ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Напряжения и деформации от поперечной усадки при сварке стыковым швом закрепленных пластин

Образование поперечной усадки сварного шва может осуще­ствляться в тех случаях, когда свариваемые детали под дейст­вием внутренних (усадочных) поперечных усилий могут свободно перемещаться в направлении, перпендикулярном линии шва.

В практических условиях изготовления сварных конструкций поперечное перемещение свариваемых деталей часто ограничива­ется связями, препятствующими поперечному сокращению шва в процессе остывания. Такими связями являются прихватки, по­ставленные при сборке отдельного узла или целой конструкции, ранее выполненные сварные швы изготовляемой конструкции, особые конструктивные формы отдельных узлов или целой кон­струкции, например, упругое противодействие стенки обечаек из листов средней и большой толщины свободному поперечному сокращению продельного шіва, швы замкнутых контуров и дру­гие поперечные закрепления свариваемых деталей и узлов. В не­которых случаях характер закрепления свариваемых деталей такой, что податливость их в поперечном направлении относи­тельно оси шва либо весьма ограничена, либо совсем невозмож­на. Такие закрепления, препятствуя поперечному сокращению шва, приводят обычно к образованию. в сварном шве высоких остаточных напряжений поперечного растяжения. Так, при сварке стыковым швом закрепленных узких пластин и коротких стерж­ней или при заварке разрывов и трещин в жестких контурах, поперечные напряжения растяжения,© сварном шве часто дости­гают предельных значений и приводят к появлению либо холод­ных трещин, либо разрывов при остывании шва.

Таким образом, во всех случаях сварки стыковых швов, в ко­торых перемещение свариваемых деталей под действием попе­речной усадки - ограничено теми или иными препятствиями, возни­кают остаточные напряжения поперечного растяжения. Так как напряжения растяжения, вызванные в сварном шве продольной усадкой, обычно достигают предела текучести от, то появление напряжений растяжения от поперечной усадки создает в сварном соединении или сварной конструкции остаточные напряжения растяжения по двум координатным осям, т. е. остаточную плоско­стную напряженность. Как известно, высокая плоскостная напря­женность понижает работоспособность сварных соединений и сварных конструкций, часто приводя к хрупкому разрушению особенно при низких температурах. На практике всегда стре­мятся, чтобы свариваемые стыковым швом пластины могли сво­бодно перемещаться в своей плоскости под действием попереч­ной усадки.

На образование поперечных напряжений растяжения и де­формаций от поперечной усадки в стыковых швах, помимо не­равномерности нагрева и неодновременности остывания металла шва, наибольшее влияние оказывают внешние закрепления. Пос­ледние препятствуют свободному перемещению свариваемых пла­стин при сокращении ширины шва от действия поперечной усад­ки, увеличивая в сварном шве поперечные напряжения растя­жения.

Внешними закреплениями будем считать не только приложен­ные к деталям перед сваркой внешние силы или внешние связи, препятствующие свободному сокращению ширины шва зо время его остывания, «о также ранее - выполненные другие швы изготов­ляемой конструкции, которые препятствуют свободному образо­ванию поперечной усадки шва.

Для установления общих количественных зависимостей о вли­янии поперечных закреплений пластин и параметров сварки на величину поперечных напряжений необходимы многосторонние теоретические и экспериментальные исследования. Здесь мы

«г

Фиг. 67. Напряжения от поперечной усадки при стыковой сварке закрепленных пластин:

а — стыковой шов на закрепленных пластинах; 6 — эпюра остаточных поперечных напряжений растя­жения при одновременном остывании шва по дли-1 не; в — эпюра остаточных поперечных напряжений растяжения при неравномерном остывании шва по длине.

шов за один проход, нагрев основного ме - источника тепла и температура любой точки по толщине металла как в процессе нагрева, так и в процессе остывания одинаковая. При большой скорости сварки принимаем, что нагрев металла по всей длине шва произведен почти одновременно и переход наиболее нагре­тых точек шва из пластического состояния в упругое при осты­вании шва тоже считаем одновременным.

Если бы пластины не были закреплены, то после сварки ши - . рина соединения сократилась бы на величину свободной попе­речной усадки, определяемой по формуле (158 а).

В нашем случае, ввиду наличия закреплений (фиг. 67) пла­стины не могут свободно перемещаться под действием попереч­ной усадки прій остывании шва, и в нем возникнут поперечные

напряжения растяжения, величина которых определяется по формуле

(160)

где Ауо — величина свободной поперечной усадки сварного шва;

В— база закрепления свариваемых пластин;

Е — модуль упругости металла.

Если освободить сварное соединение от закреплений в попе­речном. направлении, то напряжения растяжения, вызванные в сварном шве поперечной усадкой, исчезнут, а ширина сварного соединения уменьшится на величину поперечной усадки АУо.

Величина поперечной усадки Ауо при сварке стыковым швом закрепленных пластин зависит от распределения температуры по поперечному сечению сварного соединения в момент перехода наиболее нагретого металла из пластического состояния в упру­гое, т. е. с того момента времени, когда температура шва в про­цессе остывания снизится до 600° С.

К этому моменту тепло проникает в основной металл на ши­рину у (фиг. 67, а). Наибольшая температура 7тах = 600°С перешедшего в упругое состояние металла будет, очевидно, !на оси шва. По мере удаления от оси шва температура будет пони­жаться и на расстоянии у будет равна температуре Т0 на ос­тавшихся холодных участках металла.

В процессе остывания сварного шва температура постепенно выравнивается, и градиент температуры в поперечном направле­нии сварного соединения постепенно понижается.

Помимо формулы (158 а) для определения поперечной усадки в первом приближении можем принять распределение температу- туры іна ширину у прямолинейным (фиг. 67, а). Поперечное сокращение Ai участка у после остывания до температуры окру­жающей среды равно

(161 а)

где То — температура окружающей среды.

Поперечная усадка сварного соединения после полного осты­вания шва может быть определена по формуле

До — 2Ді — a (Tmax Т0)У1.

В сварном соединении образуются остаточные напряжения поперечного растяжения, вызванные реактивным действием за­креплений. 'В зависимости от базы закрепления В и режима сва­рочного нагрева величину остаточных напряжений поперечного растяжения определим, пользуясь формулами (160) и (1616)

На ф'иг. 67, б показана эпюра напряжений растяжения от по­перечной усадки при сварке стыковым швом закрепленных плас­тин в допущении, что сварка производилась с большой скоростью и что переход металла шва из пластического состояния в упругое произошел одновременного всей длине шва. При малой скорости сварки по причине неодновременного перехода металла шва из пластического состояния в упругое, равномерность распределения остаточных поперечных напряжений по длине шва 'несколько на­рушается. Начало шва раньше перейдет в упругое состояние, чем конец его, и поперечные усадочные усилия на конце шва будут влиять на понижение остаточных напряжений в начальных участ­ках шва. Эпюра поперечных напряжений растяжения в этом слу­чае будет. иметь вид, показанный на фиг. 67, в.

Величину базы закрепления, при которой остаточные напря­жения растяжения от поперечной усадки достигнут предела те­кучести от> определяем по формуле (162) при значении о2 = <*т-

в = а{Ттп*~То) УіЕ (163)

ст

При обычных режимах сварки ширина участка у в момент перехода металла шва из пластического состояния в упругое рав­на примерно 100—200 мм. Вследствие этого при сварке сталь­ных пластин база закреплений, при которой остаточные напряже­ния поперечного растяжения не будут превышать предела теку­чести, должна иметь такие значения:

1) при уі = 100 мм ’и от =2500 кГ/см2

D «МГтах-Л))£ 12 • 10* • 100 (600 - 20) • 2 ■ 10* ....

В — - — 2500 ~ 550 ММ’

т

2) при у 2 = 150 мм и от =2500 кГ/см2.

О _ 12. Ю—6 • 150(600-20) . 2 • 10“ оос — 2500 — м>м>.

При более коротких базах закрепления свариваемых стальных пластин остаточные напряжения растяжения от поперечной усад­ки, согласно формуле (162), могут превышать предел текуче­сти стали и может произойти разрыв сварного соединения. Что­бы избежать разрыва при укороченных базах закрепления, необ­ходимо выполнять сварной шов электродами, имеющими высокие пластические свойства. Тогда в процессе остывания металл шва будет пластически удлиняться и остаточные напряжения не до­стигнут его предела прочности.

На практике в целях уменьшения остаточных поперечных нап­ряжений растяжения при - изготовлении сварных конструкций не­обходимо стремиться, чтобы база закрепления стыковых соеди­нений была возможно больше. Для этого при сборке конструкций, в которой имеются угловые и стыковые швы, прихватки на угло­вых швах следует ставить примерно на расстоянии 500 мм и более до места стыка, причем стыковые швы выполнять в первую оче­редь, так как в противном случае другие швы будут служить внешними закреплениями, препятствующими свободной попереч­ной усадке стыкового шва.

Если после сварки освободить сварное соединение от внеш­них закреплений, то образовавшиеся напряжения поперечного растяжения, определяемые по формуле (162), исчезнут, и свар­ное соединение сократится на величину, соответствующую зна­чениям исчезнувших напряжений растяжения.