СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ВРЕМЕННЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ОТ СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ[9]

При сварке металла, испытывающего структурные превраще ния, последние оказывают существенное влияние на характер про­текания временных деформаций. Металл вблизи шва нагревается до температур, превышающих температуру начала аустенитного

превращения. На рис. 72 ширина этой зоны обозначена буквой /. Повышение температуры с определенной скоростью, как это имеет место при сварке, несколько смещает точки ACl и Ас, в область более высоких температур, но для электрошлаковой сварки с от­носительно малыми скоростями нагрева для расчета сварочных деформаций можно полагать, что смещения температур при на­греве не происходит, и принимать значения Ас, и Ас,, получен­ные в процессе изотермического превращения.

При остывании металла в зависимости от термического цикла и марки стали критические точки АГз и АГі смещаются в область более низких температур. Превращение а -> у сопровождается уменьшением объема металла, а обратный процесс у -> а — увели­чением объема металла.

При температуре Тн начинается процесс превращения у а, а при температуре Тк он завершается. Величина деформации струк­турного превращения условно выражает­ся отрезком ес (см. рис. 5, б). Временные деформации от структурных превращений оказывают заметное влияние лишь при сварке с зазором, как это имеет место при электрошлаковом процессе.

Для определения деформаций, вызы­ваемых структурными превращениями, не­обходима некоторая схематизация протека­ющих процессов. Будем полагать, что ши­рина зоны структурных превращений / опре­деляется положением изотермы АСс —

= ——=. что изменение объема металла ес происходит

в области, ограниченной изотермами Тн и Тк, равномерно по всей ее длине (см. рис. 72). Обработка дилатограмм для определения Тн, Тк и ес содержит некоторую условность. Для определения Тн на дилатограммах (см. рис. 5, б) проводим касательную прямую, соответствующую среднему коэффициенту линейного расширения без структурных превращений а = 16,7• 10~6 l/град. Точку каса­ния N принимаем за температуру начала структурного превраще­ния.

Температуру Тк находим по точке сопряжения участка прямой с кривой линией (точка К)- Для определения ес из точки К прово­дим прямую параллельно первой прямой, проходящей через точку N. Расстояние между параллельными прямыми в направле­нии оси є принимаем за величину гс.

В табл. 6 приведены результаты исследования сталей некото­рых марок при термических циклах оси шва. Так как различные режимы сварки дают различные термические циклы, получение 100

дилатограмм было проведено при трех расчетных термических циклах, соответствующих следующим режимам сварки:

Режим I: = 2140 дж/см-сек-, vc = 0,55 м/ч = 0,015 см/сек-, X =

о

SHAPE * MERGEFORMAT

^ 0,376 дж/см ■ сек■ град', а = 0,08 смг/іек су = 4,7 дж/см3град

Режим II:

Режим III: 4=2090 дж/см-сек-, о

tfc = 0,7 м/ч = 0,0194oi/ce«; =

= 0,05.

Термические циклы оси шва для принятых трех ре­жимов показаны на рис. 73.

Образцы при определении дилатограмм нагревали до Т = 1000° С, выдерживали

5— Ю мин, а затем охлаж­дали по определенному тер­мическому циклу. Несоответ­ствие принятого термичес­кого цикла на стадии на­грева действительному, безусловно, вносит некоторую погреш­ность в определение значений Тн, Тк и е„ однако для расчета сварочных деформаций эти погрешности невелики.

Подавляющее большинство термических циклов электрошла - ковой сварки имеет промежуточные значения между циклами I и III. На рис. 74 приведена номограмма для определения терми­ческих циклов при сварке с учетом теплоотдачи, зависящей от температуры (п. 28). Для построения термического цикла необхо-

. Г2ла6

димо вычислять безразмерные параметры —-—, а затем нахо-

дить > где h — длина заваренного шва. После определения

термического цикла можно установить, какому из трех приведен­ных циклов ближе всего соответствует фактически осуществляе­мый цикл, и затем воспользоваться соответствующими данными

табл. 6. В случае отсутствия данных необходимо определять дила - тограмму металла.

Рассмотрим процесс образования временных структурных де­формаций. До тех пор, пока температура начала шва будет выше Тн, деформации от структурных превращений возникать не будут. После достижения температуры Тк зона структурных превраще­ний, показанная на рис. 72 штриховкой, начнет «входить» в пла­стину. В момент достижения температуры Тк в начале шва закон­чится первая стадия — стадия роста зоны превращений. Затем начнется вторая стадия — продвижение зоны структурных пре­вращений в полном объеме.

Пока центр тяжести зоны структурных превращений будет находиться ниже нейтральной линии заваренного участка шва, расширение металла от структурных превращений будет вызывать изгиб заваренного участка с образованием угловых деформаций, 102

приводящих к закрыванию зазора. После перехода центра тя­жести зоны структурных превращений через нейтральную линию возникнут угловые деформации, приводящие к открыванию за­зора.

В качестве иллюстрации могут быть приведены деформации при сварке стыка № 1 плиты из стали 20ГС толщиной 540 мм

(рис. 75). Хотя в данном случае возникают и температурные де­формации, а также действуют закрепления в виде скоб, значи­тельно уменьшающие деформации, качественно картина осталась без искажений. Скобы представляли динамометры, которые реги­стрировали величину возникающих усилий.

В начальный период в скобе действует растягивающее усилие, уравновешивающее момент от веса висящей пластины. Происхо­
дит некоторая температурная поступательная деформация сбли­жения свариваемых пластин. Так как скоба не позволяет пласти­нам сближаться в верхней части шва, то происходит поворот с опусканием конца плиты (кривая /). С высоты шва 200—250 мм при t = О30 в нижней части шва появляется зона структурных превращений. Зазор в верхней части закрывается быстрее, усилие в скобе становится сжимающим, а конец плиты поднимается. При высоте шва около 600—650 мм зазор начинает открываться, сжимающее усилие в скобе уменьшается. Этот момент соответ­ствует переходу зоны превращений через нейтральную линию. В данном примере из-за большой толщины плиты, и как следствие,

малого критерия температурные деформации незначительны.

Рис. 76. Перемещение точек на базе А (А) и концов пластин Д и /2 при сварке подштамповон плиты, стык № 1

Характер деформаций в основном зависит от структурных превра­щений.

В другом случае (рис. 76) при сварке пластины из стали 34ХМ (6 = 600 мм) вначале деформации незначительны и устраняются скобами. С высоты шва около 600—700 мм появляется зона струк­турных превращений; деформации резко возрастают. По мере при­ближения зоны превращений к середине длины заваренного шва деформации уменьшаются, а при длине шва около 1800 мм, когда возможно открывание зазора, деформации прекращаются. Таким образом, структурные деформации существенно зависят от марки стали и термического цикла сварки.

Рассчитать структурные деформации можно, используя тео­рию кривого бруса, с учетом переменного модуля упругости по длине заваренного шва. Для этого свариваемые пластины следует представить в виде кривого бруса с отношением радиусов кривизны 1 : 5 (рис. 77, а). Такое видоизменение необходимо потому, что участвующая в деформации часть пластины в зоне заваренного соединения при изгибе сопротивляется как кривой брус. Часть
шва до изотермы 1300° С длиной h0 из расчета можно исключить, так как ее модуль упругости близок к нулю.

Зависимость модуля упругости от распределения температур по длине заваренной части шва (п. 28) от Т = 300° С до Т = = 1300° С может быть представлена формулой (112). Расчет со­стоит из определения: а) угловых структурных деформаций в про­цессе образования зоны превращений в нижней части пластины [17] и б) угловых структурных деформаций при продвижении

зоны превращений по заваренной части соединения (например, в положении, показанном на рис. 77, а). Для использования номо­граммы на рис. 77, б необходимо знать величины /г0, hH, hK и /. Величины h0, hH и hK находят по номограмме на рис. 74 в зависи­мости от Тн и Тк, определяемых по табл. 6.

Для приближенного определения ширины зоны разогрева I до температур структурного превращения можно пользоваться номограммой на рис. 78. Для сталей перлитного класса темпера - А + А

тУРа с' 2—“ колеблется обычно в пределах 770—800° С.

Помимо угловых деформаций, структурные превращения вызы­вают также и поступательные деформации, которые невелики; ими можно пренебречь.

Характер кривых изменения угла поворота 0С (рис. 77, б) ука­зывает на определенную закономерность структурных угловых деформаций. Во всех случаях образование зоны структурных
превращений в начале шва вызывает закрывание зазора. Если длина завариваемого шва значительная, то может начаться откры­вание зазора. В сталях Ст. З, 20ГС и им подобных обычно после заварки шва длиной 500—700 мм открывание зазора происходит от структурных деформаций. Открывание возможно лишь в том случае, если угловые температурные деформации закрывания зазора не преобладают над структурными деформациями. В про­тивном случае открывание зазора будет компенсироваться темпе - ратурными деформациями.

~я В сталях типа 34ХМ, 15ГН2М, 15ГН4М

структурные деформации начинают прояв­ляться поздно, а открывание может начаться лишь при к > 150 см. При этом темп де­формаций открывания зазора вследствие большой длины заваренного шва обычно не­значителен и часто компенсируется темпе­ратурными деформациями. В таких случаях на протяжении всего шва происходит закры­вание зазора. При сварке пластин с подогре­вом в расчетах по номограммам необходимо вводить температуру подогрева.

Структурные деформации Тем более зна­чительны, чем раньше они начинаются. Однако при небольшой длине заваренного 0 1 2 з ь 5 6^ шва онн легко устраняются сопротивлением ‘0 момента от веса деталей или скобами и

Рис. 78. Номограмма «сухарями». Поэтому когда при сварке низ-

для определения ши - коуглеродистых сталей большой толщины

пины зоны нагрева г

н ^ закрывание устраняют различными прие­

мами, внешне наблюдается только стадия открывания зазора. Если до некоторой длины шва h деформа­ции были устранены, то по номограмме на рис. 77, б деформа­ции следует определять от длины шва h.

В некоторых сталях, например 15Г2СМФ (табл. 6), могут на­блюдаться две зоны структурных превращений. Структурные де­формации имеют более сложный характер.