СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

Характер напряжений, возникающих при сварке встык

Отмеченный в предыдущих параграфах характер деформаций свариваемых листов определяет и возникающие при сварке на­пряжения. Хотя величина напряжений в свариваемых элементах еще не характеризует прочности элемента, так как помимо упру­гих деформаций имеют место и пластические деформации, не учитываемые величиной напряжений, но существенно отражаю­щиеся на прочности конструкции, тем не менее знание характера распределения напряжений, возникающих при евнрке, является необходимым для общей оценки работы конструкции под нагруз­кой.

Распределение продольных напряжений (направленных парал­лельно шву) в сечениях, перпендикулярных оси шва, приведено на рис. 119 для случаев, когда свариваются две равные по ши­рине полосы, когда одна из свариваемых полос уже другой и когда одна из свариваемых полос отсутствует (случай наплавки па кромку). На рис. 119, а приведены диаграммы тепловых де­формаций X и действительных деформаций Д в случае наплавки валика на кромку полосы для двух моментов времени: для мо­мента, соответствующего наибольшему нагреву (сечение с наи­большей шириною зоны распространения температур выше 600°), и для момента полного остывания. Кроме того, там же приве­дены эпюры распределения остаточных напряжений о в рассма­триваемом сечении после полного остывания полосы. Нижняя эпюра остаточных напряжений соответствует таким размерам полос и таким тепловым режимам наплавки, при которых полу - 136

чается широкая зона разогрева (больше 0,15 от полной ширины полосы). Вторая (снизу) эпюра остаточных напряжений соответ­ствует таким размерам полос и таким тепловым режимам наплавки, при которых ширина зоны разогрева не нревосходит 0,15 ширины полосы.

Если вместо наплавки валика на кромку полосы к ней при­варить узкую полоску шириною Л2</г1 (рис. 119, б), то в момент наибольшего нагрева полоса шириною hy (в случае такого же распределения температуры, как и при наплавке на кромку)

будет иметь те же действительные деформации, как и при на­плавке на кромку, так как в этотмомент времени в рассматривае­мом сечении узкая полоса (h„) никакого влияния на широкую полосу (Лз) не оказывает из-за пластичности металла шва, нагре­того свыше 600° на всем протяжении от рассматриваемого сече­ния до дуги. Соответственно широкая полоса не оказывает ни­какого влияния на деформации полосы шириною hn_.

После окончания сварки и полного остывания сваренных полос их напряженное состояние определится теми действительными деформациями, которые будут иметь обе полосы. Если ширина узкой привариваемой полосы достаточно мала, то, как указыва­лось выше, она почти не окажет влияния на деформации широ­кой полосы, которая изогнется лишь немногим меньше, чем в случае наплавки на кромку. В то же Бремя узкая полоса не сможет

распрямиться хотя бы на столько, на сколько она распрямляется при сварке с полосой одинаковой с ней ширины. В результате напряжения будут иметь вид, приведенный на второй снизу эпюре. В случае большей ширины h.2 широкая полоса не сможет изо­гнуться в обратную сторону, и эпюра конечных напряжений пред - Зтт „тНлЬиЬа ставится нижней эпюрой. Таким обра-

нопрямений^ зом, на наружной кромке широкой

плиты могут быть как напряжения

растяжения, так и напряжения сжатия, в то время как наружная кромка узкой полосы всегда остается сжатой.

Наконец, при сварке полос равной ширины (k2 = hl) дефор­мации обеих полос будут одинаковыми и эпюры напряжений

будут симметричными относи­тельно оси шва (рис 119, б); ниж­няя эпюра относится к случаю сварки более широких листов.

Из приведенных эпюр видно, что в районе шва почти во всех случаях продольные напряжения равны пределу текучести растя­жения, а в некоторых случаях (при сварке узких полос с широ­кими) и на наружных кромках узких полос напряжения равны пределу текучести сжатия.

Распределение продольных напряжений вдоль оси шва в свар­ной бесконечной пластине представилось бы прямой линией. В пластине конечной длины распределение продольных напря­жений по оси шва представится эпюрой, приведенной на рис. 120, а.

Поперечные напряжения сильно зависят от метода наложения шва, но характер их распределения но ширине листа таков, что наибольшей величины они достигают у оси шва, быстро умень­шаясь по мере удаления от шва (рис. 120, tf).

Распределение поперечных напряжений вдоль оси шва может сильно меняться в зависимости от метода наложения шва, о чем
будет сказано ниже (§ 67). При сварке встык двух свободных листов равной ширины в шве возникают напряжения, эпюра кото­рых по длине шва имеет вид, приведенный нарис. 121. В случае, если бы они не превосходили предела текучести, их эпюра имела бы вид, представленный на рис. 121, с. При возникновении пла­стических деформаций эпюра приобретает вид, показанный на рис. 121, <5. Более точно эпюра напряжений может быть опреде­лена путем наложения деформаций, вызываемых изгибом, на деформации, определяемые изменением ширины шва.

При достаточно широких полосах влиянием изгиба можно пренебречь, и тогда напряжения в шве будут определяться только изменениями ширины шва в процессе наложения шва. Предпо­лагая укорочение каждого отдельного участка по длине шва одинаковым, Фридлендер [31] определил те напряжения, которые возникнут в шве в связи с неодновременным наложением отдель­ных участков шва.

Рассматривая ранее выполненную часть шва как элемент, под­вергающийся внецентренному сжатию (рис. 122) силами, вызван­ными укорочением элементарного участка шва длиной dx, полу­чим напряжения do'z в сечении, расположенном в расстоянии z от начала шва, в виде

где р— напряжение в сечении х от укорочения шва.

Полные напряжения <r'v от всего шва на протяжении от z до L составят

4=jV(^--)-jV=4-3inf+6f-6)+

z г

+/>1пу-р(-21п | + 6 * —6 ■

Если к напряжениям o'z добавить собственные напряжения растяжения <j" = tp, то суммарные напряжения составят:

ог=р (_21n| + 6f-5).

Распределение напряжений аг по длине шва представлено на рис. 122, б. В приведенных выше расчетах предполагалось, что в шве будут иметь место только упругие деформации, в дей­ствительности же будут и пластические деформации, которые изменят конечную эпюру поперечных напряжений в шве.

Следует обратить внимание на то, что характер эпюры попе­речных напряжений от изменений ширины шва противоположен эпюре распределения поперечных напряжений от изгиба свари­ваемых полос. При полосах не очень большой ширины будут действовать и те и другие напряжения, сумма которых может дать эпюру, весьма сильно зависящую от размеров свариваемых полос.

Приведенные данные дают представление о распределении продольных и поперечных напряжений в сваренной пластине от наложения однослойного шва. Влияние последующих слоев рас­сматривается в гл. VIII, так как наложение второго слоя анало­гично наплавке валика на пластину, имеющую начальные на­пряжения.