СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

Влияние закреплений полосы на деформации и напряжения, вызываемые наплавкой валика различными режимами

В целях установления влияния, оказываемого закреплением на величину конечных деформаций и остаточных напряжений, ниже приведены эпюры конечного напряженного и деформиро­ванного состояния полосы, на кромку которой валик напла­

влялся в то время, когда полоса находилась в закрепленном со­стоянии. При этом имелось в виду такое закрепление (накла­дываемое перед началом сварки и снимаемое после окончания сварки и полного остывания), которое не допускало изгиба по­лосы, но при котором были возможны продольные деформации, т. е. удлинение и укорочение полосы.

На рис. 69 схематически представлены эпюры напряженного и деформированного состояния, относящиеся к двум моментам времени, а именно: к моменту наибольшего распространения тем­пературы в 600° по ширине полосы и к моменту полного осты­вания полосы после наплавки, причем для последнего момента приведены две эпюры: до снятия закрепления и после снятия закрепления.

В отличие от деформаций свободной полосы, в случае за­крепления, как это указывалось выше (§ 11), вследствие невоз­можности изгиба все волокна будут вынуждены деформиро­ваться на одинаковую величину, и прямая действительных де­формаций в связи с этим будет не наклонна, как в случае на­плавки на свободную полосу, а горизонтальна (параллельна оси х), как это показано на рис. 28, а. При этом для достижения равновесия необходимо удовлетворить лишь одному условию: сумма всех'внутренних сил (или сумма всех упругих дефор. ма ций) должна быть равна нулю. Появляющийся при этом момент внутренних сил (не равный нулю в данном случае) будет воспри­нят закреплением.

Для оценки влияния закрепления полосы при различных ре­жимах наплавки ниже приведены эпюры напряженного и дефор­мированного состояния для тех же случаев, которые были рас­смотрены для свободной полосы (рис. 54).

При относительно слабом нагреве закрепленной полосы дей­ствительные деформации Aj (рис. 69, а) весьма малы, но зато появляющиеся при этом пластические деформации s/ значи­тельно превышают пластические деформации ev имевшие место в случае наплавки на свободную полосу (для сравнения дефор­мации, соответствующие случаю наплавки на свободную полосу, приведены пунктиром). Соответственно деформации >/, после полного остывания будут значительно больше при применении закрепления по сравнению со случаем свободной полосы. Дей­ствительные деформации ДСрі до снятия закрепления приведены на рис. 69, а. После снятия закрепления под действием момента внутренних сил полоса изогнется и действительные деформации определятся наклонной прямой Д'х (рис. 69, а), положение кото­рой определится из условия, что момент всех внутренних сил после изгиба полосы должен быть равен нулю. Таким образом, на эпюре напряженного и деформированного состояния после снятия закрепления сумма площадей упругих деформаций равна нулю и сумма моментов этих площадей относительно любой точки тоже равна кулю. Как видно из рис. 69, а, изгиб поло: ы после снятия закрепления(определяемый углом наклона прямой Д',), значительно меньше, чем в случае наплавки на свободную

полосу (соответствующие деформации У и Д' нанесены пункти­ром), тогда как оставшиеся пластические деформации растяже­ния значительно превосходят таковые в случае наплавки на свободную полосу. Таким образом, в данном случае (при дан­ном режиме наплавки) применение закрепления привело к умень­шению коробления и к увеличению пластических деформаций растяжения, т. е. к большему использованию пластических свойств основного металла еще в процессе наплавки.

При увеличении нагрева полосы (и уширении зоны нагрева)* вследствие увеличения силы тока или уменьшения скорости на­плавки, продольные деформации Д2 увеличиваются, но одновре­менно увеличивается и разница между величиной пластических деформаций закрепленной и свободной полосы (рис. 69, б). Сред­ние конечные деформации до снятия закрепления Дср2 и конеч­ные деформации Д', после снятия закрепления увеличиваются по сравнению с таковыми при более узкой зоне нагрева (рис. 69, а). Конечная кривизна полосы при данном режиме наплавки в слу­чае применения закреплений также меньше таковой для сво­бодной полосы. Что же касается остаточных пластических де­формаций растяжения, то они при применении закреплений со­ставляют значительную величину, тогда как при наплавке на свободную полосу пластических деформаций растяжения почти не было. Таким образом, применение закреплений при данном режиме сварки привело к увеличению пластических деформаций растяжения.

Дальнейшее повышение нагрева (рис. 69, в) приводит к уве­личению продольных деформаций Д8, к увеличению разности V —ез и к увеличению предельной кривизны закрепленной по­лосы настолько, что конечная кривизна становится почти такой же, какая была бы при наплавке на свободную полосу. Харак­терным для рассматриваемой степени нагрева является не только наличие значительных пластических деформаций растяжения на кромке у валика, но и возникновение пластических деформа­ций сжатия на противоположной кромке, т. е. там, где в ра­нее рассмотренных случаях пластические деформации не по­являлись.

Пластические деформации сжатия растут с дальнейшим уве­личением нагрева (рис. 69, г), тогда как пластические деформа­ции растяжения у валика* уменьшаются и обращаются в нуль при достаточно высоких степенях нагрева (т. е. достаточно больших силах тока или достаточно малых скоростях сварки). При режиме наплавки, соответствующем случаю, приведенному на рис. 69, г, конечные деформации при наплавке на закрепленную полосу оказываются значительно превосходящими конечные де­формации свободной полосы. Таким образом, при данном ре­жиме наплавки закрепление не только не уменьшило коробле­ния, но даже увеличило его, создав при этом и некоторые пла­стические деформации растяжения и значительные пластические деформации сжатия, отс/тствующие при наплавке на свободную полосу. Кроме того, средние продольные деформации Дср4 ока-
зываюгся значительно превосходящими действительные дефор­мации при наплавке на свободную полосу.

Таким образом, из приведенных схем напряженного и дефор­мированного состояния свободной и закрепленной полосы сле­дует, что закрепление детали перед наплавкой может уменьшить коробление только в тех случаях, когда применяемый режим наплазки создает относительно узкую зону нагрева, т. е. когда отношение ширины зоны нагрева, к ширине полосы меньше

0,15 (bfh < 0,15.) При более высоких режимах наплавки (т. е. при */л > 0,15) закре­пление не только не умень­шает, но может даже уве­личить коробление детали. При этом, как нетрудно заметить из приведенных схем, уменьшение коробле­ния вследствие применения закреплений имеет место при тех режимах, которые при наплавке на свободную полосу создают эпюру ко­нечного напрдженного со­стояния первого типа (с упругими и пластическими деформациями растяжения на кромке у валика). При тех режимах, которые при­водят свободную полосу ко второму типу эпюры напря­женного состояния, коро­бление при применении закреплений либо не умень­шается, либо даже увеличи­вается (рис. 70).

Из приведенного непосредственно вытекает следующий практический вывод: уменьшение коробления, применением

закрепления детали во время сварка, может быть достигнуто при таких размерах детали и режимах сварки, при которых ширина зоны нагрева составляет не более 0,15 ширины детали, при этом закрепление, вызывая повышенные пластические деформации растяжения, неблагоприятно сказывается на материале изделия, преждевременно используя его пластические свойства.

Экспериментальные исследования Шеверницкого и Мамо - нова [21], проведенные на образцах такой ширины и такими режи­мами, что ширина зоны нагрева была более 0,15 ширины детали, подтвердили сделанное выше заключение о влиянии закреплений в случае широких зон нагрева. Однако общее утверждение Шеверницкого и Мамонова о том, что „закрепление сваривае­мого стержня не уменьшает деформации изгиба" — неверно и
объясняется тем, что в основу общего вывода положены резуль­таты экспериментов, проведенных на одном размере образцов при использовании одного режима наплавки.