ТЕОРИЯ сварочных процессов

Схема образования деформаций и перемещений при сварке пластин встык

Рассмотрим случай сварки встык двух одинаковых по ширине пластин. Будем считать активной зоной ту часть сварного соеди­нения, в которой при нагреве происходят пластические деформа­ции укорочения, а пассивной - остальные части свариваемых пла­стин и закрепления (рис. 11.3, а). Зона пластического укорочения (активная зона) включает в себя кроме шва основной металл, тем­пература нагрева которого превысила некоторое значение Гт, зави­сящее от свойств металла (Гт повышается с ростом предела теку­чести от и снижается с ростом модуля упругости Е и коэффициен­та линейного расширения а) и от жесткости свариемых деталей

Рис. 11.3. Схема образования сварочных деформаций и напряжений при сварке пластин встык: а - активная и пассивная зоны (поперечное сечение активной зоны показано за­темнением); б, в - деформации и напряжения в активной зоне на стадиях нагрева

и охлаждения

(Тх снижается с ростом жесткости). При сварке пластин из малоуг­леродистой стали Тт обычно составляет 150...250 °С, т. е. активная зона может занимать существенную часть (до половины) всей ши­рины свариваемых пластин.

Если площади сечения активной и пассивной зон соизмеримы, то в сварном соединении возникают довольно большие наблюдае­мые деформации и перемещения. При нагреве металл активной зоны расширяется (рис. 11.3, б), и одновременно снижается его предел текучести ат. Расширение металла активной зоны происхо­дит по трем направлениям (вдоль шва, поперек шва и по толщине пластины) в разной степени (светлые стрелки на рис. 11.3, б).

При сварке пластин принято обозначать ось декартовой систе­мы координат, направленную вдоль шва (в сторону движения сва­рочного источника теплоты), Ох (см. схему на рис. 11.3, а). Ось Оу лежит в плоскости пластины и перпендикулярна к оси шва, ось Oz перпендикулярна к плоскости пластины.

Расширению в продольном направлении (вдоль оси Ох) препят­ствует пассивная зона. Расширению в поперечном направлении (вдоль оси Оу) препятствуют: сварочные приспособления, в кото­рых закреплены свариваемые детали; прихватки; ранее наложенные швы; остывающий, уже сваренный участок данного шва. Возни­кающие при этом продольные и поперечные силы (показаны тем­ными стрелками на рис. 11.3, б) действуют на активную зону и вы­зывают в ней временные напряжения сжатия по осям Ох и Оу. В пассивной зоне в продольном направлении Ох возникают времен­ные напряжения растяжения, а в поперечном Оу - временные на­пряжения сжатия. Наиболее свободно происходит расширение ак­тивной зоны в направлении Oz (по толщине пластины), в результате которого даже при сварке без присадки образуется характерная вы­пуклость сварного шва. Значительные пластические деформации, сопровождающие такое неравноосное расширение, возможны пото­му, что в нагретом металле понижен предел текучести.

При остывании активная зона возвращается к своему первона­чальному объему, одновременно в ней восстанавливается исход­ное значение предела текучести материала. Поэтому, несмотря на сопротивление пассивной зоны, сокращение активной зоны идет почти равномерно по всем трем осям (рис. 11.3, в).

В результате суммирования деформаций на стадиях нагрева и остывания сварное соединение становится короче в продольном направлении (вдоль оси Ох). Это явление называется продольной усадкой. В продольном направлении действуют остаточные сва­рочные напряжения: растягивающие в активной зоне и сжимаю­щие - в пассивной. Остаточные напряжения в активной зоне близ­ки к пределу текучести металла этой зоны. Остаточные напряжения в пассивной зоне тем выше, чем больше доля актив­ной зоны в поперечном сечении свариваемой пластины. Если эта доля достигает половины, то остаточные напряжения в пассивной зоне также достигают предела текучести.

Активная зона, а вместе с ней и все сварное соединение испы­тывают в результате сварки сокращение и в поперечном направле­нии - поперечную усадку. Остаточные напряжения в поперечном направлении (после освобождения пластины от закрепления) су­щественно меньше, чем в продольном.

Если сварка проводится в жестком контуре, т. е. свариваемые пластины не освобождаются от закрепления после сварки, то рас­пределение остаточных напряжений изменяется. В поперечном направлении закрепление препятствует усадке. Возникают оста­точные напряжения, которые тем выше, чем больше жесткость за­креплений и чем они ближе к шву. При малой ширине пластины между закреплениями поперечные напряжения достигают предела текучести. При этом продольные растягивающие напряжения в активной зоне снижаются, а продольные напряжения в пассивной зоне близки к нулю.

Усадка в плоскости пластины (продольная и поперечная) со­провождается увеличением толщины активной зоны - образовани­ем выпуклости шва. Поскольку расширение и сокращение металла по толщине происходит достаточно свободно, значительные на­пряжения в этом направлении возникают только при большой толщине свариваемых деталей и слабо влияют на искажения фор­мы и размеров сварных конструкций. Все искажения формы и раз­меров при сварке тонких пластин связаны главным образом с де­формациями активной зоны в плоскости пластины.

Нагрев пластин при сварке, как правило, происходит неравно­мерно по толщине пластин. Со стороны сварочного источника на­грев сильнее. Поперечная усадка с этой стороны также сильнее. В результате неравномерной по толщине поперечной усадки возни­кает угловая деформация - взаимный поворот свариваемых пла­стин вокруг продольной оси - оси шва (рис. 11.4, а). Если пласти-

ны закреплены, то возникают изгибающий момент, ось которого параллельна оси шва, и остаточные напряжения изгиба.

При сварке двух незакрепленных пластин разной ширины уко­рочение больше со стороны более узкой пластины. Вследствие этого происходит искривление сварного соединения в плоскости свариваемых пластин (рис. 11.4, б).