ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Местный нагрев пластины с прорезами при различных начальных условиях

На практике во многих случаях необходимо выполнять свар­ку и огневую резку металла при различных начальных услови­ях, которые либо предшествуют сварочному нагреву, либо со­путствуют ему. Так, при сварке стали с повышенным содержани­ем углерода часто прибегают к предварительному подогреву де­талей перед сваркой в целях избежания появления закалочных структур и трещин. В зимнее время нередко встречается необ­ходимость сваривать детали, имеющие низкую температуру. Иногда для уменьшения остаточных деформаций и напряжений предварительно растягивают детали и сваривают их в таком со­стоянии.

Представляет практический и теоретический интерес иссле­дование изменения напряжений при местном нагреве металла

предварительно подогретого или охлажденного, а также предва­рительно растянутого или ойатого.

Напряжения осевого сжатия при местном нагреве пластины в области температур упругих изменений стали, с учетом началь­ных условий могут быть выражены следующей общей формулой а< = (а — к) Е (Т — Тг) — а0, (46)

где Т —температура подогрева всей пластины;

Т — температура нагрева средней полосы, изменяющая­ся от Ті до температуры Та> ори которой напряжение сжатия в средней полосе достигает предела текучести; с0—предварительное '.напряжение пластины.

Величины Ті и а0 должны входить в формулу (46) со свои­ми знаками.

6

Фиг. 25. Нагрев средней поло­сы пластины, предварительно подогретой до температуры Ті и предварительно охлажденной до температуры —Т: а — стальная пластина с двумя про­резами; б—диаграмма изменения напряжений в полосах предвари­тельно подогретой пластины лріі нагреве и остывании ее средней по­лосы; в — диаграмма измерения на­пряжений в полосах предваритель­но охлажденной до температуры —Ті стальной пластины с прореза­ми при "нагреве и остывании ее средней полосы.

Возьмем пластину с прорезами, предварительно подогретую до температуры Т (фиг. 25, а). Свободное тепловое удлинение ее при подогреве до температуры Ті будет равно

А Ь = а ТгЬу

где L — длина пластины при нулевой температуре.

Нагрев средней полосы пластины выше температуры Ті вы­зывает появление в ней напряжений сжатия at, которые будут нарастать с повышением температуры согласно выражению (46) по формуле

в* = (а — к) Е (Т — Тх). (47)

Нагревом торцовых частей и крайних полос пластины выше температуры Ті вследствие теплопроводности можно пренебречь, как и в предыдущих случаях. Принимаем, что температура их в процессе нагрева и остывания средней полосы остается неизмен­ной и равна температуре подогрева Т.

Изменение активных напряжений в средней полосе при на­греве ее выше температуры Т и последующем остывании пред­ставлено на фиг. 25, б циклом 0ABDF. Реактивные напряже­ния в крайних полосах 02, определяемые по формуле (39), бу­дут изменяться по циклу 0ABD'F'.

Остаточное активное напряжение осевого растяжения средней полосы, равное ординате OiFy представляет предел текучести металла ат при температуре предварительного подогрева Ті (фиг. 25, б).

Из фиг. 25, б видно, что пластическое удлинение средней по­лосы, при ее остывании до температуры Ті, протекает на мень­шем температурном интервале (участок DF), чем при остыва­нии ее в случае нагрева от нуля, как показано на фиг. 22, в (участок DF).

Короткий температурный интервал пластического изменения средней полосы при ее остывании уменьшает величину пласти­ческого растяжения волокон и снижает скорость остывания ме­талла. Этим устраняется вероятность образования закалочных структур и появления трещин.

При охлаждении пластины ниже температуры Т свободное начальное тепловое удлинение AL уменьшается и все полосы пластины укорачиваются одинаково. Ввиду этого остаточные на­пряжения в пластине остаются неизменными.

Сварка на морозе является подобием местного нагрева плас­тины, предварительно охлажденной до температуры — Т. В этом случае пластические деформации протекают на более длинном температурном интервале и исчерпывание запаса пластического удлинения средней полосы при остывании будет более значи­тельным (фиг. 25, в, участок DF). На фиг. 25, в показано изме­нение напряжений в процессе нагрева и остывания средней по­лосы пластины, которая предварительно была охлаждена до температуры — Т. Нарастание напряжений сжатия при нагреве средней полосы этой пластины, согласно выражению (46) можно выразить формулой

= (а — к) Е[Т — (—ТJ] = (а — к) Е (Т + Т^). (48)

Активные напряжения в средней полосе будут изменяться по циклу OiAiBiDFFu а реактивные напряжения в крайних поло­сах по циклу 0ABDrF'FI (фиг. 25, в). Остаточные напря­жения растяжения в средней полосе пластины равны пределу текучести стали при температуре — Т. і, который несколько выше, чем при обычной температуре. Такое напряженное состояние будет сохраняться в пластине независимо от дальнейшего коле-

4 1755 49 бакия температуры в области упругих изменений стали, так как при этих колебаниях температурное удлинение, либо укорочение всех полос пластины будет одинаковым. Повышенное напряжен­ное состояние, образующееся при местном нагреве пластины в условиях низких температур, и неблагоприятные структуры, возникающие по причине быстрого остывания, понижают рабо­тоспособность сварных соединений и часто приводят к хрупкому разрушению их. Поэтому производить сварку на морозе не реко­мендуется.

Рассмотрим образование остаточных напряжений при мест­ном нагреве напряженной пластины. Для этого растянем плас­тину при нуле градусов до напряжений а0 и закрепим ее концы в неподвижных опорах (фиг. 26, а). Величина удлинения полос

пластины после растяжения будет Д/ =

При нагреве средней полосы пластины, предварительно рас­тянутой и закрепленной, нарастание напряжений сжатия, соглас­но выражению (46), будет выражаться формулой

ct = аЕТ — а0. (49)

Влияние коэффициента податливости к в данных условиях нагрева исключается, так как концы пластины закреплены в не­подвижных опорах. В начале нагрева тепловые изменения воло­кон средней полосы будут уменьшать ее'начальное напряжение а0, которое при температуре Тс снизится до нуля (фиг. 26, в. прямая ОхТс). При нагреве выше температуры Тс в средней по­лосе появятся напряжения сжатия, которые при температуре ТА достигнут предела текучести. При дальнейшем нагреве и по­следующем остьивании средней полосы пластины напряжения в ней будут изменяться, как при нагреве стержня, закрепленного концами в жестких неподвижных опорах (см. фиг. 18, в). Оста­точные напряжения растяжения в средней полосе закреплен­ной пластины достигнут предела текучести от (см. цикл 0TcABB2BiDF на фиг. 26, в). В крайних полосах пластины, ввиду наличия закреплений, напряжения останутся равными оо (прямая 0В2 фиг. 26, в).

Если после остывания освободить пластину от закреплений, то в первый момент в крайних полосах исчезнут начальные на­пряжения растяжени о0, а в средней полосе напряжения растя­жения уменьшатся на его и станут равными

Сс = СТ—С 0. (50)

Полосы пластины будут короче на величину начального удли­нения

6П~

А/ = - ТТ I-

Е

Однако равновесия внутренних усилий не будет, так как средняя полоса находится в растянутом состоянии, и на нее дей­ствуют силы сжатия, которые деформируют крайние полосы. Равновесие активных и реактивных внутренних усилий насту­пит при условии

°1'F1 = c2-F2, (51)

где —остаточное активное напряжение растяжения в сред­ней полосе,

о2 — остаточное реактивное напряжение сжатия в крайних полосах.

Сумма абсолютных значений остаточных напряжений в по­лосах пластины cj и а2 будет равна мгновенному значению* напряжения в средней полосе, определяемому формулой (50). В крайних полосах в этот момент напряжение приобретает ну­левое значение. Равновесие внутренних усилий будет при ус­ловии

ai + а2 = (52)

По формуле (51) и (52) определяем значение остаточного активного напряжения растяжения средней полосы

(ас-°і) •

1_ Fx ~ Fi

откуда

ас • F2

(53)

1 Fi + F, ’

ИЛИ

_ (“г —°o)f*

01 F1 + F 2 •

Дальше по условию (51) находим остаточное реактивное напряжение сжатия крайних полос о2. На фиг. 26, б представ­лена эпюра остаточных напряжений в полосах пластины после снятия закреплений.

4*

5L

Из формулы (53) видно, что при местном нагреве предвари­тельно растянутых. пластин остаточные напряжения значительно меньше, чем <при местном нагреве свободных пластин (см. фиг. 20).

Приведем практический пример, из которого можно уяснить влияние предварительного растяжения на уменьшение остаточных напряжений и деформаций при местном інапреве пластины. Сталь­ная пластина, размеры которой приведены на фиг. 22, закреплена в растянутом состоянии при 0° С (фиг. 26, а). Напряжение растя­жения, вызванное внешней силой Q = Ю ООО кГ, будет

Q 10 000 ОСЛ Г/ о

а° — р1 + р2 — 4 + 7>б8 — 856 кГ/CM.

После нагрева и остывания средней полосы пластины и после­дующего снятия закреплений, остаточные напряжения растяже­

ния в волокнах средней полосы в соответствии с формулой (53) будут

_ (°г-°o)F* _ (2800-856)7,68 _ fi _

1 fi + F2 ~ 4 н - 7,68 — 127Ь,8 к! /см.

Реактивные напряжения сжатия в крайних полосах будут

1276,8 • 4 с. с. л г* / 9

а2 = - у-± = —Yog— "= 664 кГ/CM2.

Остаточная деформация укорочения пластины равна

Д [1]^~Е = 2ТТІ0І ’ 120 = °’038 ММ-

Величина остаточных 'напряжений по сравнению с нагревом

* 2800 о о

в незакрепленном состоянии будет уменьшена в j276~8= ^>2 іраза.

Точно так же остаточная деформация укорочения пластины

0,089 0 0

уменьшится в = 2,2 раза.

Если бы местному нагреву до высоких температур подверга­лась пластина, закрепленная без предварительного растяжения, то остаточные напряжения и деформации после освобождения от закреплений также были бы меньше, чем при местном нагреве свободной пластины. В самом деле, при напреве средней полосы закрепленной пластины с начальными напряжениями а0 = 0, остаточные напряжения растяжения в этой полосе после снятия закреплений согласно формуле (53) были бы

ОіЄ^Ї=™_М*=,840 кГ, см>.

JFх ~f~ F2 4 + 7,68

Реактивные напряжения сжатия в крайних полосах

= 960

Остаточное укорочение пластины

А / а2 / 960 • 120 А Лгг

д 1 = ±1= 2 l ' 1Q8 = 0,055 мм.

По сравнению с местным напревом в свободном состоянии имеем уменьшение остаточных напряжений и деформаций при-

- - 2800 t - 0,088 t - мерно в! і,5 раза, так как -[щ= 1,5 и = 1,5 раза,

Как видим, закрепление деталей в процессе сварки и освобож­дение их от закреплений после остывания всегда «приводит к уменьшению остаточных напряжений и остаточных деформаций.

Если закрепим в неподвижных опорах стальную пластину с прорезами, предварительно сжатую при 0° С до напряжений — — 0о (фиг. '27, а) у и затем подвергнем нагреву среднюю полосу, то нарастание напряжений сжатия, согласно выражению (46) бу­дет соответствовать формуле

at = clET— (— а0) = clET + а0. (54)

Эти напряжения сжатия (фиг. 27,6) достигнут предела теку­чести при температуре, которая меньше, чем соответствующая температура при нагреве средней полосы свободной пластины (см. фиг. 22, в). Дальнейшее изменение напряжений в средней полосе будет такое же, как при нагреве детали, закрепленной в абсо­лютно жестких неподвижных опорах. После остывания напряже­ния в средней полосе будут равны пределу текучести ат (фиг. 27, б). В крайних полосах, ввиду наличия закреплений, напряжения останутся неизменными и равными начальному сжатию — а0.

В зависимости от величины напряжения предварительного сжатия — а0 и поперечного сечения полос F± и F2, после остыва­ния пластины в закрепленном состоянии возможны три случая соотношений между внутренними усилиями в полосах этой пла­стины, а именно

После снятия закреплений в полосах пластины будет происхо­дить перераспределение напряжений, пока не установится равно­весие между внутренними усилиями полос, выражаемое усло­вием (51).

В первом случае, когда a0F2 > QtF1 после снятия закреплений крайние полосы, обладая большим внутренним усилием, чем сред­няя, частично освободятся от напряжений сжатия — с0, вызвав соответствующее пластическое удлинение в средней полосе. Равно­весие внутренних усилий наступит при условии crFi = o2F2, где остаточное реактивное напряжение сжатия в крайних полосах а2<а0. Величина остаточных активных и реактивных напряже­ний будет такая же, как в случае нагрева средней полосы свобод­ной пластины (см. фиг. 20, г), но пластическое растяжение средней полосы будет больше. При невысокой пластичности металла пла­стины возможен разрыв средней полосы после снятия закреплений.

Во втором случае, когда o0F2 = °tFv в полосах пластины после снятия закреплений никакого перераспределения напряже­ний не будет, и остаточные напряжения будут такими же, как и в закрепленном состоянии, Т. е. а2 = а0.

В третьем случае, когда a0F2 < oTFlf после снятия закрепле­ний крайние полосы будут подвержены дальнейшему сжатию под действием усадочного усилия средней полосы, пока не установится равновесие согласно условию c1F1 = a2f2. При этом произойдет частичное снижение напряжения растяжения в средней полосе от ст до с± и увеличение напряжения сжатия в крайних полосах от а0 до а2.

Так как деформации упругого укорочения полос пластины лосле снятия закреплений будут одинаковыми, ТО ст— а1 = 02 —

— ~0 ИЛИ ст - f- а0 = аг - f - а2.

Приняв во внимание условие c1F1 = g2F2, можем определить величину остаточного активного напряжения растяжения в сред­ней полосе с± по формуле

_ (ar+ao) 'Fi, СҐ

1 Fi + F2 ■ (55)

Сопоставляя формулы (53) и (55) видим, что даже при малом напряжении предварительного сжатия, когда c0f2<a7771, оста­точное напряжение растяжения в средней полосе будет больше, чем в случае нагрева средней полосы закрепленной пластины, свободной от начальных напряжений или предварительно растя­нутой. Это подтверждает, что сваривать детали в сжатом состоя­нии не рекомендуется.

Не следует смешивать описанный нагрев полосы сжатой плас­тины с контактной и газопрессовой сваркой. Сжатие деталей в конце нагрева, как это имеет место при контактной и газогкрес - совой сварке, весьма целесообразно для соединения и выдавлива­ния расплавленного металла. Пр'и этом уменьшается зона ра­зогретого металла, и остаточная напряженность будет меньше.