СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ОСНОВЫ ПРИБЛИЖЕННОЙ ТЕОРИИ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

ОСНОВНЫЕ ДОПУЩЕНИЯ И ГИПОТЕЗЫ

Предлагаемая приближенная теория сварочных деформаций и напряжений для металлов рассматриваемого класса базируется на следующих допущениях и гипотезах.

1. Рассматривается металл, который резко теряет свою способ­ность сопротивляться пластическим деформациям в определенном для него достаточно узком интервале температур. Для простоты принимается, что он теряет способность сопротивляться пласти­ческим деформациям при определенной средней в этом интервале температуре Тк.

2. При сварке имеет место мощный сосредоточенный нагрев подвижным источником весьма ограниченной зоны изделия до тем­ператур Т 3; Тк. В каждом конкретном случае огибающая под­вижной изотермической поверхности Тк предельного состояния нагрева может быть найдена опытом или же методом, разработан­ным академиком Н. Н. Рыкалиным (гл. 2).

3. При установившемся режиме ручной и автоматической сварки ширина зоны термического влияния как линейного шва, так и любого из пересекающихся швов, а также механические характеристики металла этой зоны вдоль линий, параллельных оси шва, по длине шва остаются постоянными.

4. Структурные изменения основного металла, изменения его механических свойств, а также деформации (напряжения), возни­кающие в результате мощного сосредоточенного нагрева элемента достаточной жесткости, свободного от макронапряжений, и его последующего остывания, определяются разностью Тк — Т0.

5. Если подвергнуть мощному сосредоточенно-равномер­ному по толщине нагреву неподвижным источником ограниченную внутреннюю часть достаточно большого плоского листа, имеющего начальную равномерную температуру Т0, так, чтобы температура в этой ограниченной области удовлетворяла условию Т ^ Тк, то к моменту выравнивания температуры до Тк внутри изотермы Тк при остывании (после удаления источника) часть листа, содер­жащаяся внутри изотермы Тк, получит пластическую деформацию сжатия, главное значение которой определяется величиной а (Тк — 70), где а — среднее значение коэффициента линейного расширения в интервале 7„ ^ Т ^ Тк. Из-за стесненности темпера­турных деформаций во время последующего остывания величина а (Тк — Т0) в основном определяет деформации и напряжения листа после его полного остывания. Это положение мы называем основной гипотезой. Она определяет величину активной части пластической деформации зоны интенсивного нагрева в первом приближении[5].

Для нахождения соответствующих значений деформаций (на­пряжений) изделия после его остывания могут быть использованы следующие два метода.

Первый метод. В момент выравнивания температуры до Тк внутри поверхности Тк при остывании изделие принимается сплошным и свободным от напряжений. Последние в основном возникают в результате остывания от Тк до Т0 его части, содержа­щейся внутри поверхности Тк и получившей при нагреве актив­ную пластическую деформацию сжатия а (Тк — Г0). Поэтому задачу определения сварочных деформаций (напряжений) в первом приближении можно свести к некоторому классу температурных задач деформируемого тела, где закон распределения темпера­туры охлаждения ограниченной зоны изделия определяется зако­ном распределения активных пластических деформаций нагрева той же зоны при сварке. При нагреве центра листа задача опреде­ления этих деформаций (напряжений) сводится к определению деформаций (напряжений ) того же листа, возникающих при его охлаждении в соответствии с законом;

т = - г=~(тк-т0);

a sg г оо; 7 = 0,

где а — радиус изотермы Тк.

Второй метод. К моменту выравнивания температуры до Тк внутри поверхности Тк при остывании часть изделия, ограничен­ная этой поверхностью, получает активную пластическую дефор­мацию сжатия а (Тк — Т0) в тех направлениях, в которых при нагреве стеснено температурное расширение. Если в этот момент указанную часть отделить от изделия, то к моменту остывания до начальной температуры 70 она получит относительное уменьшение своих размеров на величину а (Тк — 70) в направлениях, в ко­торых было стеснено температурное расширение при нагреве, а остальная часть изделия принимается свободной от напряжений и имеющей равномерную температуру 70. В соответствии с этим в общем случае задача определения приближенных значений сва­рочных деформаций и напряжений, возникающих в результате наложения валика на поверхность тела, имеющего равномерную

температуру Т0, вдоль некоторой линии L, сводится к определению деформаций и напряжений тела, получающегося в результате сшивания двух тел с равномерной температурой Т0. Одно из этих тел получается из исходного путем последовательного удаления от него всех элементов, оказавшихся внутри изотермической по­верхности Тк предельного состояния нагрева при перемещении источника по линии L из начального положения А в конечное положение В, а другое из них образовано элементами, оказав­шимися внутри поверхности Тк предельного состояния нагрева и получивших к моменту выравнивания в них температуры до Тк при остывании пластическую деформацию сжатия а (Тк— Т0) в тех направлениях, в которых температурные деформации на­грева были несвободны. Если S — поверхность сшивания, v — нормаль к этой поверхности в некоторой ее точке с радиусом-век­тором р, К(1), Е(2) — векторы смещения соответствующих точек поверхностей тел 1 и 2 при сшивании, а и (3 — криволинейные координатные оси на той же поверхности, образующие вместе с направлением v ортогональную систему координат, то условиями сшивания указанных двух тел будут:

а(1) — о(2)-

Tpv — Tpv,

Vw-Vl2) = kpa(TK-T0),

где k = 1 для тех из направлений а, р, v, в которых при сварке были стеснены температурные деформации; k = 0, если в данном направлении эти деформации не были стеснены.

Аналогично может быть сформулирована задача определения приближенных значений сварочных деформаций и напряжений в случае многосвязного тела. В случае нагрева в центре листа эти деформации и напряжения могут быть найдены путем сшивания листа с круговым отверстием радиуса а с круговым диском радиуса йа = а [1 — а (Тк — Т0)].

Эта основная гипотеза справедлива во всех случаях, когда размеры изотермы Тк предельного состояния нагрева малы по сравнению с теми размерами свариваемых элементов, которые обеспечивают их жесткость, стесняя температурное расширение зоны интенсивного нагрева. Применимость предлагаемой теории ограничена этим классом задач. Но указанное ограничение, если иметь в виду, что при сварке имеет место нагрев до Т ^ Тк весьма ограниченной зоны изделия, не суживает практическую примени­мость этой теории. Действительно, при используемых на практике режимах сварки полуширина изотермы Тк не превосходит 3—4 см (см. стр. 79—83 в работе [1031), а при больших скоростях сварки (при автоматической сварке) она и того меньше, в то время как
длина изотермы Тк, при условии наличия жесткого металла спе­реди и сзади, не может оказать влияния на сварочные деформации и напряжения.

Положение 1 является схематизацией общеизвестного опытного факта, а также используется и другими авторами [76, 83]. Такого рода схематизация нередко применяется в механике деформируе­мого тела (например, схемы упруго или жестко-идеально пласти­ческих тел) и себя оправдывает. Для рассматриваемой в настоящей работе стали типа СХЛ зависимости ст8, б, ф от температуры Т, полученные на основе проведенных нами опытов, даны на рис. 20. Положение 2 базируется на работах Н. Н. Рыка - лина, подтвержденных опытами в работе [103].

Положения 3, 4 базиру­ются на изложенных в п. 23—25, 27, 28 данной работы автора. Правомер­ность положения 5 (осно­вной гипотезы) доказы­вается ниже в п. 30 путем сравнения теоретических результатов, полученных на базе основной гипо­тезы, с результатами опы­тов по сосредоточенному нагреву средней части полосы с заделанными концами и внутренней части большого плоского листа. Основная гипотеза в определенном смысле развивает идеи работы [93], где введены функция упругой усадки х и полуширина зоны усадки X, знание которых позволяет авторам [93] найти упругое решение соответ­ствующей задачи.

В каждом конкретном случае и и % находятся путем измере­ний соответствующих размеров деталей до сварки и после сварки и вырезки.

Как указано выше (и. 29), эта гипотеза утверждает, что главное значение активной части пластических деформаций при сосредо­точенном равномерном по толщине нагреве ограниченной внутрен­ней части большого плоского листа определяется величиной а (Тк — Т0) в тех направлениях, в которых температурное расши­рение при нагреве было не свободно. При сосредоточенном равно­мерном по ширине и толщине нагреве средней части длины полосы с жестко заделанными концами температурное расширение будет стеснено главным образом в направлении оси полосы. Деформа­ции и напряжения, возникающие в направлении оси полосы после такого нагрева и остывания, можно рассматривать или как попе­речные для короткой пластины с заделанными продольными кра­ями, или как продольные для полосы с заделанными концами. Пр и
сосредоточенном равномерном по толщине нагреве неподвижным источником ограниченной внутренней части большого плоского листа температурное расширение будет стеснено в радиальных направлениях. В результате такого нагрева и остывания возни­кает плоское поле остаточных напряжений. Из этой гипотезы сле­дует, что при подвижном источнике все элементы в момент их выхода из подвижной изотермической поверхности Тк будут иметь активную пластическую деформацию сжатия а (Тк — Т0) в тех направлениях, в которых температурное расширение при нагреве было не свободно.

В дальнейшем (гл. 8) основная гипотеза и предложенные спо­собы приближенного учета пластических деформаций зон, где в предельном состоянии нагрева Т -< Тк (п. 31), используется для теоретического определения остаточных сварочных деформа­ций и напряжений в сварных соединениях. Для ряда задач дается опытная проверка расчетных значений остаточных сварочных де­формаций и напряжений, которая показывает, что приближенная теория дает удовлетворительные количественные результаты.