СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

Влияние закреплений на угло­вые деформации и напряжения в однослойных стыковых швах

Величина угла поворота может быть значительно снижена, если в процессе сварки и остывания свариваемые листы будут закре­плены от поворота. Так, например, если свариваемые листы на рас­стоянии I от шва будут закреплены (рис. 129), то наружное волокно шва при остывании не сможет укоротиться на полную величину Д, а укоротится только на

такую величину Да, на какую удлинятся наружные волокна основ­ного металла. Не осуществившаяся часть укорочения

Дг = 0,5 Д —

будет представлять собою удлинение волокон наплавленного металла в результате наличия закреплений. Действительно, если бы листы были не закреплены, то сечение 01 по скошенной 146

g

кромке листа повернулось бы на угол ^ и заняло положение 02

(рис. 129). Однако вследствие наличия закрепления листов и невозможности их свободного поворота сечение 01 займет не­которое промежуточное положение 03, определяемое удлине­нием основного металла Aj и наплавленного металла Д2. Поло­жение 0,3 явится таким, при котором воздействия основного металла на шов и шва на основной металл равны, что будет иметь место при равенстве напряжений а в шве и в основном металле.

а/

Для определения угла поворота - у, на который повернется

сечение 01 при наличии закреплений, можно рассмотреть де­формации балки, находящейся под действием усилий, которые развиваются в результате остывания шва, и под действием опорных моментов и продольных сил (рис. 129, б).

Величина опорного момента найдется из условия равенства нулю угла поворота опорных сечений. Так как в результате воздействий на балку только усилий, создаваемых швом, опор­ные сечения повернутся на угол £/3, а под действием одних

опорных моментов М— на угол то суммарный поворот

опорных сечений составит:

_ ft Ml

2 EI •

Из условия равенства нулю угла? получаем:

М = А!- Е-

/ 2 241 •

Величина продольной силы Р может быть найдена из условия, что при повороте напряжения на нижней кромке балки равны нулю. Тогда для прямоугольного сечения балки

Р М. в А п М-6

1------- J2 = 0 И Р = IT '

6 0“ о

где о — толщина листа.

Напряжения в верхнем волокне балки под действием сил М и Р составят:

т Р, МЬ _ПМ_р 5 г

8 ' $2 S3 21 ?

или, подставляя вместо угла р его выражение через температуру Г, получим:

с = л (600—Г). -~£.

При этом удлинение наружного волокна основного металла (на половине пролета) выразится:

- I: (' ~г) - “ (600 -т>-4г--Цг ■

Соответственно угол поворота ($t приближенно может быть принят:

в = т‘=а <6°о-r>"w--rb ■

Обозначая — п получим:

Р] = а (600—7). ~ ■ Л— = Р • —1

1 4 ' 6 п г п

пли

?, = * (600- 7-) tg »=•.

где 6 — угол раскрытия шва.

Предел текучести будет достигнут, как это следует из при­веденного выше выражения для а при

Т = 600 п =600 — 100 п.

L'H

При дальнейшем остывании шва возрастания усилий происходить не будет, так как в шве появятся пластические деформации, которые будут увеличиваться по мере остыва­ния шва.

Для того чтобы в процессе всего остывания не появились пластические деформации в шве, необходимо, чтобы к моменту полного остывания (Г = 0) напряжения не превосходили os. Это может быть, если п >-6. При больших значениях я пластических деформаций в шве не будет, при меньших значениях они не­избежны.

Таким образом, в шве могут существовать и упругие и пла­стические деформации.

Упругие деформации в шве составляют

«(600-Т)~-

На рис. 130 приведено схематическое изображение измене­ний деформаций Дх и Дг в процессе остывания и показана область пластических деформаций в наплавленном металле. До темпера­туры Тх растут как деформации Д2, так и деформации Д]Л в сумме составляющие деформацию 0,5 Д. В момент достижения темпе­ратуры 7 напряжения с достигают предела текучести, после чего развитие деформаций Дд основного металла прекращается, так как усилие, оказываемое наплавленным металлом, достигает своего максимума и при дальнейшем увеличении разности 600е — Т остается постоянным. При этом рост деформаций шва Д приводит к появлению в нем пластических деформаций.

Развитие упругих деформаций Д1 для различного расположе­ния закреплений по отношению к линии шва (различные значе­ния п) показано на рис. 131.

Если после остывания снять закрепления, то один из листов повернется по отношению к другому на величину:

р' = tgЗ' = .^1+^2 ва^600_ 7^ ь = 2 а(600__r)g. tg Є

или

р' = 5? ^

при этом величина угла $ не может быть больше угла [s = .

а потому, если по приведенной выше формуле р1 получается больше % это означает, что напряжения в шве меньше <^и [^=р.

Таким образом, для уменьшения конечных деформаций [s' не­обходимо, чтобы удлинение Aj было наименьшим, что возможно при заданном угле 6 раскрытия шва лишь путем уменьшения

величины п, т. е. расстояния линии закрепления от оси шва.

J

Рис. 130. Схема развития деформа - Рис. 131. Развитие деформаций и на­ций в основном и в наплавленном пряжений в шве и в основном металле

металле в процессе остывания шва. в зависимости от расстояния между

закреплениями.

Применение закреплений, расположенных на большом рас­стоянии от шва, почти не оказывает влияния на конечные деформации.

Деформации в районе стыкового шва, в случае расположе­ния шва на весу, при достаточно большом расстоянии закрепле­ний от оси шва (когда имеют место малые продольные усилий) могут быть приближенно определены, если на деформации по­ворота при отсутствии закреплений наложить деформации, вы­званные опорными моментами, заменяющими влияние заделки (рис. 132).

При отсутствии заделки и достаточно большом пролете 21 (я>10) прогиб в расстоянии л; от опоры можно приближенно считать равным (рис. 132, а):

/o = *-tg

Прогиб от действия опорных моментов в сечении на рас­стоянии х от опоры.

/м = -^г (2/ —A') = ^(l—Ь

Действительный прогиб от совместного действия угловых деформаций шва и опорных моментов составит:

f=U — /о= X (1 - 4) Г - *‘в - f=— 2, • т

f = - |- Mg = —0,0044 а* г tg 4.

Прогиб под швом при этом будет (а=1):

/ю, х = -0,0044-Mg

Таким образом, прогиб под швом будет тем больше, чем больше расстояние I до закрепления и чем больше угол раскрытия шва 0. Линия прогибов на длине между закреплениями приве­дена на рис. 132, д.

Если прогиб под швом невозможен, то будут выпучины вдоль

шва. Размер их нетрудно определить, если в приведенной выше

схеме принять равным нулю не только угол поворота опорных сечений, но и прогиб по середине пролета (в результате дей­ствия силы Р). Тогда в соответствии с рис. 133 угол поворота опорных сечений от действия момента М, силы Р и угловой деформации шва составит:

М-1 . РР . р п пч

w+tet-'s-t = 0- (1>

Прогиб под швом:

ш~ . я/3 /* Р П /ОЧ

2EI + Ш 1 2 —

Совместное решение этих уравнений дает:

Р= ~ Eltg и М £/tg -|-:

При этом выражение для прогибов в любом сечении на рас­стоянии х от заделки будет иметь вид:

/=(4ЧМ-

или, принимая x = al:

/ = (а2 — а8) / • tg = 0,0088 (а'2 — а3) I • tg А-

Линия прогибов для рассматриваемого случая приведена на рис. 133, е.

т