СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ЗОНА ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ ВСТЫК. УСАДОЧНАЯ СИЛА

На величину зоны пластических деформаций оказывают влия­ние режим сварки, свойства металла и жесткость свариваемого элемента. Влияние свойств металла проявляется главным образом через предел текучести металла, модуль упругости и коэффициент линейного расширения. Чем выше предел текучести металла, тем Уже зона пластических деформаций. Чем выше модуль упругости и коэффициент линейного расширения металла, тем шире зона пластических деформаций.

Основными параметрами режима сварки являются эффектив­ная удельная мощность и скорость сварки vc. При сварке

широких пластин с возрастанием удельной мощности увеличи­вается ширина зоны пластических деформаций. Изменение ско­рости сварки при постоянном и незначительном влиянии тепло­отдачи приводит к пропорциональному изменению размеров изо­терм без искажения их формы. С увеличением скорости сварки

при постоянном —■ ширина зоны пластических деформаций умень­шается.

Жесткость свариваемого элемента конструкции также может заметно влиять на ширину зоны пластических деформаций. До-

ЗОНА ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ ВСТЫК. УСАДОЧНАЯ СИЛА

Рис. 33. Эпюры временных и остаточных деформаций в зоне сварного соединения:

а — широкая (жесткая) пластина; б, в — узкая пластина

пустим, что на рис. 33, а линией ЛСС^ показана эпюра пласти­ческих деформаций ех, возникающих в процессе нагрева при сварке бесконечно большой пластины и вычисленных в предполо­жении мгновенной заварки шва. Сплошной линией АВВ1А1 по­казана эпюра остаточных упругих деформаций, а линией ВСС^ показана эпюра пластических деформаций, возникающих на ста­дии охлаждения. Ширина зоны пластических деформаций 2Ьп равна отрезку AAV

Рассмотрим, как будет изменяться зона пластических дефор­маций при сварке пластин конечной ширины, обладающих опре­деленной жесткостью. Расширение металла от нагрева вызовет при прохождении источника тепла некоторое удлинение пластины на величину Ан (рис. 33, б). Это, в свою очередь, повлечет за собой уменьшение ширины зоны пластических деформаций, которая будет выражаться отрезком DDl = 2ЬПі (см. рис. 33, б). При осты­вании возникнут в основном металле сжимающие напряжения и произойдет укорочение пластины на величину Аи (рис. 33, в). 54

Эпюра остаточных упругих деформаций показана на рис. 33, в. Б данном примере ширина зоны растягивающих напряжений 2ЬР меньше ширины зоны пластических деформаций 2ЬПі, которая, в свою очередь, меньше ширины зоны пластических деформа­ций 2Ьп при сварке абсолютно жесткой пластины. Таким образом, уменьшение жесткости детали, как правило, приводит к умень­шению ширины зоны пластических деформаций.

Эпюры деформаций, умноженные на модуль упругости ме­талла Е, дают эпюры остаточных напряжений [4]. Остаточные на­пряжения образуют так называемую усадочную силу Рус. Пло­щадь эпюры АВВ^! (см. рис. 33, а), умноженная на модуль упру­гости Е и толщину металла б, дает величину усадочной силы для случая сварки абсолютно жесткой пластины. В случае сварки пластины небольшой ширины (см. рис. 33, в) усадочная сила будет равна площади эпюры DEEJ)^ умноженной на ЕЬ. Не следует смешивать эпюру FEE^i, выражающую деформации и растяги­вающие напряжения, с площадью эпюры DEEJ)^ пропорциональ­ной усадочной силе.

Определение ширины зоны пластических деформаций и вели­чины усадочной силы Р^ при сварке является основной задачей в теории сварочных напряжений и деформаций. Зная решение этой задачи, можно определить распределение остаточных напря­жений, а используя понятие об усадочной силе, можно перейти к определению деформаций сварных конструкций.

В книге И. П. Трочуна [111] методы расчета сварочных на­пряжений и деформаций разделены на две основные группы: 1) расчет остаточных напряжений и деформаций по внутреннему усилию в сварных швах (метод Г. А. Николаева) и 2) расчет де­формаций и напряжений по деформациям волокон в свариваемых деталях. В книге [111] эти методы противопоставлены друг другу и первый метод признан ошибочным. В этой связи следует заметить, что при существующей в настоящее время точности опре­деления сварочных напряжений и деформаций приближенными способами, а также при большом количестве принятых допущений ;;оба названных метода практически равноценны.

Метод расчета сварочных напряжений и деформаций по уса­дочному усилию признан ошибочным в книге [111] на том осно­вании, что он, якобы, «таит в себе существенные теоретические и практические недостатки» и принимает, «что активное внутрен­нее усилие Р считается приложенным к сварному соединению как к теду, свободному от напряженного состояния». Известно, что прием нагружения детали силой Р отнюдь не означает, что сварное соединение является свободным от напряженного состоя­ния, а используется исключительно для упрощения расчетов и
приведения их к виду, привычному для инженерной практики. Упрощенный метод Н. О. Окерблома в конечном итоге также ос­нован на использовании усадочной силы и на предположении не­зависимости ее от жесткости детали, так как [19][5]

(80)

2^ = -3,53-10-4,

где

qn — эффективная погонная энергия сварочного источника тепла в кал/см;

2 V — сумма произведений остаточных пластических дефор­маций на площадь, занимаемую ими, в см2.

Действительно, площадь DEE1D1 (см. рис. 33, в), пропорцио­нальная усадочной силе, отличается от площади ABByAx (см. рис. 33, а) тем, что в состав ее входит площадь ВЕЕ1В1 и не входит

Рис. 34. Эпюры остаточных деформаций в случае, когда остаточные напряжения не достигают от

ЗОНА ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ ВСТЫК. УСАДОЧНАЯ СИЛА

площадь ADDlA1. Если пло­щадь BEEiBx равна пло­щади ADDxAx, то усадочная сила не зависит от жесткости F, детали. Строгого доказатель-

£)] ] II ства равенства этих площа - I дей друг другу нет, точно

так же, как и нет доказа­тельства того, какая в дей­ствительности существует зависимость между ними. Н. О. Окерблом в работе [86], предполагая, что кри­вая АС (см. рис. 33, а) описывается гиперболой и что Дн = получил равенство площадей АВВхАх и ДЕДДД. И. П. Трочун исходит из другой также не совсем точной предпосылки, что кри­вая АС является прямой вертикальной линией. В этом слу­чае Sadd1a1 — 2bnAH, a SBee, b, =2bn (Д„ + ДД и разность пло­щадей получается равной 2ЬпАу, т. е. усадочная сила возрас­тает с уменьшением жесткости детали.

В настоящее время получают распространение металлы, у ко­торых о0Ст < оТ, например титановые сплавы. Для них картина зависимости усадочного усилия от жесткости детали может быть совсем иная. На рис. 34, а схематично показана эпюра остаточ­ных деформаций в абсолютно жесткой пластине из титанового сплава типа ОТ4; етах < гт.

На рис. 34, б показана эпюра остаточных деформаций при сварке пластины ограниченной ширины. Усадочная сила, пропор­циональная площади DBBxDx, меньше усадочной силы при сварке абсолютно жесткой пластины. Даже если исходить из предпо­сылки о вертикальности линии АВ, то величина усадочной силы

будет уменьшаться в менее жестких пластинах. Таким образом, в зависимости от конкретных условий могут встречаться различ­ные случаи изменения усадочной силы с изменением жесткости конструкций. В низкоуглеродистых и низколегированных сталях усадочная сила возрастает при уменьшении жесткости конструк­ции. Это вытекает из опыта применения зажимных приспособлений.

Рассмотрим теперь существующие зависимости величины уса­дочной силы от условий сварки, предложенные различными ав­торами.

Метод Г. А. Николаева [82] основан на графо-аналитическом определении величины остаточных напряжений и последующем вычислении усадочной силы по эпюре напряжений.

Н. О. Окерблом предложил зависимости между параметрами режима сварки низкоуглеродистой стали и суммой произведений остаточных пластических деформаций на площадь, занимаемую ими, 2 ^F. После умножения последней величины на модуль упру­гости Е получаем усадочную силу в кГ:

ЗОНА ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ ВСТЫК. УСАДОЧНАЯ СИЛА

(81)

Аналогичная зависимость принята С. А. Кузьминовым

ЗОНА ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ ВСТЫК. УСАДОЧНАЯ СИЛА

(82)

И. П. Трочун также предложил зависимости между усадочной силой и режимом сварки [111]. Однако отсутствие четкой коли­чественной связи между усадочной силой и шириной свариваемой пластины делает их неудобными для практического использо­вания.

Фактическая величина усадочной силы, определяемая по ре­зультатам измерения остаточных напряжений на низкоуглероди­стых и низколегированных сталях, дает меньшую величину, чем следует из формулы (81). Это, вероятно, связано с тем, что экспери­ментальные проверки формулы (81) проводились в предположе­нии несколько заниженного к. п. д. процесса сварки, который при­нимался равным 0,55.

При дуговых способах однопроходной сварки встык ширина зоны пластических деформаций в низкоуглеродистых и низколе­гированных сталях может приближенно определяться путем де­ления величины усадочной силы на произведение 8<тг. Например, из формулы (81) следует

Зависимости (81) и (82) справедливы лишь для низкоуглеро­дистых н низколегированных сталей. Для алюминиевых и тита­новых сплавов эти зависимости непригодны.

Поперечные напряжения могут быть временные и остаточные. Временные поперечные напряжения в основном образуются вслед­ствие перемещений свариваемых кромок. Кромки после сближения и сваривания стремятся возвратиться в прежнее положение. При высоких температурах это вызывает пластическую деформацию удлинения без образования значительных напряжений. При более

ЗОНА ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ ВСТЫК. УСАДОЧНАЯ СИЛА

ЗОНА ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ ВСТЫК. УСАДОЧНАЯ СИЛА

Рис. 35. Распределение поперечных напряжений ау в стыковых однопроходных сварных соединениях

ЗОНА ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ ВСТЫК. УСАДОЧНАЯ СИЛА

ЗОНА ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ ВСТЫК. УСАДОЧНАЯ СИЛА

низких температурах отход кромок создает заметные временные поперечные напряжения.

После полного остывания вследствие поперечного, а также продольного сокращений в пластинах возникают остаточные по­перечные напряжения. Как правило, если пластины свариваются свободно, то поперечные остаточные напряжения нев/лики. Наи­больших значений они достигают по концам, причем могут быть либо сжимающими, либо растягивающими. Сжимающие напря­жения (рис. 35, а) образуются вследствие продольного сокращения зоны пластических деформаций и стремления кромки искривиться так, как показано на рис. 35, б.

При сварке коротких и узких пластин с большой скоростью в процессе остывания в основном происходит поступательное 58

сближение пластин в поперечном направлении. Продольная усадка стремится согнуть каждую из сваренных пластин в их плоскости. В результате возникают поперечные остаточные на­пряжения (рис. 35, в). В подтверждение этого можно рассмотреть равновесие одной четвертой части сварной пластины (рис. 35, г). Момент от продольных остаточных напряжений ох должен урав­новешиваться моментом от поперечных напряжений ау, которые по концам пластины являются сжимающими, а в средней части растягивающими.

Если сваривать пластины с малой скоростью, то уже в про­цессе сварки металл остывает достаточно сильно и последний уча­сток шва вследствие поперечной усадки испытывает напряжения растяжения (рис. 35, д). На образование поперечных напряжений оказывают влияние также размеры свариваемых пластин и при­хватки. Каких-либо общих правил для точного количественного определения поперечных остаточных напряжений при сварке не­закрепленных по контуру пластин в настоящее время не суще­ствует *. Можно лишь назвать наиболее неблагоприятные случаи образования растягивающих поперечных напряжений, которые достигают предела текучести и вызывают пластические деформации:

а) Заварка коротких прерывистых швов в пластинах, собран­ных без зазора, или подварка дефектных мест. Локальное попереч­ное сокращение металла при значительном сопротивлении со сто­роны остальных участков создает большие растягивающие напря­жения. В прерывистых швах на концах участков, где имеются концентраторы напряжений в виде щели, значительно расходуется пластичность металла вплоть до появления хрупкого разрушения.

б) Концы швов, сварочные кратеры, если сварка производится медленно при достаточно сильном отводе тепла в окружающую среду, являются местом образования растягивающих напряжений.

Если ввод тепла по толщине пластины оказывается неравно­мерным, то возникает и неравномерное сокращение металла в по­перечном направлении с образованием угловой деформации (п. 30). В незакрепленных пластинах, свариваемых за один проход, на равномерные по толщине напряжения ау, которые были рассмо­трены выше, накладываются еще дополнительные небольшой ве­личины поперечные напряжения, неравномерные по толщине (рис. 35, в).

СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

Сварка монтажных стыков

Как отмечалось выше, при стыковании на монтаже двух сек­ций конструкции условия для выполнения сварки являются наиболее тяжелыми. Выполнение сварки всего сечения одно­временно— совершенно невозможно, а поэтому после наложения части швов …

Влияние методов выполнения шва

Если на общие деформации сварных конструкций большое влияние оказывает последовательность наложения отдельных швов, то на местные деформации и деформации из плоскости свариваемых листов существенное влияние оказывает метод выполнения каждого шва. …

Влияние последовательности наложения швов

Как отмечалось выше, при сварке сложных составных сече­ний и конструкций характер возникающих деформаций зависит от порядка наложения швов. Поэтому одним из основных средств борьбы с деформациями при изготовлении сварных конструкций …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.