ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ОБРАЗОВАНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

Под кинетикой продольных сварочных деформаций и напряжений понимают процесс их образования и развития в течение всего периода нагрева и охлаждения изделия.

Рассмотрим образование продольных сварочных деформаций и на­пряжений нри сварке простейшей балочной конструкции (балки-полос­ки) с центральным продольным швом (сварка встык двух узких плас­тин). Допустим, что материал пластин - малоуглеродистая сталь и что неравномерностью нагрева пластин по толщине можно пренебречь. Выделим двумя близкими сечениями аа и ЪЪ, перпендикулярными к оси шва, участок балки-полоски dx п отнесем его к единице длины, т. е. этот участок будет представлять полоску в направлении у* единичной ширины (рис. 16.1, а). Разделим ее продольными сечениями на ряд эле­ментов, каждый из которых будет представлять собою элементарную призму с сечением sdy н длиной, равной единице (рис. 16.1, б). Посколь­ку объем призмы бесконечно мал, можно считать, что в процессе нагре­ва н охлаждения балки температура каждой призмы одинакова по объе­му и изменяется во времени, как температура ее центра тяжести, т. е. по ТЦ точки, совпадающей с центром тяжести призмы.

При обычной жесткости свариваемых элементов относительные дей­ствительные деформации вдоль оси х обусловливающие фактическое изменение длины призм, значительно меньше относительных темпера­турных деформаций. Поэтому в первом приближении действительны­ми продольными деформациями є можно пренебречь и полагать, что длина призм в процессе сварочного нагрева и охлаждения не изменяет­ся, т. е. они находятся в условиях жесткого закрепления (є( = 0).

На рис. 16.1, в изображены кривые ТЦ для ряда точек, расположен­ных на разных расстояниях от оси шва. Очевидно, что путем изменения масштаба кривые ТЦ призм можно рассматривать как кривые их сво­бодных температурных деформаций, в частности, в продольном направ­лении г[ - аТ(і), т. е. длина призм, если бы они были свободны, изме­нялась бы при нагреве согласно этим кривым. Но сделанное выше допущение о неизменяемости длины призм в процессе сварочного на­грева и охлаждения предполагает:

• если отдельная і ірнзма нагревается, то она хочет увеличить свою длину, но так как это запрещено, в ней появляются упругие де­формации сжатия и соответствующие сжимающие напряжения:

из

• если же нршма охлаждается, то она хочет уменьшить свою дли­ну, но гак как. это тоже запрещено, в неіі появляются упругие де­формации растяжения и соответствующие растягивающие напря­жения. В случае, если призма была предварительно нагружена, нанрнмер при нагреве сжимающими напряжениями, то при пос­ледующем охлаждении нагружению будет предшествовать упру­гая тепловая разгрузка.

Следует также отметить, что если в рассматриваемых призмах в про­цессе теплового нагружения получат свое развитие не только ун'ругие, но и пластические деформации (неизбежность их развития показана в примере подразд. 14.2), то для оценки конечного (остаточного) состоя­ния при сварочном нагреве и охлаждении следует проследить всю ис­торию теплового нагружения конкретных призм.

Проследим за развитием деформаций и напряжений в отдельных призмах в зависимости от их ТЦ (кривых свободных температурных деформаций) на совмещенных графиках (рис. 16.2): слева график є,-р иллюстрирующий термодеформационный процесс во времени, спра­ва - диаграмма растяжения-сжатия о-є, совмещенная но масштабу от­носительных деформации с левым графиком. На левом графике для последующих рассуждений фиксируется зеркальное отражение отно­сительно оси О-f кривой свободных температурных деформаций кон­кретных призм є(.

Начнем с призмы 1, расположенной в зоне, где а Г < є_ (см. рис. 16.1, в, г). Изменение ее свободных температурных деформаций (только с другим знаком) характеризуется кривой 0а. Ь, (рис. 16,2, а). С повышением температуры в призме возникают упругие деформа­ции сжатия, равные по величине, но с другим знаком, свободным тем­пературным деформациям г[. (?) = - а7фцл). В момент максимального нагрева tm упругие деформации сжатия достигают наибольшего зна­чения (точка at), соответствующие сжимающие напряжения на диаг­рамме а-є (точка А ). Последующее охлаждение обусловит упругую тепловую разгрузку, т, е. уменьшение величины упругих деформаций сжатия и соответствующих сжимающих напряжений, После полного охлаждения произойдет полная упругая разгрузка (точки Ь, и В, соот­ветственно). Таким образом, процесс теплового нагружения рассмат­риваемой призмы сопровождается развитием только временных уп­ругих деформации сжатия - кривая 0nb, (эпюра изменения упругих деформаций заштрихована), на совмещенной диаграмме о-є измене­ние временных сжимающих напряжений происходит по ломаной пря­мой 0,4, В.,

а - « призме U расположенной в іоно, іде а7'тл < сч- 6 - » призмо 2. расположенной и юпс. где єч < сх7' < 2еч, н - в призме 3. расположенной в зоне, іде 2&ч< сх/' < а7"*:

/ - п призме І. рас по южешюй » юне. t де с17" > а7ч

Анализируя полученный результат, можно утверждать, что во всех периферийных призмах, у которых а Г < є, конечное (остаточное) со­стояние призм ничем не отличается от исходного, т. е. = 0.

Перейдем к призме 2. расположенной в зоне, гдеєч < аТ <2є (см. рис. 16.1, в, г). Изменение ее свободных температурных деформаций (с другим знаком) характеризуется кривой 0a. b,d (рис. 16.2, б). Ана­логично, как п для призмы 1. с повышением температуры в рассмат­риваемой призме возникнут упругие деформации сжатия и соответ­ствующие сжимающие напряжения, но в какой-то момент нагрева а значения их достигнут предельных величин (-є> - точка а] и - а - точка Л, соответственно). Дальнейший нагрев призмы вызовет появление и развитие пластических деформаций сжатия по кривой atb2 (на диаграмме о-є на участке А, В.,), величины же соответствен­но упругих деформаций сжатия и сжимающих напряжений остаются неизменными. В момент максимального нагрева пластические де­формации сжатия достигают наибольшей величины и характеризу­ются соответственно равными отрезками Ь. Ь2 и А В . Поскольку пла­стические деформации необратимы, то при последующем охлажде­нии их величина остается неизменной, изменение же упругих деформаций н напряжений сопровождается вначале упругой тепло­вой разгрузкой (соответственно точки г и С.). а затем - упругой теп­ловой загрузкой при охлаждении, т. е. появлением и развитием уп­ругих деформаций растяжения и соответствующих растягивающих напряжений. Упругая разгрузка и последующая загрузка характери­зуются кривой b^.d., эквидестантной кривой температурных дефор­маций b 4. Момент полного охлаждения характеризуется точками d и D соответственно, где величина остаточной упругой деформации соответствует отрезку dd,, по величине равному отрезку & 6,, кото­рый в свою очередь характеризует величину максимальных пласти­ческих деформаций сжатия.

Таким образом, процесс теплового нагружения призмы 2 сопровож­дается развитием необратимых объемных изменений, обусловленных упругопластическим деформированием металла призмы в продольном направлении (эпюра изменения упругих деформации заштрихована). Эти объемные изменения и определяют появление остаточных растя­гивающих напряжений, величина которых для рассматриваемой при­змы пропорциональна величине максимальных продольных пластичес­ких деформаций сжатия к(.ж [17] со знаком минус:

Анализируя полученный результат, можно утверждать, что во всех призмах, у которых є < 2Г < 2є, конечное (остаточное) состояние отлично от исходного. Развитие необратимых объемных изменений, обусловленных пластическими деформациями одного знака (сжатия) в продольном направлении, определяет появление растягивающих на­пряжений: от а = О для призмы, у которой аТ = є, до су ih а, для призмы, у которой аГ =2є_.

Процесс упругопластического деформирования призмы 3, располо­женной еще ближе к оси шва (в зоне, где 2є < а 7' v < а Г* (см. рис. 16.1, в, г)), нри нагреве по ее ТЦ до момента времени d (точка d{) не отлича­ется от рассмотренного выше (рис. 16,2, в). В этот момент упругие де­формации растяжения и соответствующие растягивающие напряжения достигают предельных значений соответственно и су (точки d и D,). Дальнейшее охлаждение приводит к повторному пластическому дефор­мированию с образованием и развитием пластических деформаций ра­стяжения є, наибольшая величина которых характеризуется отрезком е. ер равным отрезку D Е на диаграмме о-є.

После полного охлаждения величина остаточных продольных на­пряжений в рассматриваемой призме будет пропорциональна суммар­ной пластической деформации:

ст..и, =fE»«Ki = =-(є{Л+є''р) = - Хє(,=єч. (16.2)

Анализируя полученный результат, можно утверждать, что во всех призмах, у которых 2ss < ot Г < а Г*, конечное (остаточное) состояние отлично от исходного. Развитие необратимых объемных изменений, обусловленных пластическими деформациями разных знаков в про­дольном направлении, причем значение суммарной пластической де­формации для любой призмы из этой зоны одинаково и равно - єч, опре­деляет появление одинаковых остаточных растягивающих напряжений: о =а.

<К і •>

Процесс развития упругопластпческих деформаций в призме 4, расположенной в непосредственной близости к оси шва (зоне, где а Т > а Г*, рис. 16.2, г), характерен тем, что с момента времени (точ­ка Ь) металл призмы нагрет выше температуры Т* и находится в разупрочненном состоянии. Этот период (до времени с ) сопровож­дается только развитием разных по знаку, но одинаковых но вели-

чике пласіпческих деформаций. При охлаждении ниже температу­ры Т* (время г ) металл призмы вновь обретает упругие евоііства и происходи! іенловое наїружепие ирп. тмы при охлаждении. Конеч­ное состояние во всех призмах, у которых а Т > а Т*. аналогично со - еюянпю призм и. і предыдущей доны: о уо, і Обобщая полученные результаты но конечному состоянию is отдель­

ных призмах, следует отметить, что, если призма испытывает растяги­вающие напряжения, то она стремится укоротиться, Ото общее стрем­ление всех призм, в которых произошли необратимые объемные изменения, укоротиться обусловливает появление сжимающей силы Л'; (подразд. 15.2):

; • по величине, равной. V;' = ЕАг, где Лгу = [к(V/б - объем остаточ­

ных продольных пластических деформаций или просто объем продольного укорочения сварного соединения балки единичной длины (ь-f - отрицательны);

• н приложенной в центре тяжести объема Лг.

Определение объема продольного укорочения сварного соединения

! Обобщая проведенный выше анализ по тепловому нагружению всех

призм, получаем эпюру, характеризующую распределение остаточных пластических деформаций по ширине сварного соединения j (рис. 16,3, а). И этом случае обьем продольного укорочения балки едп-

j ипчной длины или, другими словами, приходящийся на единицу дли-

1 ны шва, ассоциируется с объемом (рис. 16.3. б), имеющим размерность

квадратный сантиметр, так как є - безразмерная величина. Опреде­лим величину этого отрицательного объемного изменения

і ^й

Лг, = JV(V/F = .v }e(V/(/ = .v5''. (ШЗ)

і Г _ Й

Интеграл в этом выражении представляет собой площадь получен­ной заштрихованной эпюры. Обозначая ее S' и учитывая, что она дол­жна быть взята со знаком минус, так как t:f отрицательны, имеем

п - распределение осоночныч продольных пластических деформации (:шюра uimrpttXDiuiia); б - ил. nociрация и. імснсііпн объема балки единичной длины. обусдоиленшн о необра имыми нлае і ическими деформациями и продольном направления

S1' = - j 2 yd г.

где if - абсциссы точек кривой a7’iv4.

Воспользуемся решением (13.11) для определения максимальных температур (подвижный линейный источник в пластине):

нч

Заметив, что — = г/„ и во взятом решении не учтен теплообмен с ок- г

ружающей средой, получим выражение для максимальных температур­ных деформаций

(16.5)

Из этого выражения

(16.6)

Подставив значение 2у в выражение (16.4). получим

(16.7)

Таким образом, с учетом выражении (16,7) и (16.3) объем продоль­ного укорочения сварного соединения

(16.8)

где =-0,335 - коэффициент продольного укорочения сварного со­единения.

Формула (16.8) является одной из важнейших в теории сварочных деформаций и напряжений. Она устанавливает связь между остаточ­ным изменением объема вдоль оси шва с параметрами режима сварки, теплофизическимп и механическими свойствами металла. Следует при этом отметить:

• тепловое воздействие дуги определяется только погонной энер­гией сварки;

ш

• влияние тенлофизических свойств металла определяется только

одной обобщенной характеристикой —:

Ф

• влияние механических свойств определяется значением коэффи­циента продольного укорочения р =-0,335. Это значение спра­ведливо для материалов, которые можно считать идеальными уп­ругопластическими металлами, т. е. действительную диаграмму растяжения-сжатия которых можно идеализировать диаграммой Гірандтля. Для металлов, у которых подобная идеализация ме­ханических свойств неприемлема, значение ц отлично от -0,335;

• полученная формула дает достаточную для практических целей точность, однако, в некоторых случаях, указанных ниже, возмож­но ее уточнение.

Влияние теплоотдачи на объем продольного укорочения

сварного соединения

При сварке конструкций из элементов малых толщин влияние теп­лоотдачи может оказаться существенным. Но литературным данным, теплоотдача при сварке элементов малых и средних толщин уменьшает объем продольного укорочения на 10...20%, поэтому в формулу (16.8) рекомендуется вводить поправочный коэффициент Кг учитывающий влияние теплоотдачи, и в практических расчетах принимать Кг = 0,85.

Влияние начального напряженного состояния на объем

продольного укорочения сварного соединения

В ряде случаев свариваемые элементы испытывают напряжения еще до начала сварки. Начальное напряженное состояние, которое может быть вызвано внешним нагружением или предшествующими техноло­гическими операциями (в том числе и выполнением предшествующих сварных швов), оказывает существенное влияние на процесс образова­ния деформаций и напряжений и, следовательно, на величину объема продольного укорочения. Рассмотрим это влияние несколько подроб­нее с целью возможного получения эффективного способа уменьшения ожидаемых сварочных деформаций и напряжений.

Так же, как и в начале настоящего подраздела, рассмотрим про­стейшую балочную конструкцию (балку-полоску) с центральным продольным швом (см. рис. 16.1), который производится после пред­варительного растяжения балки-полоски в продольном направлении. Предположим, что начальные растягивающие напряжения су состав­ляют часть от су, т. е. су = Р<у(єн = Ре). Как и ранее, выделим в балке участок единичной длины и разобьем его на элементарные призмы.

1 Іроследи. м за развитием упругой, іастпческих деформаціїіі в отдель­ных призмах па упрошенной диаграмме (рис. 1 (і. 1, а). І Ісхолное состоя­ние всех призм характеризуется точкой 0 на диаграмме о-е. Соотве т­ственно, на величину начальных деформации должна быть смещена вправо ось температурных деформации графика ушч. Нагрев призм при­водит сначала к снятию растягивающих напряжении и лишь затем -- к появлению напряжении сжатия.

На примере призмы 1 видно, что призмы, у которых аТ ч < є + - є t, процесс нагрева и охлаждения сопровождается изменением толь­ко упругих деформаций, конечное состояние - возврат в точку 0Г Для призмы 2 максимальные температурные деформации характе­ризуются отрезком ab, цикл изменения напряжении - ломаная линия

m

О /1/1 Следовательно, пластические деформации в ири. шс соответ­ствую! отрезку.1/1,, равному отрезку he.

Аналогично для призмы 3. максимальные температурные деформа­ции которой характеризуются отрезком de, никл изменения напряже­ний 0 /1/1 ВВ. При атом призма претерпевает при нагреве пластичес­кие деформации сжатия,1Л, а нри охлаждении - пластические деформации растяжения В, В. Остаточные пли суммарные пластичес­кие деформации в призме характеризуются отрезком ВІГ. равным от­резку /с/.

Охватывая все призмы, получим эпюру распределения но ширине балки-полоски остаточных пластических деформаций (заштрихован­ная площадь). Площадь этой эпюры Уф характеризует величину объе­ма продольного укорочения с учетом начального напряженного состо­яния. Определяем ее по формуле (16.7), заменив соответственно пределы интегрирования:

Рекомендуется вводить и формулу (16.6) поправочный коэффици­ент К, учитывающий влияние начального напряженного состояния:

lnl + pt ln(l + p)

In 2 ln2

где

Г.

Зависимость коэффициента К от р приведена на рис, 16.4, 6, из ко-

торого видно, что растягивающие начальные напряжения приводят к уменьшению, а сжимающие - к увеличению объема продольного уко­рочения сварного соединения.

В практических расчетах можно рекомендовать оценку Ks по прн - б л и жеш і ы м за в и с и м о с тя м:

£

• растяжение: (3 = — >(): Аф=1-(1;

(16.11)

• сжатие:

Замечание: обычно в основную формулу (16.8) вводят еще один по­правочный коэффициент К, учитывающий влияние толщины сварива­емых элементов. При увеличении толщины свариваемых элементов меняется мерность распространения теплоты, приводящая к изменению области, в которой происходят необратимые объемные изменения. При наплавке валика на полубесконечное тело (s -> х ) значимый коэффи­циент в формуле (16.8) уменьшается до значения -0,255. В практичес­ких расчетах при сварке элементов малых и средних толщин, в основ­ном и применяемых в судовых конструкциях, рекомендуется брать значения Ks = 1.

При одновременном учете влияния теплоотдачи, начального напря­женного состояния и толщины свариваемых элементов формула для определения объема продольного укорочения сварного соединения при­обретает вид

Дг( = -0,335*^ КА/,,. (16.12)

Коэффициент продольного укорочения сварного соединения, таким образом, принимает вид

М, =-0,335КТК„К,. (16.13)

Раздельный учет факторов, оказывающих влияние на вел ичину объе­ма продольного укорочения сварного соединения, существенно упро­щает задачу его определения.