 15—20% меньше, чем при сварке с зазо­ром. При идеально упругом про­текании процесса сварки двух пластин встык максимально воз­можная величина 2цтах выражает­ся формулой

2»шах = 2 — (94)

Фактическая величина поперечной усадки, возникающей в мо­мент сваривания и остающейся после полного остывания пластин, меньше теоретически возможной. При электрошлаковой сварке пластин с зазором, когда теплоотдача мала,

bnons*tO,8-2vnua. (95)

При электродуговой однопроходной сварке пластин встык, когда они собраны без зазора,

Апоп < (0,5-М),7) 21W = (1,0-г-1,4) ^ (96)

Формула (96) справедлива для низкоуглеродистых, низколеги­рованных и аустенитных сталей, а также для титановых и алюминие­вых сплавов толщиной примерно до 16 мм. Формулой (96) можно пользоваться также для приближенного определения поперечной усадки, когда шов укладывают на целую пластину без полного провара, например при сварке угловым швом. Независимо от рас­

стояния между параллельными угловыми швами поперечную усадку листа находят как сумму отдельных усадок.

Поперечная усадка свариваемых встык пластин обнаружи­вается не сразу после сварки, а лишь после полного остывания пластин, хотя сближение кромок происходит непосредственно в процессе их сваривания.

Во время прохода источника нагрева в перемещениях уча­ствует сравнительно узкая зона металла, а именно нагретая до высокой температуры. Поэтому закрепление пластин не оказы­вает практически никакого влияния на поперечное перемещение кромок во время сваривания. Лишь на стадии остывания, если закрепления достаточно силь­ны, возможна пластическая деформация металла, приво­дящая к уменьшению попе­речной усадки.

На начальных участках шва квазистационарное пе­ремещение кромок не дости­гается, поперечная усадка здесь несколько меньше по величине, чем на остальной части шва. При повторном нагреве по одному и тому же месту поперечная усадка от второго шва равна усадке от первого шва, если при этом не изменились условия на­грева. Если пластины свари­вают с зазором, то может оказаться, что еще до подхода источника тепла вследствие временных деформации кромки могут сблизиться или отойти друг от друга. В этом случае пол­ная поперечная усадка будет состоять из перемещений, воз­никших от временных деформаций пластин в целом, и переме­щений непосредственно в зоне сварки. При сварке пластин, собран­ных без зазора или собранных на прихватках или «сухарях», поперечная усадка, как правило, не зависит от временных деформа­ций. Исключение составляют случаи, когда, например, собранные без зазора, но не скрепленные между собой детали в процессе сварки отходят друг от друга. Это один из видов временных де­формаций. Отход пластин друг от друга и открывание зазора при сварке может происходить вследствие двух причин: так называе­мых временных структурных деформаций и неравномерного на­грева узких пластин по ширине. Деформации узких пластин от неравномерного нагрева по ширине по существу являются про­дольными деформациями изгиба в плоскости (рис. 60).

Изгиб пластин происходит вследствие того, что нагретая сто­рона пластины расширяется, в то время как холодная сопро­тивляется этому расширению. По мере уменьшения ширины пла­стины при постоянной мощности источника нагрева деформации, вызванные поворотом сечений, возрастают. Однако очень узкие пластины могут прогреваться полностью до высоких температур и не иметь значительных угловых деформаций.

Ширина пластин, при которой деформациями от поворота се­чений можно пренебречь, зависит от режима сварки и теплофизи­ческих свойств металла. Для объективной оценки ширины пластин

» в

следует пользоваться величиной -—, где В — ширина одной пла- стины, Ьп — половина ширины зоны пластических деформаций.

Можно также пользоваться отношением - г—, где Ьа — ширина

0

зоны, нагревающейся до температуры, при которой предел теку­чести металла близок к нулю.

Величину Ь0 приближенно можно найти по графику на рис. 78 при I = 260, а Т — Т0. Если пользоваться теорией мощных бы- стродвижущихся источников тепла, то величину Ь0 можно найти по формуле

, 0,242 д

0 — суТ0 vc6 '

1-Т В о

При отношениях 8 пластины можно считать широкими,

а угловые деформации от неравномерного нагрева — незначи­тельными.

Продольные остаточные деформации укорочения при сварке пластин встык, если не имели места деформации изгиба в про­цессе сварки, определяют по формуле

= (97)

где Рус — усадочная сила, величина которой определяется по формуле (81);

I и F — длина и площадь сечения сваренной пластины соот­ветственно в см и см?.

Метод фиктивных сил дает неправильные результаты, если длина пластин соизмерима с их шириной.

При сварке двух пластин различной ширины (рис. 60, б) уса­дочная сила РуС, расположенная на расстоянии у0 от центральной оси, создает изгибающий момент М = Русу0■ Сваренные пластины после остывания, помимо продольного укорочения

д = End_________

будут также изгибаться.

Угол поворота концов пластины ф относительно друг друга и прогиб f в середине вычисляем по формулам:

ф-#; (98)

EJ

. Ml2

“ 8 EJ ’

6 (fix - fi2)«

12