ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Определение зоны активных напряжений при сварке по методу

автора

Зоной активных напряжений при сварке считаем металл шва и прилегающий к нему основной металл, в котором при нагреве образовались деформации пластического сжатия. При остывании шва волокна зоны активных напряжений не могут свободно уменьшать свою длину ввиду препятствий со стороны соседних холодных и малонагретых участков металла. После полного остывания шва зона активных напряжений будет растянутой, а со­седние участки металла сжатыми, создавая напряженное состоя­ние и вызывая деформирование сварного изделия. В преобладаю­щем большинстве практических случаев сварки остаточные нап­ряжения растяжения от продольной усадки в зоне активных напряжений равны пределу текучести металла ат, так как сече­ние этой зоны обычно меньше половины поперечного сечения сварного соединения.

Практический интерес представляет определение остаточных активных внутренних усилий, остаточных деформаций в сварных изделиях и распределение остаточных напряжений. Величина ос­таточного активного внутреннего усилия, создаваемого сваркой и действующего вдоль оси шва, определяется по формуле [71]

Р = oTFc, ' (89)

где Fc — сечение зоны активных напряжений сварного шва;

от — остаточное активное напряжение осевого растяжения от продольной усадки, обычно равное пределу текучести.

Остаточные активные напряжения осевого растяжения от продольной усадки меньше предела текучести от только в том 80

случае, если сечение зоны активных напряжений больше полови­ны поперечного сечения сварного соединения (фиг. 24). На прак­тике при изготовлении сварных конструкций такие случаи встре­чаются крайне редко.

Знание величины активных внутренних усилий, возникающих в сварных швах, дает возможность определить величину ожидае­мых деформаций и распределение остаточных напряжений в свар­ных соединениях и сварных конструкциях. Знание же остаточных деформаций и напряжений весьма важно для правильной оценки проектируемых форм сварных конструкций ц технологических вариантов их изготовления.

Остаточное активное внутреннее осевое усилие, как видно из формулы (89), легко можно определить, если известно сечение зоны активных напряжений Fc. Зона активных напряжений зави­сит от режима сварочного нагрева и от жесткости свариваемых деталей. Поэтому точное ее определение представляет большие теоретические и экспериментальные трудности. Автором разра­ботано два приближенных способа [7], [8] расчета зоны активных напряжений в сварных соединениях. По своей форме эти способы являются сравнительно простыми и доступными для широкого применения в производственной практике. Результаты подсчета остаточных деформаций и напряжений, выполненные при помощи указанных способов, хорошо согласуются с опытными данными.

Для теоретической разработки описанных ниже способов рас­чета зоны активных напряжений в сварных соединениях приняты следующие допущения:

1) остаточные активные напряжения осевого растяжения во всех волокнах зоны активных напряжений одинаковы по величи­не и равны пределу текучести металла сгт, если сечение зоны меньше половины поперечного сечения сварного соединения;

2) температура нагрева точек металла, находящихся на оди­наковом расстоянии от оси шва, будет в обеих свариваемых плас­тинах одинаковая независимо от ширины и толщины их; поэто­му нагрев основного металла до пластического состояния прости­рается от оси шва на одинаковую величину в каждую из свари­ваемых пластин, независимо от ее размеров.

Расчетная зона активных напряжений в каждой из сваривае­мых пластин (фиг. 39) принята в виде двух областей: Ь и Ь2. Первая область Ь, прилегающая непосредственно к оси шва, со­стоит из наплавки шва и основного металла, подвергавшегося при сварке нагреву до пластического состояния, т. е. до темпера­тур не ниже 550—600° С. Вторая область Ь2 представляет основ­ной металл, температура которого при нагреве была ниже 550— 600° С, но в ней из-за неравномерности нагрева образовались де­формации пластического сжатия при упруго-пластическом сос­тоянии металла.

Ширина области Ь, в которой при сварке металл подвергался расплавлению и нагреву до пластического состояния, зависит от

мощности источника нагрева, скорости его перемещения по дли­не шва, объема нагреваемого металла в месте сварки и его физи­ко-химических свойств. С достаточной для практики точностью расчетная величина области нагрева до пластического состояния Ь может быть определена по приближенной формуле (4в)

Н. Н. Рыкалина. Приняв в этой формуле значение Гтах = 550°С и значение у = Ьу найдем ширину области Ь

и _ °’484? /пп

0l “ 2у5сТ550°’

где q — эффективная мощность сварочной дуги в кал! сек; v — скорость сварки в см/сек;

6 — толщина пластины в см;

с — теплоемкость металла в кал/г • град;

7 —1 удельный вес в г/смг.

Для электрической дуги эффективная мощность будет:

9 = т]0,24/• С/, где г] — к. п. д. дуги, значение которого при сварке открытой дугой колеблется в пределах 0,6—0,7, а при сварке под флюсом — 0,7—0,85.

При нагреве края пластины или при наплавке валика на ее кромку тепло от источника нагрева распространяется только по металлу одной пластины, поэтому область нагрева до пластиче­ского состояния Ъ определяется по формуле

А — 0,484? /п і

^550° •

При сварке стыковым швом двух пластин различной толщи­ны 6i и 62 (фиг. 40, а) количество тепла, отдаваемое источником нагрева свариваемым пластинам, будет пропорционально их тол­

щине. Область нагрева до пластического состояния определяется по формуле

= <92>

где 60 = 61 + 62.

При сварке нахлесточных и тавровых соединений тепло от линейного источника распространяется по трем путям, как пока­зано стрелками! на фиг. 40, бив. Приведенную расчетную тол­щину металла до следует брать равной трем толщинам, т. е. 60= = 61 + 262. Величина области нагрева до пластического состояния Ь определяется по той же формуле (92).

При помощи формул (90), (91) и (92) можно определить об­ласть нагрева до пластического состояния Ь в любом сварном соединении, (выполненном однопроходной сваркой.

Определение области упруго-пластических деформаций Ь$ в каждой из свариваемых пластин встречает 'немалые теоретиче­ские и экспериментальные трудности. Область Ь2 (см. фиг. 39) зависит не только от характера распределения температуры по поперечному сечению соединения в момент сварочного нагрева, ко также и от жесткости каждой из свариваемых пластин. Раз­меры свариваемых пластин или другого вида деталей з применяе­мых на практике сварных соединениях весьма разнообразны, по­этому влияние их жесткости на величину области Ь2 необходимо учитывать в каждой свариваемой детали.

Жесткость пластины, определяемая моментом инерции ее по­перечного сечения и механической прочностью металла, обуслов­лена главным образом шириной пластины h и пределом теку­чести металла от-

Основным критерием, определяющим характер сварочного на­грева и распределение температуры по поперечному сечению сва­риваемых деталей, как видно из формул (4) и (4в), является удельная энергия нагрева qo, определяемая по формуле

<7° = 4^ кал/см2, (93)

где q — эффективная мощность источника нагрева в кал/сек; v —скорость сварки в см/сек;

6о — суммарная толщина пластин (в см), воспринимающих тепло от источника нагрева.

Удельная энергия сварочного нагрева q0 представляет коли­чество теплоты, воспринимаемое одним квадратным сантиметром сечения сварного соединения вдоль линии шва и отводимое в ос­новной металл, как показано стрелками на фиг. 40.

Таким образом величину области упруго-пластических дефор­маций Ь2 для каждой из свариваемых пластин можем выразить зависимостью

Ьг =/(<7о> h, cT), (94)

где q0 — удельная энергия нагрева;

h— расчетная ширина пластины в см; от — предел текучести металла в кГ/см2.

С увеличением удельной энергии нагрева qo и ширины пласти­ны h область Ь2 упруго-пластических деформаций будет увеличи­ваться, так как увеличиваются участки нагреваемого металла и возрастает сопротивление свободному удлинению нагретых во­локон. Оба эти условия способствуют увеличению образования пластического сжатия в нагретых волокнах. Увеличение предела текучести металла от уменьшает область Ь2 ввиду повышения сопротивляемости металла к появлению в нем упруго-пластиче - £КИХ изменений.

Теоретическое определение области упруго-пластических де­формаций при сварке Ь2 требует значительных сравнительно гро­моздких вычислений, причем эти вычисления необходимо вы­полнять їв полном объеме в каждом отдельном случае расчета, ввиду отсутствия общей формулы для непосредственного под­счета ь2.

На основании теоретических исследований [7], область упруго­пластических деформаций может быть выражена расчетной фор­мулой

b2 = K2(h — &i), (95)

где h — расчетная ширина пластины.

Коэффициент /с2, зависящий от величины удельной энергии нагрева q0l показывает влияние распределения температуры по поперечному сечению свариваемого соединения и предела текуче­сти металла ат на величину области 62. Величина Ь± в формуле (95) представляет область нагрева до пластического состояния при сварке, определяемую по формулам (90)—(92).

На основании экспериментальных данных построен приведен­ный на фиг. 41 график K2=f(q0) для малоуглеродистой стали с пределом текучести а т = 2200 кГ/см2 и для мостовой стали по­вышенного качества с пределом текучести ат = 2800 кГ/см2. Ко­личество экспериментальных данных, положенных в основу пост­роения графика K2=f{qo)y сравнительно невелико, поэтому зна­чения коэффициента /с2, приведенные на фиг. 41, даются лишь в первом приближении. Для установления более точных значений к2 требуются дополнительные экспериментальный исследования. Все же результаты расчетов при использовании значений к2, при­веденных на фиг. 41, правдоподобно согласуются с опытными за­мерами при сварке конструкций.

Различие химсостава и структуры разных марок конструкци­онных сталей не оказывает заметного влияния на распростране­ние тепла при сварочном нагреве. Поэтому методом приведения и подобия легко перейти от значений к2 для стали одной марки к значениям к2 для стали другой марки при помощи зависимости

где о'—предел текучести стали другой марки.

Так, путем подсчета по формуле (96) построен на фиг. 41 гра­фик коэффициента /с' для стали с пределом текучести а' == = 2500 кГ/см2.

Помимо изложенного выше способа определения зоны активных напряжений при сварке, разработаны новые формулы, позволяю­щие расчетным путем определить зону активных напряжений [8], не прибегая к применению коэффициента к2. В основу нового способа положена формула (31), которая для описания нараста­ния напряжений сжатия в волокнах свариваемых пластин, согла­сно формуле (37), выражается в следующем виде

°t = ^-~]E{T-T0), (97)

где а — коэффициент температурного удлинения;

Ьп — зона активных напряжений в одной из свариваемых пла­стин, равная сумме областей нагрева до пластического и упруго-пластического состояния, т. е. Ьп = 61 + 62 (см. фиг. 39);

h — расчетная ширина этой пластины;

Е — модуль упругости;

Т0 — начальная температура металла;

Т — температура нагрева, изменяющаяся от Т0 до температу­ры, при которой напряжение сжатия достигает предела текучести ат.

Зону активных напряжений в каждой из свариваемых пластин отделяет от остального участка пластины граничное волокно, в котором напряжение сжатия в процессе нагрева достигает преде­ла текучести <зт без образования в нем деформации пластического сжатия. Это граничное волокно лежит от оси шва на расстоянии ЬП1 которое приближенно принимается за зону активных напря­жений в свариваемых пластинах. В граничном волокне напряже­ние сжатия достигнет предела текучести при наибольшей темпе­

ратуре его нагрева. Для граничного, волокна напряжение сжатия по формуле (97) будет

аГ = а ( 1 Е (Tmax — Т0). (98)

Наибольшая температура любого волокна, находящегося на расстоянии у от оси шва, с учетом потерь на поверхностную те­плоотдачу определяется по формуле (4, а). Для граничного воло­кна, удаленного от оси шва на величину Ьп, наибольшая темпе­ратура нагрева при сварке будет

(")

где q — эффективная мощность источника нагрева в кал/сек;

v — скорость сварки в см/сек;

о0 — суммарная толщина свариваемых пластин в см

с — теплоемкость металла в кал/г-град;

Т — удельный вес металла в г/см3;

Ьп — ширина зоны активных напряжений в пластине или рас­стояние граничного волокна от оси шва в см;

кт — коэффициент поверхностной теплоотдачи в кал/см2сек- град;

X — коэффициент теплопроводности металла в кал/см - сек -град.;

оп — толщина пластины, на которой определяется температура.

f KmPn

Если двучлен I 1 —■ — ], учитывающий потери на поверхно­стную теплоотдачу, обозначим через т и примем во внимание значение удельной энергии q0 по формуле (93), то формулу (99) можно выразить в виде

'г 'Т 0,484<7/7г 0,484?0т /пп«

шах о vb0cibn ~ сЛЬп *

Решая совместно уравнения (98) и (99а) относительно зоны активных напряжений в пластине Ъп, получим

«и? <1оо)

0,484<70а£т

Разделив числитель и знаменатель правой части формулы (100) на расчетную ширину h получим ее в таком виде

Ьп=- • (100а)

_L 4-

h OAS4q0aEm

Теплофизические коэффициенты для практических подсчетов при сварке стали рекомендуется брать таких значений: произве­дение су = 1,25, отношение = 0,008, а произведение аЕ = 25.

Подставляя эти значения в формулу (100), получим формулы для расчета зоны активных напряжений при сварке стальных пластин

»„ = (101)

1 +

9,68 q0m b2

m= 1 — 0,008^. (102)

Уравнения (101) и (102) легко решаются методом попыток с последовательным приближением к значениям Ьп и /п, удовлетво­ряющим обоим уравнениям. Для решения этих уравнений сперва задаемся ориентировочным значением m и определяем по формуле (101) значение Ьп. Затем, подставляя в формулу (102) найденное ЬП1 вычисляем значение /п. Если расхождение между значениями га, раньше принятыми и вычисленными по формуле (102), боль­шое, то задаемся новым га и повторяем расчет, пока вычисленное по формуле (102) значение га не будет близко совпадать с при­нятым. Для режимов сварочного нагрева величина га колеблется в пределах от 0,6 до 0,9, а средние значения примерно будут 0,7—0,8.

Пользуясь уравнениями (101) и (102), можем найти зону ак­тивных напряжений при сварке Ьп, не прибегая к опытному гра­фику K2=f(q0), приведенному на фиг. 41.

Если пренебречь потерями тепла на пверхностную теплоот-е дачу, то т= 1, и зону активных напряжений при сварке с не­которым увеличением можно определить по формуле

, V* ■ <103)

+ 9,68^0

Заметим, что металл не является идеально упругим телом, и в широких пластинах при действии местных усилий деформиро­вание в отдельных участках затухает, не подчиняясь гипотезе

0)

Фиг. 42. Распределение остаточных напряжений при сварке широких пластин: а — сварное соединение; б — эпюра остаточных напряжений.

плоских сечений (фиг. 42). Поэтому при автоматической сварке под флюсом широких пластин расчетную ширину h для формул (95), (101) и (103) рекомендуется брать не выше 300—350 мм, а при ручной сварке не выше 250 мм. Рекомендуемая для широких пластин расчетная ширина /г = 300-f- 350 мм является ориенти­ровочной и требует экспериментальной проверки.

Сравнительные данные результатов подсчета разными способа­ми значений зоны активных напряжений при сварке приведены в табл. 3.

Таблица 3