ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ОБРАЗОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Рассмотрим, как и в предыдущем подразделе, простейшую балочную конструкцию (балку-полоску) с центральным сварным швом, полагая, что неравномерностью нагрева по толщине свариваемых элементов мож­но пренебречь. На рис. 16.5, а представлен момент, когда сварочная дуга находится на каком-то участке балки в точке 0 подвижной системы коор­динат хуг, связанной с источником. Выделим в балке-полоске в подвиж­ной системе координат три области:

1 - область, нагретую выше температуры полного разупрочнения

металла Т* (ограниченную изотермой Г*);

2 - область нагретого металла, ограниченную изотермой Т (Т(|- исходная или начальная температура металла балки):

3 - область холодного металла, имеющего температуру Тл.

Заметим, что область холодного металла охватывает нагретую об­ласть с трех сторон и создает для нее жесткий подковообразный кон­тур.

Выделим двумя близкими сечениями аа и ЬЬ, перпендикулярными к оси шва, участок балки dx и отнесем его к единице длины. Продоль­ными сечениями разделим этот участок на ряд элементарных призм се­чением s ■ dy и длиной, равной единице (рис. 16.5, 6).

Оговорим предварительно условия возможного протекания дефор­мационных процессов в призмах в поперечном направлении. На осно­вании сделанного ранее принципиального допущения об одномерно­сти напряженного состояния (см. подразд. 16.1), при тепловом нагружении любой призмы по ее ТЦ в поперечном направлении воз­можно развитие только свободных температурных деформации. так как принципиально ничто не ограничивает изменение линейных рал - мерок призм в поперечном направлении (поперечные напряжения а в процессе нагрева и охлаждения призмы равны нулю). В то же время при определенных условиях нельзя исключить возможное пластичес­кое деформирование отдельных призм в поперечном направлении, ме­талл которых находится в полностью разупрочнениом состоянии. В предположении, что в поперечном направлении возможны объем­ные изменения, обусловленные пластическим деформированием, для оценки конечного состояния в призмах следует проследить всю исто­рию их теплового нагружения.

Возможны два подхода рассмотрения истории теплового нагруже­ния призм выделенного участка балки:

• выделенный участок балки единичной длины неподвижен и на­ходится в каком-то сечении балки; в какой-то момент времени, принимаемый обычно за нулевой момент, температурное ноле предельного состояния, связанное с источником, пересекает этот участок, вызывая при этом различные температурные ситуации, вплоть до полного выравнивания температуры по ширине участ­ка балки и последующего охлаждения до исходной температуры:

• температурное гюле зафиксировано, а различное положение вы­деленного участка балки позади источника определяет разные моменты времени выравнивания температуры по ширине участ­ка балки.

Оба этих подхода равнозначны. В нашем случае второй подход бо­лее удобен.

Рассмотрим малый момент времени t*. когда выделенный учас­ток балки пересекает область 1 в ее самом широком месче: это поло­жение участка балки и зафиксировано на рис. 16.5, а. Распределение температуры Т(у, t*) в момент Г* в его сечении показано на рис, 16.5, «. с выделением областей 1, 2, 3. В соответствии с этим рас­пределением температур участок балки в поперечном направлении должен изменить свою ширину, но э го свободное расширение невоз­можно, так как он находится в условиях жесткого закрепления по торцам участка за счет подковообразного холодного контура (область 3 ~ сечения kk и // зафиксированы). В то же время удлинение призм области 2 в поперечном направлении должно быть реализовано, так как металл этих призм не потерял упругих свойств, И эго стремле­ние призм области 2 удлиниться реализуется смешением сечений mm п пп внутрь к оси шва (сечеипя m'm' и n’tf), причем без возникнове­ния силовой ситуации, за счет пластического обжатия в поперечном

«с

направлении призм области 1. металл которых находится в разуп - рочнепиом состоянии (рис. 16.о. /).

В послелуютис моменты времени нри рассмотрении положения участка балки за пределами области 1, когда металлу участка по всей ширине вернулись упругие свойства, то, что происходит в призмах, по представляет интереса. Происходят свободные температурные измене­ния линейных размеров призм в поперечном направлении. Можно сра­зу перейти ко времени полного охлаждения участка балки t —* х, нри нашем подходе находящегося далеко позади источника.

Поскольку пластические деформации необратимы, призмы облас­ти 1 не восстанавливают при полном охлаждении свои исходные раз­меры, они так и остаются обжатыми, В районе этих призм наблюдается выпучивание металла, а призмы областей 2 и 3 восстанавливают свои исходные размеры, в результате чего ширина выделенного участка бал­ки становится меньше на величину Д В (рис. 16.5, <)),

Если же говорить о ширине всей балки по длине, то после сварки она становится меньше также на величину Дй.

Определение объема поперечного укорочення

сварного соединения

Приближенную количественную оценку поперечных сварочных де­формации выполним при следующем предположении: величина плас­тическом деформации сжатия и поперечном направлении, соответству­ющая перемещению границ тт и пп внутрь области / в момент Ґ (см. рис. 16.5, /.), равняется по величине, но с обратным знаком, возможному расширению участка балки в поперечном направлении Лй'.если бы этот участок был свободен:

ДЙ = - ДЙ’. (16.14)

Определим величину ДВ' только от теплового расширения злементар - ных призм в поперечном направлении в момент Ґ, когда температурное изменение по ширине участка балки соответствует температурной кривой Т(у. Ґ) (см. рис. 16.5. в). Свободное удлинение злементарной призмы в по­перечном направлении равно к1 dy~aT(ij. i где Т(у. (*) - температу­ра призмы в момент Ґ. Полное тепловое расширение участка балки

Д В'= J и. Т( у. і *yii/ = а jj'(//,/*у/(/.

Интеграл в формуле (16.15), равный по величине площади, ограни­ченной температурной кривой Т(у, Ґ) в момент Г* (см. рис. 16.5, в), оп­ределим, исходя из следующих соображении. В участок балки единич­ной длины при прохождении через него сварочной дуги вводится количество теплоты Q - q{ - [Дж]. Объем участка балки V - Bs ■ 1 [см1]. Следовательно, повышение температуры объема участка, согласно фор­муле (13.5):

ЛГ~фЙ~ф&' (16Л6)

С другой стороны, это среднее повышение температуры участка бал­ки выражается формулой

в

+—

В i' vv" (16.17)

Сопоставляя формулы (16.16) и (16.17), получаем

в

f --

(.і.*»

"і

Подставив (16.18) в (16.15), имеем

(16.19)

Изменение же ширины выделенного участка балки, учитывая пред­положение (16.14), будет

а <7„

А В =--------- . (16.20)

Ср А '

Как уже отмечалось, изменение ширины участка балки обусловле­но изменением его объема в поперечном направлении. Учитывая, что

ш

площадь сечения участка балки в том же направлении равна s-І [см-], определим изменение этого объема:

Аг = ——г/„. (16.21)

ер

где А?' - объем остаточных поперечных пластических деформаций, при­ходящийся на единицу длины шва, или просто объем поперечного уко­рочения, см2.

Учитывая физическое сходство полученной формулы (16.21) с фор­мулой для оценки объема продольного укорочения (16.8), введем по­нятие коэффициента поперечного укорочения сварного соединения р, т. е.

Л1,"=Миф'/п' (16.22)

При более полном рассмотрении процесса в поперечном направле­нии, т. е. с учетом влияния процессов, идущих в продольном направле­нии, уточненное значение коэффициента поперечного укорочения, по данным К. М. Гатовского. выражается зависимостью

р;/ = -(-1.4+0.5р, ). (16.23)

Принимая значение коэффициента продольного укорочения свар­ного соединения pt =-0,335К1КаК^ -0,3, получим уточненное значение коэффициента поперечного укорочения р = -1,25.

Сравнивая формулы (16.8) и (16.22). определяющие объемы про­дольного и поперечного укорочений сварочного соединения, видим их физическое сходство. Действительно, они пропорциональны погонной

а

энергии сварки и обобщенному параметру “ , характеризующему спо­собность металла изменять свой объем при нагреве. Однако, и это сле­дует отметить, значения коэффициентов р) и р^ существенно отлича­ются друг от друга.

Уточненное значение коэффициента поперечного укорочения р = -1,25 является максимальным. В действительности предполо­жение о полном прогреве металла по толщине оправдывается не так часто. А неравномерный прогрев по толщине может быть причиной не только уменьшения пластического обжатия металла, но п возник­новения угловых деформаций, что обусловлено неодинаковыми по
юдщп не п. іасі пчсскпми деформациями металла її поперечном наирав - . і єні і и. Очень час і о. особенно н еуловых конструкциях, паличне ра. іл оч­ных сия. ісіі, нрсиягстіпюіцнх смешению меіа і. іа к оси шва (папрпмср. ребер жссткоа п. пересекающих шов), также может приводит ь к умень­шению п. іасгпческоео обжатия металла. Перечисленные факторы уменьшают величину обкома поперечного укорочения. Поотому в ин­женерных расчетах для приближенной оценки коэффициента попереч­ного укорочення рекомендує і ся испо. іьзоват ь птирпческую формулу, предложенную С. А. Кузьмпповым:

р,, = -1,2бр),2б + 0,75Афр(0,1 +0,9 А', )| (16,24)

где Кir[) - коэффициент, учитывающий степень прогрева свариваемых эле­ментов по толщине. Он определяется по графику (рис. 16.6. а) в зависи­мости от параметра А', - коэффициент, учитывающий степень рас-

S ~

крепления сварного соединения пересекающими его реорамн. Он определяется но графику (рис. 16.6, б) в зависимости от относительно­го расстояния у между приваренными ребрами, пересекающими свар­ное соединение (рис. 16.6, «).

С этой же целью, для приближенного определения р с учетом глу­бины проплавлення и влияния раскрепляющего ребра жесткости, мож­но рекомендован, зависимость, предложенную В. Л. Винокуровым н А. Г. Григорьянцем:

.. ,_т/ .В-<!

M„=0.U>- + .1—. (16.2.6)

где/1 - коэффициент поперечного укорочения сварного соединения при отсутствии ребра жесткости, характеризующий влияние глубины про­плавлення; определяется но графикам рис, 16.7 в зависимости от удедь-

^/п.. D

нон погонноп энергии сварки — для ряда значении г/ ; л - ширина полки (длина поперечного шва);

у + к - при одностороннем иояепо. м тис

(у - ю. тщпиа (тепкн. к - кап и шва): S, + 2/.'-ІфИ ДВуХІ ТОроППеМ ПОЯСНОМ ІІПЇС

«о

2/.,.

Рис. 1(>.6. Г|>афи id і х і>і оиргдс. іс'іііія ко >ффіщт-іи о» Кп и К

< Ы1Ш( !IМ<К*! I, КО >ффИ11П<Ч1 I Л К ОІ (Г 11>Ш)Н МОЇ ОПІЮІІ. ІІК'рі ии си<фмі.

о ыниснмоп її ко 'ффццисм ta К оі парамсіра у Н пирс [V К'ШН’ !!<|{>ЛМ( I j).l '/