СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

Влияние закреплений свариваемых листов

В случае закрепления внешних свободных кромок сваривае­мых?,стык листов так, чтобы исключался их изгиб, но допуска­лись продольные деформации, распределение деформации в ка­ждом листе было бы аналогичным слу­чаю наплавки валика на кромку закре­пленной полосы. При этом после выпол­нения сварки оба листа оказываются связанными жестко между собой швом и потому даже после снятия закрепле­ний они уже не смогут деформиро­ваться так, как изгибалась после сня­тия закреплений полоса, на кромку ко­торой наплавлялся валик.

Характер распределения продольных деформаций в случае сварки встык двух листов равной ширины для различных моментов времени представлен. на рис. 123.

Распределение продольных деформа­ций приведено для момента времени, соответствующего наибольшей ширине зоны нагрева, на рис. 123, а, для мо­мента после полного остывания—на рпс. 113, Снятие закреплений не изменит эпюры распределения продольных напря­жений, которые, как это видно из срав­нения с нижней эпюрой на рис. 119, й, имеюттакой же вид, как и для случая сварки широких листов. Таким образом, и при сварке встык увеличение ширины листов (сточки зрения продольных деформаций и напряжений) приближает ко­нечные деформации к тем, которые имеют место при ПОЛНОМ закреплении кромок от изгиба.

Кроме продольных деформаций и напряжений, при сварке закрепленных листов возникают поперечные напряжения. Как это было показано Вертманом и Мором [32], поперечные напря­жения, возникающие при сварке листов с закрепленными на­ружными кромками и свободными (без прихваток) внутренними, вызываются не только уменьшением ширины шва (усадкой на­плавленного металла), но и деформациями, вызванными нагре­вом самих свариваемых листов (рис. 124). Так, в процессе сварки свариваемые листы нагреваются, и вследствие этого должны

расширяться. Закрепление наружных кромок полос дает свободу для расширения только в сторону шва, вследствие чего зазор между листами уменьшается. Уменьшение зазора в стыке будет тем больше, чем сильнее нагреются свариваемые листы, что зависит от размеров выполняемого слоя шва и от применяемых электродов. При остывании листы должны были бы принять свои первоначальные размеры, однако этому будет препятство­вать выполненный к этому времени сварной шов. В результате в сварном шве и в листах появятся напряжения растяжения, пропорциональные относительным уменьшениям зазора шва при нагреве и относительным уменьшениям ширины шва при осты­вании.

Действительно, при выполнении сварки электродами, коэфи - циент наплавки которых равен уп г/а-ч, со скоростью v см сек. вес наплавленного металла на длине Г см составит ■/

2=ШЪг! см'

При сечении наплавляемого слоя F (см2) вес слоя на длине 1 см бу­дет

g' = F - і (г 1см).

Из условия равенства обоих ве­сов определится необходимая сила тока:

, f. y-v-3600

Следовательно, при выполнении шва сечением F (см2) будет выделяться на длине 1 см Q кал тепла, равное

Q — 0,24•£/•/• — •

^ » V

На нагревание листов при этом пойдет

Q' = 0,24 rrU‘I'^,

где rj — коэфициент использования тепла электрической дуги.

При теплоемкости металла листов с последние нагреются до некоторой средней температуры Т°, равной

т Я!___

~ Я-5-гс

При этом удлинение свариваемых листов (или, что то же, уменьшение зазора в стыке) составит

Д В = а Т • В = °-2Л‘ а'У1'-—7,

Сi'f'C-V

где а — коэфициент линейного расширения.

После подстановки значения / получим

А 0 0.24• а[4]т)-3600'Ь г

Д В = ------------ F, •

а„.о. с

т. е. уменьшение ширины зазора в стыке будет тем больше, чем больше будет площадь поперечного сечения шва F.

При остывании листов, что будет происходить уже после того, как шов будет наложен и приобретет упругие свойства, они должны будут укоротиться на величину А/?, а шов, осты­вая от температуры 600 до температуры окружающей среды,

должен будет укоротиться на величину

Ad = а-600 »d,

где d — средняя приведенная ширина шва.

Таким образом,' на длине В между закреплениями должно произойти укорочение, равное (после подстановки численных значений величин a, yj, с и U)

Д В + Д d = 9,4 ^ -f 0,072с?.

Напряжения в шве и в основном металле при этом будут

° = (9-4«Т»Н-°.07М)!’ о5)

где Е— модуль упругости.

При наложении второго слоя нагрев основного металла вы­зовет напряжения сжатия в шве и в основном металле, которые при остывании снимутся. В листах и в наплавленном металле останутся лишь напряжения, вызываемые уменьшением ширины шва при его остывании.

При применении прихваток уменьшения зазора в стыке вследствие нагревания основных листов не произойдет, так как этому будут препятствовать прихватки. Зато напряжения, вы­званные остыванием наплавленного металла, увеличатся, так как все деформации должны произойти только за счет наплавлен­ного металла. При этом напряжения в шве будут достигать предела текучести и сопровождаться пластическими деформа­циями растяжения, достигающими величины, равной при­мерно 1%.

Из приведенной выше формулы (15) следует, что в целях уменьшения напряжений необходимо увеличивать расстояние между закреплениями и уменьшать площадь поперечного сече­ния первого валика шва, что соответствует, в частности, тре­бованию технических условий на производство сварочных работ, где для первого слоя стыковых швов ограничивается диаметр электрода 3—4 мм.

Кроме отмеченных, в шве и в сваренных листах могут воз­никнуть напряжения, вызванные уменьшением угла раскрытия шва, о чем будет сказано ниже (гл. VII).