СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

УГЛОВЫЕ ДЕФОРМАЦИИ В ПЛОСКОСТИ, ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОЙ ШВУ

Односторонний подвод тепла (при дуговой и газовой сварке) обычно вызывает неравномерный нагрев металла по толщине (рис. 79, а). Во время сварки более нагретые слои металла рас­ширяются сильнее, чем менее нагретые. Точка А, принадлежащая более нагретой верхней плоскости, продвинется в точку А,, в то время как точка В, принадлежащая менее нагретой нижней плоскости, переместится в точку Вг. Отрезок AAt больше от­
резка BBt. В таком положении произойдет сваривание пластин. После полного остывания точки А и В стремятся возвратиться в прежнее положение, в результате чего возникает угловой излом (рис. 79, б).

При наплавке валика на пластину, помимо неравномерного перемещения точек по глубине провара, возникает также пласти­ческая деформация металла в более нагретых зонах. На рис. 79, в прямой штриховкой показана область пластических деформаций металла. После остывания в зоне пластических дефор­маций произойдет сокращение металла и возникнут угловые деформации. Во всех случаях, представленных на рис. 79, в основе механизма образования угловых деформаций лежат одни и те же явле­ния: неравномерные перемещения точек пластины в плоскости листа и неравно­мерная пластическая деформация металла по толщине.

Величина угловой деформации (5 зави­сит от многих факторов: относительной

глубины провара у (рис. 80); относи-

's,

тельной ширины провара у, формы про­вара, механических и теплофизических свойств металла и других.

Контуры провара зависят от сосредоточенности и других харак­теристик источника нагрева. Результаты исследований, посвя­
щенных определению угловых деформаций [3, 57, 84], нередко в значительной степени расходятся между собой. Это объясняется, во-первых, большим числом факторов, влияющих на угловые де­формации и по-разному оцениваемых исследователями, а во-вто­рых, неопределенностью теплового воздействия дуги на различ­ные элементы в процессе сварки углового шва. При одинаковой погонной энергии в зависимости от концентрации тепла и его пере­распределения между элементами деформации имеют различную величину. В таких условиях экспериментальная проверка рас­четных зависимостей недостаточно объективна. Имеющиеся в на­стоящее время формулы и зависимости для определения угловых деформаций р следует рассматривать как ориентировочные.

В стыковых однопроходных сварных соединениях даже при полном проваре может возникать угловая деформация р. В двух­проходных сварных соединениях остаточная угловая деформация зависит от выбранных режимов сварки первого и второго прохо­дов и может иметь различный знак. В тавровых сварных соедине­ниях угловые деформации могут быть выражены в функции катета шва и погонной энергии, идущей на проплавление основного ме­талла [3, 56, 86]. Задача об определении перемещений, возникаю­щих от угловых деформаций, также может быть расчленена, как указывалось выше, на термомеханическую и деформационную.

Располагая экспериментальными или расчетными значениями угловых деформаций р в отдельных сварных соединениях, выпол­ненных без закреплений, можно определять деформации в более сложных случаях. Для этого можно воспользоваться методом фиктивных сил. Значения р в данном случае являются результа­том решения термомеханической задачи. Для определения пере­мещений листов в конструкциях необходимо решать деформацион­ную задачу.

Результаты исследования угловых деформаций р в части термо­механической задачи в основном излагаются по работам Кузьми - нова А. С. При однопроходной сварке встык низкоуглеродистых и низколегированных сталей угловая деформация р в радианах определяется по номограмме на рис. 81, где qpac— расчетная эффективная мощность, равная при сварке встык эффективной мощности q = yUJ, vc — скорость сварки в см/сек, Ьрас — рас­четная толщина, равная при полном проваре толщине листов 6, а при неполном проваре — глубине провара. При двухпроходной двусторонней сварке (см. рис. 79, ж) углы от первого рх и вто­рого р2 шва вычитаются: Р = Pi — Р2, причем р может быть и положительным и отрицательным. При сварке первого шва &рас = hx, где — глубина провара, а при сварке второго шва &рас = 6. При многопроходной сварке угловую деформацию сты­кового сварного соединения определяют по формуле

р = 2)Р^—2Р imi, (116)

і /

где і — число проходов с наружной стороны;

/ — число проходов с внутренней стороны;

— угол изгиба от І-го прохода с наружной стороны, а — угол изгиба от /-го прохода с внутренней стороны (см. рис. 81);

mt и тj — поправочные коэффициенты, учитывающие номер прохода (рис. 82).

При расчете деформаций по формуле (116) с использованием номограммы на рис. 81 в качестве расчетной толщины 6^ при­нимается толщина заваренного слоя. Например, на рис. 79, э для шва 1 с наружной сто­роны брас = hy, для шва 2 с наружной стороны брас — для первого шва Ґ с вну­тренней стороны Ьрас — /j' и для второго шва 2' с вну­тренней стороны брас ~ 6 .

Поправочные коэффици­енты Ші И m. j введены для учета влияния формы раз­делки и теплоотвода при многослойной сварке. При числе слоев с одной стороны не более 3—4 поправочный

При сварке угловых сварных соединений (см. рис. 79, г и е) сле­дует различать угловые деформации, вызванные неравномерной

поперечной усадкой листа, и угловые деформации, вызванные усадкой самого металла шва в направлении гипотенузы. Первая причина всегда приводит к появлению изгиба листа на угол р (грибовидности), а вторая — либо к повороту листа относительно ребра, если нет препятствия такому повороту, либо к появлению дополнительного изгиба листа на угол fiK, если препятствие имеется.

Например, при сварке двух листов в тавр швом 1 (рис. 79, д) полка вследствие усадки шва повернется как единое целое на угол 0! относительно ребра (если считать полку неподвиж­ной или закрепленной, то ребро повернется относительно полки

из-за неравномерного нагрева и усадки полка получит изгиб на угол pt.

Угол 0] свободного пово­рота листов от усадки шва мало зависит от режима сварки и равен 0,02—0,024 [56, 86]. Угол изгиба листа от первого шва если

элементы могут поворачи­ваться, определяют по графи­ку на рис. 81. В качестве рас­четной толщины драс прини­мают толщину листа пояса 6„. Расчетная эффективная мощ­ность равна мощности, вво­димой в лист пояса qn (п. 21):

«•“«2<ЙТ57- (|17)

С. А. Кузьминой предлагает для определения qn более слож­ную зависимость qa = kaq (рис. 83). Угол изгиба от второго шва определяют как сумму углов изгиба, возникающих от неравномер­ной усадки пояса и усадки катета шва + $к. Величину р2 находят аналогично рг Угол |3К определяется вне зависимости от режима сварки, а в зависимости от размеров катета шва, толщины пояса, ребра и металла:

PK = eTD, (118)

где ет — относительная деформация, соответствующая пределу текучести наплавленного металла;

D — коэффициент, зависящий от размеров катета к, тол­щины пояса 6П и ребра 8Р (рис. 84).

Максимальное значение не может превышать 0,02 рад.

Аналогично определяют изгиб листа от одного шва, если он не может поворачиваться на угол 0,. Угол 02 обычно невелик, формул для его определения нет. Углы изгиба р,, ра и рк при сварке прерывистыми швами определяют по формуле

Р„р = Р СП.-Г-. (119)

1пР

где $спл — угол изгиба сплошного шва;

tM — длина заваренного участка прерывистого шва; tnp — шаг прерывистого шва.

Шахматные и цепные швы следует рассчитывать как двусто роннке, т. е. с учетом рк. Деформационную задачу решают, при­меняя метод фиктивных сил. Места образования углов изгиба заменяют шарнирами, где прикладывают фик­тивные моменты М. Моменты М определяют из условия, чтобы сум­марный угловой поворот был равен р.

Задача может решаться как упру­гая, так и пластическая.

На рис. 85, а показан случай сварки встык двух листов, когда их взаимное сближение может проис­ходить беспрепятственно, но без по­ворота концов пластин. Заменяя указанный случай расчетной схемой (рис. 85, б), находим моменты М и силы Р в шарнире (силы на рисунке не показаны) из условия, что переме­щения концов равны и что фі +

р, где ф, и ф2 — углы по-

ворота стержней и /2 в шарнире О от моментов М. Зная момент М и силу Р, определяем прогибы /. Одно­временно можно определять и напря­жения в листе от изгиба. На рис. 85, в показан более сложный случай, когда к ребристой конструкции, имеющей некоторую протяженность в направлении за плоскость чертежа, приварены листы 1—5. Для решения задачи составляют систему уравнений на основании схемы действия сил, показанных на рис. 85, г. Напря­жения в пластинах от моментов и сил действительно имеют место после сварки и остывания. Если пластины короткие и жесткие, то напряжения могут превысить оу. Углы поворота в этом случае следует определять с учетом пластической деформации. Так как момент сопротивления W угловых швов обычно меньше момента сопротивления самих пластин, то пластические деформации будут

концентрироваться в швах и в этом частном случае во избежание ошибок моменты следует определять с учетом калибров швов и их моментов сопротивления.

т

У

///////////////////////////у.

Рис. 85. Определение перемещений ЛИСТОВ ПО известным угло­вым деформациям с использованием метода фиктивных сил