ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Напряжения и деформации при сварке внахлестку

В зависимости от расположения угловых швов по отношению к направлению действия внешней нагрузки соединения внахлест­ку или нахлесточные соединения можно разделить на четыре ос­новных вида:

1) соединения лобовыми швами, когда направление внешней •силы перпендикулярно линиям швов (фиг. 79, а);

2) соединения фланговыми швами, когда внешняя сила на­правлена параллельно линиям швов (фиг. 79, б);

3) соединения косыми швами, когда внешняя сила направле­на под острым углом к линии шва (фиг. 79, в);

4) комбинированные соединения угловыми швами (фиг. 79, г).

Нахлесточные соединения чаще всего применяются в решет­чатых конструкциях в местах сопряжения поясов с раскосами и

стойками, а также в сварных тонкостенных резервуарах и на монтажных соединениях.

Характер нагрева при наложении шва в 'нахлесточных соеди­нениях напоминает наплавку валика на поверхность одной пла­стины и нагрев края другой пластины.

Активная зона углового шва нахлесточного соединения їв од- *ной пластине представляет области околошовной зоны, прости-

"ю.

М м

Л ________________ - Ч

! о ■

б)

Фиг. 79. Сварные соединения внахлестку: а — соединение лобовыми швами; б — соединение фланговыми швами; в — соедине­ния косыми швами; г — соединение комбинированное.

рающиеся в обе стороны от линии шва, как при наплавке валика на поверхность пластины, а :в другой — область нагрева одного края, как при наплавке валика на кромку пластины (фиг. 80, а).

В нахлесточных соединениях область нагрева до пластического состояния будет простираться на одинаковую величину от оси шва в основной металл, воспринимающий тепло непосредствен­но от источника сварочного нагрева, как показано стрелками на фиг. 40, б. Область нагрева до пластического состояния Ь в угловых швах определяется по формуле (92), причем толщина пластин бо = 2бі + 62 (фиг. 80, а).

Область упруго-пластических деформаций Ь2 определяется по формуле (95) отдельно для каждой пластины или ее части, вос­принимающей тепло непосредственно от источника нагрева. При этом учитывается ее ширина от оси шва. Коэффициент к2 выби­рается по графику, приведенному на фиг. 41.

Поперечное сечение активной зоны Fc углового шва нахле - сточного соединения (см. фиг. 80, а) будет

Fc — (26i + 621 + b2) Ь - f - (61 - j - 622) °2 “т” ~2 ’ (208)

где &i — ширина области нагрева до пластического состояния; Ь2 и &2i — ширина областей упруго-пластических деформаций в одной пластине;

I) 22—ширина области упруго-пластических деформаций в другой пластине;

61 и 62 — толщина свариваемых пластин; к — катет углового шва.

Ширина активной зоны углового шва нахлесточных соедине­ний каждой пластины может быть определена также по форму­лам (101) и (102) или с меньшей точностью по формуле (103).

Тогда поперечное сечение всей активной зоны углового шва на - хлесточного соединения будет

Fc = {bn Н“ bn) ^1 + Ь2п$2 4" ~К >

где Ъп и Ь[п — участки активной зоны нижней пластины по обе стороны от линии шва;

&2п — активная зона верхней пластины.

Численные значения попереч! нот сечения активной зоны угло­вого шва, найденные различными способами расчета, незначи­тельно отклоняются друг от друга по величине.

Активное внутреннее усилие Р1, действующее вдоль линии лю­бого шва, определяется по формуле (89)

Р1 - oTFc, (210)

где Fс — поперечное сечение активной зо;ны шва; от— предел текучести металла.

С целью уменьшения затрат металла стремятся уменьшить перекрытие нахлесточного соединения лобовыми швами (фиг. 79, а). Однако с уменьшением перекрытия а возможен пе­рекос швов нахлесточного соединения при действии внешней на­грузки ввиду эксцентрицитета между серединным’и плоскостями свариваемых пластин. В целях предотвращения перекоса швов

нахлесточного соединения с лобовыми швами при действии внеш­ней нагрузки перекрытия свариваемых пластин рекомендуют при­нимать не менее четырех толщин свариваемых пластин. Обычно величину перекрытия в нахлесточных соединениях лобовыми швами принимают 4—5 толщин свариваемых пластин (фиг. 79, а).

При сварке внахлестку пластин малой и средней толщины ло­бовыми швами на обычных режимах сварочного нагрева актив­ная зона каждого шва распространяется в сторону перекрытия на область, которая в преобладающем большинстве практиче­ских случаев больше половины поперечного сечеіния всего нахле­сточного перекрытия. Вследствие этого поперечные сечения ак­тивных зон обоих лобовых швов нахлесточного соединения поч­ти ©о всех случаях частично перекрывают друг друга. Поэтому активная зона обоих лобовых швов нахлесточного соединения обычно меньше удвоенной активной зоны одного шва. Она вклю­чает всю площадь поперечного сечения нахлесточного перекры­тия и частично простирается в неперекрытую часть каждой пла­стины.

На фиг. 80, б показано примерное распределение остаточных напряжений от продольной усадки в нахлесточном соединении лобовыми швами. Следует заметить, что приведенные на фиг. 80, б площадки эпюр активного напряжения растяжения от и реактивного напряжения осевого сжатия о2 различны между собой, но соответствующие им активные и реактивные внутрен­ние усилия будут равны друг другу. Это является следствием то­го, что в поперечном сечении нахлесточного соединения в области швов толщины основного металла различны.

Активное усилие Р (фиг. 80, б) нахлесточного сварного сое­динения лобовыми швами определяется по формуле (210). При этом учитывается поперечное сечение активной зоны всего сое­динения. Реактивные напряжения осевого сжатия о2 в осталь­ных волокнах сварного соединения для случая Fc < 0,5 F рассчи­тываются по формуле

Р сТ^г

°2 = F — Fc = F — Fc ’ (21 ^

где F — полное поперечное сечение сварного соединения;

Fc—поперечное сечение активной зоны лобовых швов.

С увеличением толщины свариваемых пластин возрастает ве­личина нахлесточного перекрытия, а концентрация нагрева ме­талла до высоких температур становится более сосредоточенной около каждого шва. В этом случае активная зона одного шва простирается в сторону другого шва на величину, которая мень­ше величины нахлесточного перекрытия (фиг. 80, б). Поэтому средняя часть нахлесточного перекрытия будет подвержена ре­активному сжатию. Распределение остаточных напряжений в на­хлесточном сварном соединении с широким перекрытием листов подобно эпюре, изображенной на фиг. 80, в.

Если нахлестка смещена относительно оси центров тяжести поперечных сечений сварного соединения с лобовыми швами, что имеет место при нахлесточном соединении пластин различной ширины (фиг. 81, а), то активное внутреннее осевое усилие, поми­мо продольного укорочения, будет вызывать изгиб соединения в его плоскости подобно рассмотренному случаю сварки стыко-

вым швом пластин различной ширины (см. фиг. 50). Изгибаю­щий момент от действия внутренних усилий и прогиб сварного соединения можно определить по формулам (122) и (125). На фиг. 81 показано сварное нахлесточное соединение лобовыми швами пластин различной ши­рины и эпюры остаточных на­пряжений от осевого и изгиба - ющего действия внутренних усилий. ' _

Нахлесточные соединения фланговыми швами (см. фиг. ®

79, б) наиболее широко приме - Фиг. 82. Активная зона при сварке НЯЮТСЯ В - сварных решетчатых внахлестку фланговыми швами: конструкциях ДЛЯ соединения а~ сваРное соединение: б — эпюра оста-

Ґ J ^ ^ ^ точных напряжении.

раскосов и стоек с поясами.

Расстояние между фланговыми швами нахлесточного соединения зависит от ширины привариваемой детали. Нагрев основного ме­талла в нахлесточном соединении фланговыми швами характери­зуется тем, что при наложении швов подвергаются нагреву две противоположные кромки привариваемой пластины или детали и две полоски на поверхности другой пластины (фиг. 82, а).

Определение активной зоны флангового шва нахлесточного соединения производится при помощи тех же формул и зависи­мостей, которые указаны выше при рассмотрении активной зоны лобового шва— (208) и (209).

Если сварное соединение представляет приварку фланговыми швами одной пластины к другой (фиг. 82, а), то поперечное се­чение активной зоны каждого шва при одновременном их выпол­
нении будет одинаковое. При неодновременном - наложении флан­говых швов, что обычно имеем на практике, активная зона вто­рого шва может быть несколько больше, чем выполненного ранее первого шва, это является следствием возможного увеличе­ния области упруго-пластических деформаций при повышении общей жесткости нахлесточного соединения, созданной наложе­нием первого шва. Однако это >не оказывает заметного влияния на увеличение активной зоны второго флангового шва, если он выполнен на том же сварочном режиме, на котором выполнен

первый шов. Примерная эпюра остаточных напряжений нахлес­точного соединения фланговыми швами от осевого действия внут­ренних усилий изображена на фиг. 82, б.

Поперечные усилия, порождаемые продольной усадкой свар­ных швов, в нахлесточных соединениях лобовыми или фланго­выми швами будут меньше, чем при сварке пластин стыковыми швами.

Это объясняется тем, что в нахлесточном соединении жест­кость одной из свариваемых пластин в направлении действия по­перечного усилия весьма малая, поэтому величина поперечных напряжений от продольной усадки в нахлесточных соединениях значительно меньше, чем в стыковых. Распределение попереч­ных напряжений от продольной усадки в нахлесточных соедине­ниях следует такой же закономерности, как и в стыковых швах, т. е. середина шва растянута, а концы сжаты (см. фиг. 52, в).

Поперечные усилия, порождаемые поперечной усадкой угло­вых швов в нахлесточных соединениях, достигают сравнительно высоких значений. Это вытекает из того, что в нахлесточных соединениях с двумя лобовыми или с двумя фланговыми швами поперечная усадка одного шва не может свободно осуществлять - си из-за препятствия со стороны другого, соседнего шва.

Рассмотрим угловые деформации от действия поперечной усадки в нахлесточных соединениях. Возьмем случай, когда сво­бодная от закреплений пластина приваривается угловым швом к другой пластине, которая удерживается в плоскости своего пер­воначального положения. После выполнения шва (фиг. 83, а) свободная пластина под действием поперечной усадки при осты­вании шва повернется на угол р. Величина поперечной усадки Д наружных волокон наплавле-нного металла! на основании форму­лы (164) будет

Д = а ТсрЬ, (212)

гдеГСр—температура в момент перехода наплавленного метал­ла из пластического состояния в упругое, которую для стали можем считать 600° С; b — гипотенуза углового шва, равная 1,4 б.

Угол свободного поворота пластины под действием попереч­ной усадки наплавленного металла р можно определить по фор­муле (168)

p = ^ = 2a7V (213)

Для стальных пластин р = 2 • 12 • 10_6 • 600 = 0,0144 рад.

Относительное укорочение є наружных волокон наплавлен­ного металла при свободном повороте пластины под действием поперечной усадки шва в процессе его остывания будет равно

е = А = а Тср = 12 . 10-6 • 600° = 0,0072. (214)

Если бы абсолютно ограничить возможность поворота пласти­ны от действия поперечной усадки углового шва, т. е. полностью устранить угловую деформацию р и задержать сокращение воло­кон шва от поперечной усадки, то в металле шва возникнут поперечные напряжения растяжения, достигающие весьма высо­ких значений.

Если допустим, что металл может работать в более широких пределах упругих изменений, то поперечные напряжения растя­жения в угловом шве при указанных выше ограничениях об­разования поперечной усадки достигнут следующих значений

а = еЕ == 0,0072 ■ 2,1 • 106 = 15 1 20 кГ/см*. (215)

Поскольку свариваемые металлы обладают пластичностью, по­перечные напряжения растяжения при остывании шва будут возрастать только до предела текучести аг, Затем с дальдей - шим понижением температуры металл шва, находясь в упруго­пластическом состоянии, подвергается пластическому растяже­нию. Величина остаточных напряжений поперечного растяжения в угловых швах нахлесточного соединения после заварки второ­го шва достигает высоких значений и приближается к пределу текучести со­относительная величина пластического растяжения гПл в про­цессе остывания угловых швов нахлесточного соединения при

173

абсолютно жестких связях равнялась бы для стали с пределом текучести аг = 2500 кГ/см2 следующему значению

qt 2500

епл = е--£- = 0,0072- 2jnoi = С’006’ (216)

где є — относительная свободная поперечная усадка наружных волокон углового шва, определяемая по формуле (214).

В действительных условиях сварки поперечная усадка шва частично осуществляется вследствие податливости и более плот­ного сближения свариваемых деталей и упругих изменений ос­новного металла. Однако при обычных расстояниях между лобо­выми швами от 4 до 5 б и при приварке узкой полосы фланго­выми швами остаточные напряжения растяжения от поперечной усадки в угловых швах нахлесточного соединения могут дости­гать предела текучести от.

При увеличении ширины пластины в нахлесточном соединении фланговыми швами увеличивается расстояние между швами, и остаточные напряжения растяжения от поперечпой усадки пони­жаются.

Плоскостная напряженность нахлесточных соединений обыч­но превышает плоскостную напряженность соединений со стыко­выми швами, вследствие высоких значений остаточных напря­жений растяжения, порождаемых поперечной усадкой угловых швов. Кроме того, если учесть повышение концентрации напря­жений в угловых швах от внешней нагрузки, то становится по­нятной причина понижения работоспособности нахлесточных со­единений при переменной и ударной нагрузке по сравнению со стыковыми соединениями.

При малой толщине пластин нахлесточные соединения под действием поперечной усадки дают угловую деформацию и вы­пучивание нахлесточного перекрытия, как показано на фиг. 83, б. Для уменьшения выпучивания целесообразно глубоко проваривать вершину углового шва и хорошо проплавлять кром­ки пластин.