СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

Суммарные деформации при сварке встык полос равной ширины

Общий вид суммарной кривой, характеризующей изменение общих деформаций полосы в процессе сварки и остывания,

представится кривой, подоб­ной изображенной нарис. 101.

Однако представленная на рис. 101 кривая может доста­точно сильно меняться с изме­нением режима сварки и раз­меров полосы. Так, если про­следить изменение величины зазора в конце шва при изме­нении ширины свариваемых полос, то нетрудно убедиться в следующем.

Ширина конца шва после полного остывания может быть выражена следующей форму­лой:

Ьшв == d0 - j- 2/из -|~ 2р.,

где с!0 — зазор в шве до начала сварки;

/из. — перемещение конца каждой полосы в результате изгиба полосы;

p. — перемещение конца каждой полосы в результате умень­шения ширины шва.

Так как с увеличением ширины полосы прогиб /из умень­шается (в связи с уменьшением кривизны С'пр), а величина к оставаясь всегда отрицательной, изменяется относительно слабо, то при широких полосах и малых зазорах в шве конечная ши­рина шва может оказаться отрицательной (при/из.—*-0 и р>с1й). В то же время при узких полосах и, следовательно, достаточно больших значениях /из ширина шва может оказаться больше первоначального зазора (при /из > ц).

Таким образом, становится очевидным, что уменьшение за­зора в процессе сварки и даже налезание полос друг ка друга совершенно не означает изгиба полосы выпучиной наружу (рис. 102, а) и может иметь место при вогнутой наружной кромке (рис. 102, б).

Это подтверждается и относитель­ным значением прогибов в середине и в конце полосы, а также линиями прогибов полосы в различные мо­менты сварки.

Для иллюстрации характера дефор­маций в различные моменты сварки двух полос одинаковой ширины на рис. 103 приведены кривые прогибов каждой из свариваемых полос для моментов времени: когда выполнена г/4 длины шва (кривая 12,5); 7а длины шва (кривая 25); 8/4 длины шва (кривая 37,5); весь шов непосредственно после окончания сварки (кривая 50)

и после полного остывания шва (кривая со). На рис. 103, а приведены кривые для случая сварки встык двух полос шири­ною 50 мм, на рис. 103, —для полос шириною 100 им и на рис. 103,5 — для полос шириною 150 мм. Режим сварки во всех случаях был принят одинаковый.

Из приведенных кривых видно, что ширина планки, сварен­ной из двух полос, весьма непостоянна по длине планки: наряду с уменьшением ширины планки на некоторой части длины может иметь место и увеличение ширины на остальной части длины (как, например, для полос шириною h — ЬОмм— рис - 103,^). Приведенные кривые подтверждают установленные выше поло­жения об относительном значении деформаций, вызванных из­гибом полос и изменением ширины шва. Так, при узких полосах (рис. 103, а) преимущественное значение имеет изгиб полос, тогда как при широких полосах (рис. 103,б) наиболее сильно сказываются деформации поворота при весьма слабом изгибе полос. Особенно наглядно это видно из рис. 104, где приведены кривые приращений ширины планки в различных сечениях по длине для планок, сваренных из полос шириной 50, 100

и 150 мм.

Таким образом, изменения ширины планки в результате сварки, обычно обозначаемые термином „поперечная усадка", и действительности вызваны рядом явлений и меньше всего ынисят от „усадки* наплавленного металла сварного шва.

Естественно, что также неправильно отражает сущность про­исходящих явлений и термин „продольная усадка".

Особенно показательным является тот факт, что при сварке встык волокна, ближайшие к шву, оказываются длинее, чем наружные волокна сваренной пластины. Таким образом, там, где „усадка" должна была проявиться в виде наибольшого укорочения, т. е. у сварного шва, — в действительности оказывается либо удлинение волокон, либо очень незначительное укороче­ние; там же, где усадка шва не могла казалось бы сказаться сколько-нибудь значительно, т. е. у наружных кро­мок,—в действительности имеет место наибольшее укорочение волокон. Это кажущееся противоречие разъясняется весьма просто, если учесть изгиб сва­риваемых полос. При изгибе полос с вогнутостью наружных кромок эти последние должны укорачиваться, а внутренние кромки свариваемых по­лос к моменту сварки оказываются удлиненными. При дальнейшем осты­вании пластины и стремлении шва уменьшить свою длину внутренние волокна укорачиваются больше на­ружных, но все же общий характер деформаций торцевых кромок пла­стины не меняется, так как укоро­чение отдельных волокон, вызванное уменьшением длины шва, оказывается значительно меньшим, чем деформа­ции, вызванные изгибом сваривае­мых полос. Однако такое положение

может иметь место при относительно узких полосах, когда HJf изгиб достаточно велик. При увеличении ширины свариваемых полос изгиб последних уменьшается, а потому влияние укоро­чения шва увеличивается, и при некоторой ширине сваренной пластины можно будет наблюдать наибольшие укорочения у шва и относительно меньшие у наружных продольных кромок.

Удлинения и укорочения отдельных волокон сваренной пла­стины, вызванные изгибом полос при сварке и укорочением шва при остывании, могут быть получены непосредственно из гра­фиков изменения относительных деформаций наружного и вну­треннего волокон при сварке встык, например представленных

на рис. 96. Данные, взятые из таких графиксв для момента пол­ного остывания пластин, сваренных из двух 50-миллиметровых и двух 100-миллиметровых полос, приведены на рис. 105.

Как видно из приведенного графика, во всех случаях внутренние волокна оказались удлиненными, а наружные — укороченными.

Однако как удлинение вну­тренних волокон, так и уко­рочение наружных умень­шается с увеличением ши­рины свариваемых полос.

30. Влияние прихваток

Приведенные выше дан­ные относятся к случаю сварки встык полос равной ширины без примененияпри - хваток. В производственной практике обычно при сборке под сварку для предвари­тельного соединения листов между собою применяют прихватки. Наличие прихва­ток ограничивает переме­щение листов при сварке, но зато может увеличить их изгиб. Для оценки влияния прихваток необходимо рассмо­треть простейший случай сварки встык двух полос, соединен­ных на конце прихваткой.

Вайду незначительных размеров прихватки ее можно рас­сматривать как шарнир, допускающий взаимный поворот листов друг относительно друга, но препятствующий расхождению кромок.

В начальный момент,, когда наплавленный металл шва нахо­дится в пластическом состоянии, наличие прихватки на конце свариваемых кромок приводит к тому, что вместо перемещения конца полосы в результате ее изгиба от нагрева (рис. 106, а) изогнутая полоса как жесткое целое поворачивается в сторону шва таким образом, что конец ее занимает положение, опреде­ляемое прихваткой (рис. 106,6). При этом изменения стрелки прогиба не происходит потому, что шов, находясь в этот момент в пластическом состоянии, допускает любой поворот полосы, не ок ізьівая при этом никакого сопротивления.

Увеличение длины шва приводит к тому, что часть его пере­ходит в упругое состояние и начинает оказывать сопротивление деформациям полосы. При отсутствии прихватки (рис. 106, в) конец полосы некоторое время продолжает задираться вверх (тем дольше, чем шире полоса). При наличии прихватки это задирание конца невозможно, и в зависимости от ширины по­лосы h и расстояния I до прихватки полоса либо изгибается
(рис. 106, г — если полоса достаточно гибка, т. е. отношение ljh велико, а участок шва, находящийся в упругом состоянии, от­носительно жесток), либо поворачивается как жесткое целое (рис. 106, д— если отношение ljh мало, т. е. полоса достаточно жестка, а мощность и сопротивляемость упругого участка шва сравнительно малы). При этом в прихватке возникают растяги - вающие усилия.

Дальнейшее, продвижение дуги приводит к понижению сво­бодного конца полосы (рис. 106,е), что создает в прихватке усилия сжатия, а в полосе — дополнительный изгиб, вызванный сопротивлением при­хватки (рис. 106, ж).

Такое же увеличение изгиба свариваемых по­лос происходит и в ре­зультате уменьшения ши­рины шва при остывании, которое при отсутствии прихватки приводит к по­пороту свободного конца в сторону шва (рис. 106,з).

При наличии прихватки этот поворот невозмо­жен, и полоса изгибается, как показано нарис. 106, и.

В результате сумми­рования всех деформаций изгиба стрелка прогиба полосы, сваренной при наличии прихватки, ока­зывается больше, чем стрелка прогиба полосы, сваренной без прихватки, когда изменение ширины шва практически не увеличивает изгиба полосы, вызванного ее неравномерным нагревом.

Проведенные автором экспериментальные исследования под­твердили приведенную выше картину происходящих при нали­чии прихваток деформаций. Так, если при сварке встык двух полос, шириною 50 мм, при отсутствии прихваток окончатель­ная стрелка прогиба наружной кромки составляла 1.44 мм (при длине полос 500 мм), то наличие прихватки на конце сваривае­мых кромок увеличило стрелку прогиба до 1,75 мм. При сварке встык двух полос, шириною по 100 мм, при отсутствии прихва­ток стрелка прогиба составила 0,54 мм (при той же длине по­лос), тогда как при наличии прихватки на конце свариваемых кромок (при прочих равных условиях) стрелка прогиба достигла 1,81 мм. Значительно большее влияние прихватки при полосах шириной 100 мм подтверждает то различие в деформациях гиб­ких и жестких полос, на которое было указано выше (рис. 106, г и д). Действительно, при узкой полосе (h = 50 MM)t при некоторой
длине шва, прихватка вызывает обратный выгиб (стрелка / на рис. 106,2), что уменьшает суммарную стрелку прогиба кромки полосы, тогда как при широких полосах (или более часто по­ставленных прихватках) изгиб полосы, вызванный прихваткой, в основном происходит в одном направлении.

Характер деформаций полосы в процессе сварки при отсут­ствии и при наличии прихватки, установленный в результате экспериментальных работ автора, показан на рис. 107 и 108.

Рис. 107. Поперечные деформации Рис. 108. Поперечные деформации

полос в процессе сварки встык. полос в процессе сварки встык

при наличии прихватки на конце.

Из сравнения деформаций видно, что при отсутствии при­хваток наряду с изгибом полосы происходит и ее поворот (оис. 107), тогда как при наличии прихватки поворота полосы в целом не происходит, а происходит лишь общее перемещение полосы за счет равномерного уменьшения ширины шва (рис. 108).

С увеличением числа прихваток картина деформаций изме - няется, и полоса приобретает волнообразный изгиб (рис. 109), который, однако, тоже в значительной мере зависит от ширины полосы и расстояния между прихватками. Увеличение числа прихваток равносильно некоторому увеличению жесткости по­лосы, что, как отмечалось выше, приводит к увеличению изгиба, но при достаточно частом их расположении эта жесткость ста - 123

новится уже настолько большой, что уменьшает изгиб полос при сварке.

Достаточно интересны в этом отношении результаты, полу* чепные в дипломной работе Земзина [30], выполненной в Ленин­градском политехническом институте в 1941 г. Как показали проведенные эксперименты, при сварке встык полос шири­ною 200 мм стрелка прогиба при двух и четырех прихватках оказалась больше, чем при сварке без прихваток; при шести прихватках она стала такой же, как и при отсутствии их, и, наконец, при „непрерывной прихватке" стрелка прогиба умень­шилась на значительную величину (рис. 110). Непрерывная при­хватка достигалась тем, что вместо сварки двух полос выпол­нялась наплавка в канавку, сделанную в планке, имеющей такие же размеры, как и общие размеры двух собранных для сварки

Рис. 110.'Изменение стрелки прогиба полосы в зависимости от числа при­хваток.

полос, а профиль канавки того же вида, как и разделка шва.

Таким образом, применение прихваток позволяет почти исклю­чить поворот свариваемых полос. Увеличение изгиба полос при применении прихваток имеет значение лишь при относи­тельно узких полосах и широко расставленных прихватках. В тех же случаях, когда свариваются достаточно широкие листы или когда отношение ширины листа к расстоянию между прихватками более двух, изгиб будет иметь очень малое значение. Следо­вательно, прчменение прихваток позволяет обеспечить равномер­ность деформаций при надлежащей их расстановке.