СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ДЕФОРМАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ ТЯЖЕЛОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

В конструкциях тяжелого машиностроения нашли применение главным образом низкоуглеродистые и низколегированные стали толщиной свыше 40 мм. Для сварки таких элементов применяются преимущественно электрошлаковая, автоматическая и полуавто­матическая сварка под флюсом, а также ручная электродуговая сварка.

При выполнении стыковых соединений многослойной сваркой для укрупнения заготовок в основном необходимо учитывать уг­ловые деформации в плоскости, перпендикулярной шву. При одно­сторонней многослойной сварке в зависимости от толщины металла и количества слоев угол р может достигать 10° и более. Применяя двустороннюю разделку, удается избежать заметных остаточных угловых деформаций.

При электрошлаковой сварке встык нагрев деталей симметри­чен относительно середины толщины. Согласно классификации, приведенной в п. 23, при этом возникают лишь деформации в пло­скости свариваемых элементов:

1. Перемещение свариваемых кромок вблизи зоны сварки, вызванное местным нагревом металла источником тепла. Макси­мальное значение перемещения одной кромки vmax достигается непосредственно в зоне сваривания металла.

2. Поступательное перемещение (сближение) свариваемых эле­ментов вследствие остывания и сокращения заваренной части соеди­нения (см. п. 28).

3. Угловое перемещение (поворот) свариваемых элементов вследствие неодновременного и неравномерного сокращения остывающей заваренной части соединения (см. п. 28). При этом повороте зазор в незаваренной части уменьшается (при наличии «сухарей» или противодействующего момента этот вид деформации может и не наблюдаться).

4. Поступательное перемещение (удаление) свариваемых эле­ментов вследствие структурного превращения аустенита в феррит. Этот вид деформации по величине незначителен и специально не рассмотрен.

5. Угловое перемещение (поворот) элементов из-за структур­ного превращения (см. п. 29). В зависимости от положения зоны структурных превращений зазор в незаваренной части может либо увеличиваться, либо уменьшаться.

6. Изгиб относительно узких деталей вследствие неравномер­ного нагрева их по ширине при сварке. При этом зазор увеличи­вается.

В конкретных условиях сварки в зависимости от размеров деталей, режима сварки й марки стали перечисленные виды деформаций образуются в различных количественных сочетаниях, некоторые из них в частных случаях вообще не возникают.

При сварке протяженных в поперечном направлении деталей, когда имеется противодействующий момент от веса (рис. 91, а и б), возникают только деформации видов 1, 2 и 4. На рис. 91 представ­лены результаты измерений на деталях перемещений точек, распо­ложенных на расстоянии около 30—35 мм от кромки, точнее, рас­положенных друг от друга на расстоянии 100 мм [10]. На всех гра­фиках вправо по горизонтальной оси отложено перемещение од­ной кромки Д. Изменение базы 100 мм при этом составляло 2Д. По вертикальной оси отложены координаты точек, принадлежащих кромкам. Ломаные кривые показывают положение кромки в раз­личные моменты времени, отсчитываемые от начала сварки. Вер­тикальная ось является начальным положением кромки перед свар­кой. На вертикальной оси отмечены также положения верхнего среза ползуна в различные моменты времени. В момент подхода ванны к измеряемой базе происходит резкое перемещение кромки (рис. 91, а) — это деформация вида 1. Кривые 018 и О30 свидетель­ствуют о поступительном сближении двух деталей, когда они, пе­ремещаясь на опорах, уменьшают зазор. На рис. 91, б хорошо заметны оба вида деформаций. Значительный момент от веса го­ловки не позволил начаться угловым деформациям. Местное пе­ремещение кромки v и поступательное сближение, наблюдаются при сварке любых деталей и сталей.

На рис. 91,е даны результаты измерений, выполненных при сварке деталей, у которых момент от веса невелик. Момент от соб-

6)

Рис. 91. Перемещения кромок^ деталей в процессе электрошла­ковой сварки:

а двух полупластии пресса с голов^ами> сталь 22К; 6 — головки и полу - пластнны пресса, сталь 22К; в — подштамповой плиты, сталь 34ХМ; г —двух узки* пЛИТ> сталь 22 К

ственных напряжений оу в заваренной части преодолевает момент от веса деталей, в результате чего происходят угловые темпера­турные и угловые структурные деформации, уменьшающие зазор. По положению кривой 101ъ хорошо заметна остаточная угловая деформация.

При сварке узких деталей (рис. 91, г) изгиб от неравномерного нагрева приводит к открыванию зазора в верхней части плит. Причем по сравнению с другими видами деформации изгиб от на­грева преобладает. Кривая 540 показывает остаточное искривление каждой из сваренных пластин.

Временные угловые и поступательные деформации можно опре­делять по номограммам в п. 28 и 29. Остаточное сокращение плит в отдельных точках шва при электрошлаковой сварке Д„0По на­ходим по формуле

^поп0 = 2Umax + &попв, (141)

где 2и|1]ах — поперечное сокращение зазора, вызванное местным нагревом свариваемых кромок при электрошлако­вой сварке (см. рис. 64);

Дпопв — поперечное изменение зазора к моменту сваривания кромок, вызванное временными деформациями ви­дов 2—6.

Величину Дпопв можно определить, если изгиб от неравномер­ного нагрева (рис. 6) мал и им можно пренебречь, но формуле

АПопв = Дпос + Де> (142)

где Апос — уменьшение зазора от поступательного перемещения (см. рис. 69);

Де — изменение зазора от угловых температурных и струк­турных деформаций.

Величину Д0 вычисляем, суммируя отдельные перемещения, вызванные угловыми поворотами при различных плечах поворота.

При сварке металла толщиной свыше 300—400 мм температур­ные угловые деформации становятся незначительными по сравне­нию со структурными деформациями. Структурные деформации вначале вызывают закрывание зазора, а затем его открывание. Если свариваемые стали испытывают структурные превращения, начиная с температуры 700—800° С, то закрывание зазора должно происходить до высоты шва h = 400-н700 мм, когда деформации относительно легко можно устранить разными приемами, например «сухарями». Может оказаться, что они будут вовсе незаметны. После перемены знака угловой деформации создается впечатление, что происходит только открывание зазора, так как фаза закрыва­ния была устранена противодействующим моментом или закрепле­ниями. В сталях, у которых начало структурных превращений смещается в область температур ниже 550—600° С, закрывание

зазора начинается при /і = 400 ; 600 мм и продолжается до h — 1200н-1600 мм. В этот период скобы и «сухари» уже плохо сопротивляются угловым деформациям, в результате чего темпера­турные и структурные деформации, действуя в одном направлении, создают значительное закрывание зазора. Последующее открыва­ние, начиная с Л^1400н - - г-1800 мм, как правило, незначительно, и весь про­цесс деформации воспри­нимается как непрерыв­ное закрывание зазора.

На рис. 92 для сравнения представлены кривые из­менения зазора в верх­ней части стыка пример­но одинаковых по разме­рам плит из стали 20ГС и стали 34 ХМ. В первом случае (сталь 20ГС) зазор

уменьшился лишь на 2,5 мм, а затем с высоты ~700 мм нача­лось увеличение зазора. В плитах из стали 34ХМ уменьшение зазора прекратилось лишь при h ^ 1700 мм, достигнув—7,5 мм.

При электрошлаковой и многослойной сварке коробчатых кон­струкций с угловыми и тавровыми сварными соединениями возни­кающие деформации, как правило, не усложняют процесс произ­водства и существенно не ухудшают качество конструкций.