СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ВЛИЯНИЕ СВЯЗЕЙ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Усадка металла в продольном направлении встречает обычно значительное сопротивление со стороны основного холодного ме­талла. Поэтому дополнительные закрепления, препятствующие

1 В работе [116] приведен способ расчета поперечных напряжений оу при сварке нескрепленных пластин встык для частного случая, когда предполагается чрезвычайно быстрое охлаждение металла позади ванны.

продольной усадке, не создают больших добавочных сопротивле­ний и остаточные напряжения ох в этом случае от закреплений за­висят мало.

Поперечная усадка приводит к уменьшению размеров в попе­речном направлении и угловым деформациям. Если связи препят­ствуют перемещениям, то возникают дополнительные напряжения, величина которых зависит от размеров свариваемого изделия и характера закреплений. Так как перемещения от поперечной усадки возникают не сразу в момент сварки, а в процессе охла­ждения металла, то эти дополнительные напряжения можно опре­делять для детали в сваренном виде с механическими свойствами, соответствующими свойствам при комнатной температуре.

На рис. 36, а показан пример сварки встык листа, закреплен­ного по противоположным кромкам. Если ширина свариваемых листов By + В2, а поперечная усадка Дпо„, то величина оддт может быть приближенно вычислена по формуле

ЬпопЕ

Удоп ~ Ву + В2 '

Напряжения от угловых деформаций р (рис. 36, б), когда для уменьшения этих угловых деформаций сварка производится в за­креплении, также могут быть вычислены по формулам сопротив­ления материалов. Необходимо лишь правильно задаться крае­выми условиями в местах закрепления. Это могут быть либо сила Р известной величины (рис. 36, в), либо жесткое закрепление, когда 0 — 0 (рис. 36, г), либо даже шарнирное закрепление, когда v = 0 (рис. 36, д). Могут встречаться и другие случаи закрепле­ния пластин по контуру. Во всех рассмотренных случаях (рис. 36, e-д) в основном металле и в самом шве возникают изги­бающие моменты и дополнительные напряжения оу.

Образование продольных напряжений ох при укладке каждого очередного валика многослойного шва в общем подчиняется тем же закономерностям, что и при однопроходной сварке. В зоне, под­вергавшейся высокому нагреву, образуются растягивающие на­пряжения.

Основное отличие в образование напряжений при многослой­ной сварке вносит поперечная усадка металла и ранее возникшие остаточные напряжения. Поперечная усадка влияет не только на образо­вание напряжений оу и ог, но и на продольные напряжения ох. Напря­жения по оси г, в особенности Оу, отличаются значительной неравномер­ностью в результате неодновременности заварки разделки шва по высоте.

Рассмотрим влияние неодновремен­ности укладки шва по высоте раз­делки на формирование напряжений оу в низкоуглеродистых или аустенитных сталях. Допустим, что при укладке оче­редного валика толщиной dz (рис. 37) в нем возникает попереч­ное напряжение оп. Тогда сила на единицу длины шва, созда­ваемая очередным валиком, выразится как

dP = ondz, (84)

а соответствующий момент как

dM =■ ondz-2~,

где z — высота заваренной разделки.

Приращение напряжений в слое с координатой z0 выразится как

г“

T2 ’

Полное напряжение после заварки всего шва необходимо найти с учетом того, что в самом слое а0 во время его усадки возникли напряжения оп. Интегрируя уравнение (86) и прибавляя а„, находим

6 6 6 (“І—г°) йг

Это решение справедливо для а0 < гй < б, где а0 — начальная толщина заваренного шва без напряжений а„; она соответствует толщине притупления и первым двум-трем слоям шва.

В корне шва, где z0 = 0, напряжения находим без исходного напряжения оп, интегрируя (86) в пределах от а0 до б:

(88)

На участке шва от z0 — 0 до z0 — а напряжения изменяются плавно. Эпюра напряжений ау для случая сварки без закрепления пластин представлена кривой 1 на рис. 38. Закрепления могут существенно изменить величину и характер распределения напря­жений а у по толщине. Обычно при многослойной сварке листов

к закрыванию разделки. Если

шов сваривается в конструк­ции, совершенно не позволяющей возникнуть угловым деформа­циям, то напряжения ау из растягивающих в корне шва перехо­дят в сжимающие (кривая 2 на рис. 38). Очевидно, что могут быть промежуточные варианты закрепления пластин при мно­гослойной сварке, когда в корне шва будут возникать различные напряжения и различные деформации металла. Возможны и другие варианты связей, налагаемых конструкцией на сварное многослойное соединение.

Измерения поперечных деформаций металла в корне многослой­ного кольцевого шва с V-образной разделкой наружу, выполнен­ные Г. П. Карзовым, непосредственно в процессе сварки показали, что в начальный период сварки, когда деформация от поперечной усадки преобладает над угловой деформацией, в корне шва по­являются значительные деформации укорочения с образованием сжимающих напряжений. При дальнейшей сварке знак деформа­ции изменяется; в корне шва возникают пластические деформации удлинения с образованием растягивающих напряжений. Попе - 62

речные деформации удлинения в корне шва нарастают в те­чение всего последующего периода сварки вплоть до его окон­чания.

Измерение остаточных напряжений а„ в многослойных швах датчиками, а также при помощи вставок (п. 44) подтверждают ре­зультаты, полученные расчетным путем. На рис. 39 показаны напряжения оу измеренные в трех точках по толщине: в корне многослойного шва, посередине и на поверхности. На остальных участках кривая проведена предположительно в соответствии с ре­зультатами теоретических вычислений. Обращают на себя вни­мание весьма большие напряжения оу в корне шва. Они близки к ов. Причина их появления — большая пластическая деформа­ция, вызванная угловым закрыванием разделки. Напряжения в глубине — сжимающие. На поверхности шва, т. е. в последних валиках, поперечные напряжения для низкоуглеродистых сталей в листах толщиной 80—120 мм обычно составляют (0,4—0,6) от, а в некоторых случаях даже меньше.

Закрывание разделки в многослойных швах с V-образной раз­делкой происходит равномерно по длине,' но вследствие продоль­ной усадки шва возникает эпюра равномерных по толщине напря­жений оУо (см. рис. 35, а и в). Поэтому при измерениях остаточных напряжений в средней части пластин б = 80-Н-120 мм; I 400ч-

ч-500 мм обнаруживается некоторая неуравновешенность напря­жений о у вследствие наложения оУіг. Напряжения ох практически можно считать равномерными по толщине. Напряжения oz могут быть либо растягивающими (рис. 40), либо равными нулю или даже сжимающими (п. 44).

Структурные превращения вносят значительные изменения в распределение остаточных напряжений. На рис. 41 показано распределение напряжений ох и оу на поверхности плит из средне­легированных сталей толщиной 80 мм, на которые в V-образную канавку с углом 60° на автомате за один проход укладывался ва­лик из аустенитного металла заподлицо с основным'металлом. Образец № 1 сваривался без подогрева, № 2 — с подогревом, № 3 — с дополнительным легированием шва хромом; образец № 4 имел меньшую площадь канавки и сваривался при существенно меньшей погонной энергии. Распределение напряжений в плитах с площадью канавки 765 мм2 и углом разделки 45 и 90° аналогично распределению напряжений в образце № 1. Напряжения изме­ряли механическим съемным прибором с базой 10 мм в сечениях на расстоянии 150 мм от конца шва при длине образцов около 470 мм и ширине 250 мм [19].

Продольные напряжения ох в аустенитном шве достигают пре­дела текучести наплавленного металла. В околошовной зоне, при­легающей к наплавленному металлу, они переходят в сжимающие. Вследствие узкой зоны сжимающих напряжений ох и относительно большой базы измерений (10 мм) пиковые значения сжимающих

Рис. 41. Распределение остаточных напряжений ох и ау после сварки средмелегированных сталей

В. А. Винокуров

-8.6 -7,7

і> !£&3АМ

SCO

*>6 -7-6,5

проволокой. Напряженияаг по толщине в средних полосах, состоя­щих в основном из аустенитного металла, колеблются в преде­лах ±6,0 кГІмм2 (60 Мнім2). Это еще раз подтверждает, что усадка отдельных слоев при многослойной сварке вызывает поперечное сжатие зон, расположенных в глубине шва.

Обширные исследования остаточных напряжений на поверх­ности и в глубине многослойных сварных соединений плит из алю­миниевого сплава САВ-1 толщиной 90, 140, 200 и 300 мм были вы­полнены С. Н. Киселевым [52] (рис. 43). Продольные и попереч­ные напряжения в зоне максимальных значений составляют около 0,8(Т7 основного металла. Остаточные напряжения ау и ог в глу­бине металла, как правило, близки к нулю или сжимающие, что также свидетельствует о поперечной усадке вышележащих слоев.

Распределение остаточных напряжений в многослойных швах отличается значительным разнообразием и сложностью. Интересно отметить отсутствие в глубине металла жесткой схемы трехосных растягивающих напряжений. Напряжения оу малы или являются сжимающими. В таких условиях колебание напряжений ог от растягивающих до сжимающих не представляет большой опас­ности в отношении хрупких разрушений. Знак и величина оста­точных напряжений az зависят от поперечной усадки в направле­нии толщины й препятствия усадке со стороны более холодного металла. Эти факторы зависят от режима сварки и разделки кро­мок. Значительное влияние на напряжения аг оказывают усадоч­ные поперечные усилия вышележащих слоев, которые вызывают напряжения сжатия и перераспределение аг.

Наиболее орасным местом в многослойных швах низкоуглеро­дистых сталей, алюминиевых и титановых сплавов, по-видимому, является корень шва. В низколегированных сталях вредное влия­ние оказывают поперечные растягивающие напряжения оу (см. рис. 41), приводящие к появлению так называемых холодных трещин.

Ч