СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

Деформации и напряжения при многослойных швах

При выполнении многослойных швов развитие угловых де­формаций происходит значительно сложнее.

Как отмечалось выше, при однослойном ш*е угловые дефор­мации (уменьшение угла раскрытия шва) не зависят от толщины свариваемых листов. Поэтому, если бы при выполнении много­слойных швов каждый последующий слой расплавлял напла­вленный металл всех предыдущих слоев, то угловые деформации

151

оставались бы постоянными при любом числе слоев и равными угловым деформациям однослойного шва. В действительности, при наложении каждого последующего слоя происходит лишь частичное расплавление поверхности предыдущего слоя. Поэтому по мере увеличения числа слоев угловые деформации растут.

Если бы нижележащий слой при наложении следующего со­вершенно не нагревался, то развитие деформаций происходило бы следующим образом (рис. 134). В результате наложения пер­вого слоя произойдет уменьшение зазора шва вследствие со­кращения прямоугольной части слоя, которое не вызовет ни­каких угловых деформаций. Сокращение треугольных участков первого слоя приведет к угловым деформациям fij, приблизительно равным деформациям [s однослойного шва. При наложении вто­рого слоя сокращение прямо - р угольного участка, вследствие за - г крепления свариваемых листовтн п<

вороту листов на угол а сокращение треугольных участков второго слоя — к повороту на угол р2, который Судет меньше чем угол из-за закрепления листов первым слоем. Аналогич­ные деформации будут при наложении последующих слоев, так что при п слоях суммарный угол поворота составит:

где $ — углы поворота, вызванные треугольными участками ка­ждого слоя, а [З' — прямоугольными участками.

В действительности, при наложении каждого последующего слоя, вследствие нагрева нижележащих слоев, угол раскрытия шва будет увеличиваться, и тем будет уменьшать поворот на некоторую величину. С другой стороны, за счет некото­рого изгиба листа по толщине угол поворота от каждого слоя будет увеличиваться на величину (3'", так что полный поворот составит:

слоях сильный прогрев предыдущих слоев замедляет рост угло­вых деформаций. Последние слои, накладываемые на весьма жесткий шов, дают малое увеличение угловых деформаций. Это видно из графика на рис. 135, где приведены результаты экспериментальиых исследований Пухова Г. А. [33], выполнен* ных под руководством автора в лаборатории ЛПИ им. Калинина.

Из приведенной выше формулы следует, что угловые де­формации при многослойных швах будут даже в том случае,, когда угол раскрытия шва будет равен 0 (т. е. кромки стыку­емых листов вертикальны). В этом случае пропадает первый член, содержащий деформации от сокращения треугольных участ­ков шва, но сохранится второй член, учитывающий деформации, вызванные прямоугольными участками каждого последующего слоя.

Распределение по высоте шва поперечных напряжений, вы­званных неодновременностъю наложения отдельных слоев в шве

и в зонах основного металла, прилегающих ко шву, должно иметь такой же характер, как и установленный Фридлендером [31] для поперечных напряжений по. длине стыкового шва (рис. 122), что и было экспериментально подтверждено Эскильсоном [34].

При швах, составленных из отдельных валиков, угловые леформации будут больше, чем при выполнении шва слоями. Действительно, нетрудно видеть (рис. 136), что при выполнении /i-го слоя за один прием (при поперечных колебаниях электрода) величина наибольшей стягивающей силы остается постоянной Ртах = о независимо от ширины слоя в, но при более широком слое будут большие по величине пластические деформации. Влияние слоя на суммарную угловую деформацию будет одно и то же. В случае же, когда слой будет составлен из трех ва­ликов, каждый из которых наплавляется после полного остыва­ния предыдущих, к угловой деформации от третьего валика, которая будет равна деформации, полученной при выполнении сварки слоями, добавятся деформации от двух предыдущих валиков (рис. 136 б). Таким образом, при выполнении шва отдельными валиками общие угловые деформации будут больше, чем при выполнении шва слоями.

На рис. 137 приведены кривые изменения угла поворота S шва с начальным углом раскрытия 6 = 90* при выполнении его валиками (сплошная кривая) и слоями (пунктирная кривая).

Так как деформации от первого слоя не. зависят от его раз­мера, то общие угловые деформации шва будут тем меньше,

?

Є*і‘/ 12х щ У* 16 16x16.... размер валика

U 5 ? 7 .......... ... слср

10x16 12x12 ШЧ (6x16 размер шда

Рис. 137. Угловые деформации при выполнении шва слоями и валиками.

чем больше первый слой, так как с увеличением первого слоя уменьшается число слоев, а следовательно, и суммарная угловая

деформация.

На рис. 138 приведены кривые изменения суммарной угловой деформации при раз­личных размерах первого ва­лика, поданным Пухова Г. А. [33]. Как видно из рис. 138, для получения шва сечением 12X12 мм при первом ва­лике 3X3 мм и семи слоях угол поворота составил 327', при первом валике 4X4 мм и пяти слоях — 245', а при первом валике 8X8 мм и трех слоях — всего 216'.

С увеличением размера пер­вого валика конечные дефор­мации уменьшаются и в том случае, если число валиков остается одинаковым. Из того же рис. 138 видно, что конечная угловая деформация при данном числе валиков падает с увеличе­нием размера пэрвого слоя, и при том тем сильнее, чем больше число слоев; первые валики вызывают примерно одинаковые деформа­ции независимо от размера первого валика. Таким образом, с точки зрения уменьшения угловых деформаций, выгодно пер-

ш

вый слой накладывать более мощный, как потому, что при этом уменьшается число слоев, так и потому, что уменьшается влияние каждого последующего слоя из-за большей жесткости ранее наложенного шва (из-за больших его размеров).

Из приведенного выше выражения для суммарной угловой деформации шва видно, что угловая деформация будет тем меньше, чем больше будет вычитаемый член Е{Г, представляю­щий сумму отрицательных углов поворота вызванных прогревом ранее наложенных слоев. Действительно, если бы прогрев был настолько сильным, что расплавлялись бы ранее наложенные слои, то суммарная деформация равнялась бы деформации одно-

слойного шва; так как такого прогрева пет, то деформации будут расти, но тем медленее, чем сильнее будет прогрев или (что то же самое) чем меньше успеет остыть ранее наложен­ный слой к моменту наложения последующих.

Экспериментальные исследования Галея и Виллиса [35] под­тверждают указанное положение. По их данным оказывается, что конечные угловые деформации значительно уменьшаются, если наложение последующих слоев производится в то время, когда температура предыдущего слоя будет наиболее рысокой.. Так, например, при температуре нижележащего слоя 200° угло­вая деформация составляла в среднем 85', тогда как при тем­пературе нижележащего слоя 32° и при прочих равных усло­виях— 322'.

То же подтвердилось и на опытах Пухова [33]. На рис. 139 приведены замеренные им деформации при наложении трех слоев с перерывами для охлаждения каждого слоя и без перерывов Как видно из графика, охлаждение? промежуточных слоев при­вело к увеличению суммарных угловых деформаций.

Несмотря на то, что степень влияния отдельных слоев зави­сит от толщины ранее наложенного швз, его температуры и

других технологических факторов, все же МОЖНО ДЛЯ НебОЛЬ' шого числа слоев (до 10) при суммарных размерах катета шва до 20 мм принять линейную зависимость угловых деформаций от числа слоев. В среднем, как показывают опыты [33], [35], [36], деформации, вызываемые каждым последующим слоем, соста­вляют около 50°/о от деформаций, вызываемых первым слоем - Тогда угол поворота от многослойного шва составит:

(* = tgP —0,0176 [1+0.5(я— l)]tgy,

где п — число слоев или валиков. При этом угол 0 может рас­сматриваться как некоторый условный угол раскрытия шва, учи­тывающий и влияние основного металла.

При числе слоев более 10 коэфициент, учитывающий влия­ние отдельных слоев, вместо 0,5 следует принимать более низ­кий— 0,4 - г - 0,3.