СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ПРОДОЛЬНЫЕ И КОЛЬЦЕВЫЕ ОДНОПРОХОДНЫЕ ШВЫ В ОБОЛОЧКАХ

Образование и распределение напряжений в продольных швах цилиндрических обечаек при сварке с закреплением в приспособ­лении ничем принципиально не отличается от сварки двух листов встык. Вследствие гибкости оболочки поперечная усадка происхо­дит беспрепятственно. Остаточные напряжения практически од­ноосные.

После освобождения из приспособлений обечайка деформи­руется, как если бы на нее действовала некоторая сила Рус, рав­ная усадочной силе (рис. 105). Короткие обечайки (см. рис. 105) получают местный прогиб f, который в некоторых случаях изме­ряется десятками миллиметров. При этом в сечении А—А

<$£)ксм<> а у краев D 2 £> £>«ол. Так как периметр остается неизмен­ным, то в перпендикулярных направлениях размеры также из­меняются. У длинных обечаек возникает некоторое искривление оси (особенно у труб) (рис. 105, б), а также некоторая овальность на краях (рис. 105, а). В результате появляются дополнительные напряжения изгиба, которые можно определить, измерив иска­жение начальных размеров.

Если сварка кольцевого шва производится на жестком вну­треннем подкладном кольце, а края свариваемых обечаек не могут подниматься и отрываться от кольца вследствие их нагрева и рас­ширения, то после сварки и остывания остаточные напряжения at являются одноосными и практически мало меняются по окруж­

ности. Растягивающие напряжения в этот момент уравновеши­ваются в основном за счет реакции q со стороны внутреннего жесткого кольца (рис. 106, а). Эпюра q повторяет в некотором масштабе эпюру а(:

После съема кольца реакции q по всей окружности снимаются и вызывают прогиб оболочки (рис. 106, б). Для упрощения расче­тов криволинейную эпюру q можно заменить прямолинейной по ширине расчетной зоны пластических деформаций 2Ьпр (рис. 106, в). При этом можно вычислить прогибы и дополнительные напряже­ния от изгиба и окружного сокращения. Для точек А на уча­стке 2 Ьпр

wa = '' e~kCcos kc — e~Mcos kd)■ (173)

Для точки В

Wb = Ш fe~k {l/~bnp)cos k (У — Ьпр) —

_ e-k (y+bnp) cos k(y + bnp)t

Аналогично можно подсчитать прогибы от кольцевого шва в сферической, тороидальной и конической оболочках, используя соответствующие уравнения из теории оболочек. Теоретические величины и характер распределения перемещений w после сварки кольцевого шва подтверждаются экспериментально. На рис. 106, г показана экспериментальная кривая перемещений цилиндриче­ской оболочки 2а = 145 см б = 1,5 мм из нержавеющей стали

SHAPE * MERGEFORMAT

ит

•с—Ь-

пр"

в

•«ицщ

0)

а — реакция q со стороны кольца и напряжения (Т( в окружном направлении оболочки? б — фиктивные силы q, вызывающие радиальный прогиб оболочки w; в — расчетная, нагрузка q и расчетные напряжения о^; г — экспериментально определенный прогиб оболочки от кольцевого шва

ЭИ654 после аргоно-дуговой однопроходной сварки обечаек встык на подкладном кольце. Сокращение периметра в зоне шва состав­ляет около 9 мм и стабильно при постоянстве режима сварки:

Колебания относительно среднего значения составляют 10 — 12%.

Прогибы оболочек, возникающие после снятия жесткого кольца, вызывают перераспределение остаточных напряжений. Во-первых, возникают значительные напряжения изгиба поперек шва: внутри оболочки они растягивающие, снаружи — сжимающие (рис. 107, а). Во-вторых, за счет корсетного сокращения растягивающие напря­жения в шве уменьшаются (см. рис. 106, в). У металлов с большим запасом температурной деформации, у которых оа

умень-

JS

шение напряжений в шве после снятия жесткого распорного кольца можно подсчитать по формуле

Да = — Е = — ат (1 — в~кьпр cos kbnp). (176)

Полное остаточное напряжение в шве определится как разность напряжений оГ и Да:

аост ~°Т — Д° — tf3-e_*6np cos kbnp. (177)

При kbnp t> ~y напряжения в шве могут оказаться сжима­ющими, в то время как остальная часть зоны пластических дефор­маций растянута. У металлов с малым запасом температурной деформации, например у титановых сплавов, растягивающие на­пряжения в кольцевом шве снижаются даже при сварке и осты­вании шва на весу (рис. 107, б). В пластинах - из титанового сплава ОТ4 продольные остаточные напряжения составляют 30—40 кГ/см2 148
(300—400 Мн/м2), в кольцевых швах они могут быть равны 5— Ю кГ/мм2 (50—100 Мн/м2) и ниже.

Сокращение оболочек от кольцевых швов возникает также после приварки кольцевых элементов жесткости дуговой или кон­тактной сваркой. Однако не во всех случаях сварка кольцевых швов сопровождается сокращением шва. При сварке кольцевых цівов на алюминиевых сплавах диаметр в зоне шва может уве­личиться. Это объясняется тем, что металл вследствие нагрева расширяется и перемещается в радиальном направлении. У метал­лов с малой теплопроводностью тепло в основном сосредоточено в зоне высоких температур, где от мало и эти перемещения не столь

значительны. В алюминиевых сплавах тепло распространяется на значительное расстояние впереди и в стороны, вызывая подо­грев участков, где упругие свойства еще высоки. Эти участки, рас­ширяясь, вызывают перемещения листов и зоны ванны в радиаль­ном направлении. Перемещения оказываются настолько значи­тельными, что в высокотемпературной области, по-видимому, воз­никают пластические деформации удлинения. Об этом свидетель­ствуют остаточные прогибы оболочек, направленные наружу, а также непосредственные измерения перемещений в процессе сварки (рис. 108) [61].

При сварке кольцевым швом различных по жесткости элемен­тов перемещения в момент сварки различны (рис. 108, б). В ре­зультате этого образуется ступенька, которая может стать серьез­ным дефектом, снижающим прочность сосуда.

Характер деформации от кольцевых швов на сферических и то­роидальных оболочках аналогичен деформациям на цилиндрах.

Отличие круговых швов от кольцевых состоит в том, что в коль­цевых швах поперечная усадка происходит беспрепятственно, в то время как в круговых швах имеетс'я определенное сопротивление поперечной усадке. С помощью круговых швов в оболочки ввари­вают различные фланцы, патрубки и другие элементы.

На сферических оболочках круговой шов всегда расположен в одной плоскости, и деформации от него, как правило, осесиммет­ричны, несмотря на неодновременность заварки шва по всей длине. Характер возникающих деформаций зависит от диаметров обо-

лочки и кругового шва, жесткости и конфигурации свариваемых элементов, а также от величины продольной и поперечной усадки. Задача определения деформаций от кругового шва является одной из наиболее сложных. Обычно наблюдается нарушение сферич­ности в зоне кругового шва с приближением ввариваемого элемента к центру сферы (рис. 109, а). В первом приближении характер деформаций может быть определен следующим образом. Необхо­димо найти отдельно деформации от поперечной усадки (рис. 109, в) и деформации от продольной усадки шва (рис. 109, г).

Деформации от поперечной усадки Апоп представим как пе­ремещение Д = Апоп sin а плюс перемещения, возникающие от сил Р и М, которые, в свою очередь, находятся из следующих уравнений:

01 *= Э2; (1^8)

I Oil + і =■ cos а - (179)

где 0 и v —^ соответственно угловое и горизонтальное переме­щения от Р и М деталей / и 2.

Деформации от продольной усадки круговых швов при сварке в зажимном приспособлении находят, решая упругую задачу от сил д (рис. 109, г). Интенсивность сил д на единицу длины дуги

q = ^f£-, (180)

где tfotm — средние остаточные напряжения в зоне пластических деформаций 2Ьп, когда изделие находится в закреплен­ном положении.

При сварке без закреплений фиктивные силы д могут значи­тельно превосходить значения, полученные из формулы (180). В этом случае силы д находятся по формуле (181):

26 | 26 / 2у0 с /,оі

~Г°ост +—(-ГЕ)’ О»!)

где v0 — горизонтальное перемещение в зоне шва, возникающее от сил q в зоне 2Ьп, действующих в горизонтальной пло­скости.

Так как перемещения оболочек (в частности, о) прямо пропор­циональны силам q, то можно в общем виде представить

v = qF. (182)

Для зоны шва, в частности,

»о = gF в) (1^3)

где F — функция перемещений, зависящая от координат точек оболочки и ее геометрических размеров;

Fо — значение функции F в зоне шва.

Подставляя (183) в (181), находим величину расчетной нагрузки

i= J-IZe - <im>

Подставляя (184) в (182), находим перемещения

_ 26 d(jocnl р

сР — ШоЕ

Изложенный выше путь решения задачи может быть применен и в других случаях, например в случае на рис. 109, б. Однако здесь затруднительно определить перемещения при наличии жест­кого кольца.

Остаточные напряжения в круговых швах в окружном направ­лении обычно велики и могут достигать от. Однако в некоторых случаях они, так же как и средние остаточные напряжения в на­правлении поперек шва, могут изменяться в широких пределах. Напряжения поперек шва могут изменяться от нулевых значений до значений, близких к ат (см. рис. 103, б). Боль­шие поперечные напряжения нередко являются причиной разру­
шения в круговых швах. Вследствие деформации оболочки возни­кают также напряжения изгиба.

Деформации от круговых швов на цилиндрических оболочках имеют сложный характер. Поперечная усадка в зонах Л (рис. 110, а) сама по себе существенно не искажает формы оболочек, так как направлена вдоль прямолинейной образующей по оси. Поперечная и продольная усадка в зонах В создают перемещение детали 1 внутрь цилиндра (рис. 110, б). Вследствие жесткости детали I про-

Рис. 110. Остаточные перемещения при вварке эле­мента круговым швом в цилиндрическую оболочку:

а, б, в — оболочка и характер остаточных перемещений; г — схема действия фиктивных расчетных сил и q2 для определения деформаций при усадке после кругового нагрева

исходит совместное перемещение детали и оболочки в зонах А, в результате прямолинейная образующая также искривляется (рис. 110, в).

При точечном разогреве сферической или цилиндрической оболочки, например при приварке небольшой детали коротким швом, в процессе усадки также возникают деформации. Схема действия фиктивных расчетных сил при определении деформаций показана на рис. 110, г:

= (186)

После остывания зона шва и прилегающие к нему участки пе­ремещаются в направлении к центру оболочки. При значительном числе точек оболочка вследствие искажений покрывается «рябью» и теряет правильную геометрическую форму.

152