ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Угловая деформация от поперечной усадки в стыковых швах

Угловая деформация в стыковых швах часто наблюдается при односторонней сварке пластин, которые под действием по­перечной усадки поворачиваются относительно друг друга на некоторый угол (3 (фиг. 68, а). Основной причиной образования угловой деформации в стыковых швах является неравномерный нагрев металла по толщине шва. В наибольшей степени угловая деформация проявляется при односторонней стыковой сварке сво­бодных пластин с V-образной разделкой кромок. Поскольку нагретые до высоких температур слои наплавленного металла (фиг. 68, б) имеют различную ширину у, зависящую от уровня г своего расположения по толщине шва, то при остывании будут иметь различную поперечную усадку А у, под действием которой пластины выйдут из своей начальной плоскости и образуют угол (3.

В некоторой степени угловую деформацию наблюдаем также при односторонней сварке стыковым швом свободных пластин без скоса кромок, так как на лицевой поверхности шва, где пе­ремещается сварочная дуга, ширина слоев нагретого до высоких температур металла больше, чем со стороны корня шва.

Для установления величины угловой деформации в стыковых швах с V-образной разделкой кромок примем такое допущение: нагрев основного металла до высоких температур с образовани­ем © нем пластических деформаций сжатия, независимо от уровня разогретого слоя по толщине шва, распространяется от поверх­ности скошенной кромки на одинаковую ширину, равную Ь (фиг. 68, б). Поперечное сокращение основного металла в про­цессе остывания на участке 6, где при нагреве имели место де­формации пластического сжатия, представляет поперечную усад­ку в плоскости свариваемых пластин Аb (фиг. 68, б). В отдален­ных от шва областях температура нагрева основного металла по толщине выравнивается и при остывании никакого влияния на угловую деформацию оказывать не будет. Полная поперечная усадка каждого слоя металла стыкового шва в зависимости от уровня его расположения по толщине сварного соединения будет 142 складываться из двух составляющих: постоянной Ab0 = 2Abr представляющей поперечную усадку основного металла около - шовной зоны, и переменной Ау0 = 2Ау, представляющей попереч­ную усадку каждого слоя наплавленного металла соответственно уровню г его расположения по толщине шва.

Постоянная составляющая свободной поперечной усадки бу­дет сближать свариваемые пластины в их плоскости на величину А60, уменьшая зазор, установленный при сборке стыкового шва.

Фиг. 68. Угловая деформация от поперечной усадки при сварке стыковым швом свободных пластин: а — стыковое соединение пластин со скосом кромок; б — деформация от поперечной усадки в плоскости пластин АЬ0 и угловая деформация & от поперечной усадки наплавлен­ного металла.

Величина постоянной составляющей свободной поперечной усадки стыкового шва Або зависит главным образом от ширины прилегающих ік наплавке шва областей основного металла, под­вергавшихся при сварке нагреву до пластического состояния.

При однопроходной сварке стыкового шва постоянную состав­ляющую свободной поперечной усадки АЬ0 приближенно можем определить по формуле (158), рассматривая распространение тепла >по основному металлу в слоях, прилегающих к корню шва. В корне шва, где уровень расположения слоя металла сов­падает с нижней поверхностью пластин, т. е. 2 = 0, величина пере­менной составляющей свободной поперечной усадки Ауо стыко­вого шва, определяемая по формулам (164) и (165), имеет ну­

левое значение. Поперечная усадка слоя металла, совпадающего с нижней поверхностью пластин, равна постоянной составляющей поперечной усадки Або стыкового шва, действующей в плоскости сварного соединения, и определяется по формуле (158).

При остывании наплавленного металла переменная состав­ляющая свободной поперечной усадки стыкового шіва со скосом кромок приведет к укорочению каждого слоя наплавленного ме­талла 'на - величину Дуо, соответственно уровню г расположения этого слоя по толщине шва (фиг. 68, б). Величину переменной составляющей свободной поперечной усадки Дуо любого слоя наплавленного металла соответственно уровню его расположе - 7ІИЯ по толщине шва приближенно можно определить по формуле

Ауа = 2аТсру, (164)

где а — температурный коэффициент линейного расширения ме­талла;

ТСр — средняя температура слоя наплавленного металла к мо­менту перехода наиболее нагретых его точек из пласти­ческого состояния в упругое; у— ширина слоя наплавленного металла соответственно

уровню z его расположения по толщине шва, y = ztg

При остывании сварного шва на малоуглеродистой стали среднюю температуру наплавленного металла ;в момент перехода его из пластического состояния в упругое принимаем равной 600° С. Тогда формулу (164) можем записать в виде

Ау0 = 2 • 12 • Ю-6 • 600 = 0,0144 у. (165)

Переменная составляющая свободной поперечной усадки Ду0 слоя наплавленного металла, возрастая постепенно с повышени­ем уровня своего расположения по толщине шва, будет вызывать поворот пластин около линии шва, образующих угол (3.

С повышением уровня расположения слоев наплавленного ме­талла по толщине стыкового шва ширина этих слоев у увеличива­ется, поэтому свободная поперечная усадка Ду0 слоев наплавлен­ного металла тоже увеличивается, что видно из формул (164) и (165). Поперечная усадка Дг/шах слоев наплавленного металла

будет наибольшей на лицевой поверхности шва, где ymax=8tg^.

На основании формул (164) и (165) наибольшее значение попе­речной усадки Дг/тах наплавленного металла определяется вы­ражением

Aj/max = 2аТ'срУтах = Тср Ь tg ■— , (166 a)

а для стальных пластин

Aymax = 0,0144 8tg|-. (166 6)

Обозначая через (3 угол поворота пластин от действия поперечной усадки слоев наплавленного металла (фиг. 68, б), получим

2 28 28 ср s 2 •

Ввиду малых значений угла поворота свариваемых пластин под действием поперечной усадки наплавленного металла можно

2аТсрЬ tg ~2

= ьТср tg

Фиг. 69. Образование угловой деформации от по­перечной усадки наплавленного металла.

4- Р

допустить, что величина tg g равна значению в радианах само­го угла Тогда формулу (167) можно записать в виде

= 2а Тср tg

Для большинства конструкционных сталей, которые перехо­дят из пластического состояния в упругое при температуре око­ло 600° С, угловая деформация стыкового шва, согласно формуле (168а) может быть определена выражением

р = 0,0144 tg-J. (1686)

Угловую деформацию при сварке стыковым швом пластин можно определить также теоретическим путем, рассматривая уг­ловую деформацию элементарных треугольников, основания ко­торых расположены на линии наружного» поперечного волокна лицевой стороны сваріного шва, а вершины сходятся в одной точ­ке корня шва (фиг. 69). Для этого выделим в поперечном сече­нии наплавленного металла элементарный треугольник с основа­нием dy и углом против основания d®. Поперечная усадка осно­вания элементарного треугольника будет Д = аТр dy. Величину 10 1 755 145

Р Чх

(167)

tg-o =

(168a)

угловой деформации d[3 от поперечной усадки металла выделен - ного элементарного треугольника (фиг. 69) определяем по фор­муле

Д cos 9 oTrndy 5 tg d^ = - r-=-^-. (169)

лу hy

Принимая значение tgrfp равным углу в радианах и заменяя переменную hy= Ку2 + ^2> как это показано на фиг. 69, получим

aTrndy 5

= (170)

Суммируя угловую деформацию элементарных треугольников* найдем угол поворота Pi каждой пластины от поперечной усад­ки Д наплавленного металла

Pi — &ТСрЪ j

^max ^max

Им" = °т'’1 і агс‘*т

= «r„arctg?=f =«Г„|. (171)

Полная угловая деформация р сварного стокового соединения от поворота обеих пластин будет

Р = (172)

В стыковых швах с V-образной разделкой кромок под уг­лом <р>60° угловая деформация р при подсчетах по формуле (172) будет меньше, чем по формуле (168). Для угла разделки кромок <р< 60° результаты подсчетов угловой деформации р как по формуле (172), так и по формуле (168) близки между собой. С увеличением угла разделки кромок стыкового шва расхожде­ние между результатами подсчетов по формуле (168) и по фор­муле (172) постепенно возрастает. При значении угла <р = 90° результаты подсчетов по формуле (168) превышают *на 20% ре­зультаты подсчетов угловой деформации р по формуле (172). На практике угол разделки кромок стыкового шва обычно ко­леблется в пределах 60—70°, поэтому для подсчетов ожидаемой угловой деформации р можно пользоваться как формулой (168), таки формулой (172).

Рассмотренная свободная поперечная усадка стыкового шва в плоскости свариваемых пластин имеет место при односторон­ней стыковой сварке сравнительно тонких пластин без разделки кромок, когда распространение тепла при сварке происходит по схеме линейного источника нагрева. При двухсторонней сварке пластин угловая деформация, образовавшаяся при наложении шва с одной стороны, уменьшается после наложения шва с обрат­ной стороны, и остаточная угловая деформация весьма незначи­тельна или совсем отсутствует.

При сварке стыковым швом более толстых пластин без раз­делки кромок температура металла вблизи источника нагрева

распределяется по толщине неравномерно. Более нагретыми бу­дут верхние слои основного металла. Ввиду этого поперечные де­формации пластического сжатия слоев по толщине основного металла различны. Соответственно этому после остывания пла­стин поперечные укорочения их также различны, что приводит к повороту пластин около линии шва и образованию угловой деформации (3.

Для определения угловой деформации (3 необходимо устано­вить неравномерность распределения температуры по толщине шва в поперечных сечениях, которые находятся позади источни­ка нагрева и имеют среднюю температуру! не ниже 600° С, т. е. температуру перехода металла из пластического состояния в уп­ругое. Распределение температуры в этих сечениях приближенно можно установить на основании формул распространения тепла при нагреве мощным быстродвижущимся точечным источником и поправочных коэффициентов, учитывающих 'неравномерность на­грева металла по толщине шва [1], [17].

На основании формулы (154) температура точек по толщине металла вблизи линии шва приближенно определяется зависи­мостью

V у2

Т{х, у, z) = m - •-е 4“*, (173)

5 у су vx±

где v — скорость сварки в см/сек;

у— координата точки от линии шва;

х —расстояние от источника нагрева до поперечного сечения, в котором металл шва переходит из пластического состояния в упругое;

6— толщина свариваемых пластин в см;

m—поправочный коэффициент, учитывающий сосредоточение источника нагрева на верхней поверхности пластины.

Поправочный коэффициент m показывает отношение темпе­ратуры в любой точке по толщине шва к средней температуре, определяемой по формуле (154) и зависит от трех безразмерных

параметров £ и Коэффициент m выбирается по графику

(см. фиг. 6). Первый параметр ^ зависит от скорости сварки,

второй — относительный радиус-вектор и зависит от радиуса

исследуемой точки г= /х2+у2, третий параметр относитель­ная глубина положения точки по толщине металла. Наибольшая температура, определяемая по формуле (173), будет в волокнах на верхней поверхности пластин, где г=0, а наименьшая на ниж­ней поверхности, где z—b (фиг. 70). С удалением от линии шва температура выравнивается и уже на расстоянии г/0=46 стано­вится почти одинаковой по толщине металла, отличаясь от сред­него значения не более, чем на 5%.

ю* ш

В областях, удаленных от линии шва на расстояние у>46 по­перечное укорочение волокон по толщине металла при его осты­вании одинаковое и никакого влияния на величину угловой де­формации не оказывает. Причиной угловой деформации в стыко­вых швах является 'неравномерное распределение температуры по толщине пластин в областях, расположенных примерно на у0 = = 46 по обе стороны от линии шва (фиг. 70, а). При остывании

О)

Фиг. 70. Поперечное укорочение слоев металла стыкового соединения в зависимости от распре­деления температуры по толщине металла: а — стыковое соединение; б — кривые поперечного уко­рочения; Ді —укорочение волокон на верхней поверх­ности шва; А* — укорочение волокон на нижней по­

верхности.

этих областей от температуры перехода металла из пластического состояния в упругое до полного выравнивания температуры по­перечное укорочение волокон по толщине металла будет различ­

ное, ввиду неравномерного распределения температуры. Соответ­ственно температурному состоянию точек на разных уровнях по толщине металла на ширине г/о = 46 наибольшее поперечное уко­рочение после остывания будет в волокнах на верхней поверх­ности пластин, а наименьшее—на волокнах нижней поверхно­сти пластин. На основании формулы (173) величину свободного поперечного укорочения А любого волокна в сечении х при осты­вании его до полного выравнивания температуры можно опреде­лить по зависимости

vy2

Аах1

(174)

am

г/о=4б У о=4

Д = 2 j* aTdy = 2 j

Наибольшее поперечное укорочение Дь которое будет в во­локнах верхней поверхности пластин и наименьшее Д2 в волок­

нах нижней поверхности пластин (фиг. 70, а) определяется по формуле (174)

г/0=4о _ vy*_

Д1 = 2а/^ —4=. Г в *“.•dy (175)

5 у 4тсл ихх

И

г/0=4о _ vy*_

Д2 = 2аm2 ? f е 40JC* • dy, (176)

о ]/ 4яА ^7 vxi J

где гп — поправочный коэффициент значения температуры соот­ветственно уровню положения верхних волокон (г = 0); т2 — поправочный коэффициент для температуры нижних

ВОЛОКО'Н (2 = 6).

Поперечная усадка (сокращение) Д2, определяемая по фор­муле (176), будет сближать пластины в их плоскости, уменьшая зазор при сборке стыка и общую ширину /г0 сварного соединения.

Разность между поперечными усадками верхних и нижних во­локон Ді—Д2 приводит к повороту пластин около линии шва и об­разованию угловой деформации (3. Величина последней опреде­ляется из следующих геометрических соотношений (фиг. 70)

‘е{=т - <177>

Ввиду малых значений tg | заменяем ее величиной угла в

радианах, тогда угловая деформация (3 сварного стыкового сое­динения от поворота обеих пластин под действием поперечной усадки будет

л л

(178)

Ах-А2

Подставляя в формулу (178) значение поперечных укороче­ний верхнего и нижнего волокон из формул (175) и (176), полу­чим для определения угловой деформации сварного стыкового соединения следующую формулу

j/0=4S ууг

P = (mi ~т2) - v;7 :-[е 4ах і dy' (179)

Ь2 У 4тсХ vxxJ

Угловую деформацию (3 можно определить, исходя из свобод­ных относительных поперечных укорочений элементарных участ­ков волокон на верхней поверхности оварного соединения Ди~ = аГ/и на нижней Д2/=аTia где Ті—температура точек в сече­нии х, определяемая соответственно по формуле (173), аДі/ и А2і —поперечные укорочения, определяемые по формуле (175) и (176). Откладывая ординаты относительных температурных уко­рочений Ап = аТі элементарных участков на ширине Уо = 46, гто -

лучим кривую относительных укорочений Дь для волокна верх­ней поверхности пластин в сечении Х и кривую Аг — для волокна на нижней поверхности в том же сечении (фиг. 70, б). Площадь Fі, ограниченная кривой Аь представляет собой поперечную усадку (укорочение) волокон на верхней (поверхности сварного соединения, а площадь F2, ограниченная кривой Аг—попереч­ную усадку волокон на нижіней поверхности. Разность этих пло­щадей будет определять угловую деформацию р

(3 = ^^. (180)

В первом приближении угловую деформацию |3 сварного сты­кового соединения ориентировочно можно определить, исходя из предположения, что в момент перехода наплавленного металла из пластического состояния в упругое температура по длине лю­бого волокна ;на участке t/o = 48 одинаковая и изменяется только соответственно уровню расположения волокон по толщине ме­талла. В этом случае поперечное укорочение волокон, располо­женных на верхней поверхности сварного соединения, будет

И1 = 2іт1ТсрАЬ, (181)

поперечное укорочение волокон на нижней поверхности

Д2 = 2шп2Тср4Ъ, (182)

где ТСр —температура волокна на срединной поверхности пла­стины в сечении Х (2 = 0,56).

Для малоуглеродистой стали температуру Тср в этот момент можно принять за 600° С.

Ка основании формул (180), (181) и (182) приближенное значение угловой деформации (3 для сварного стыкового соеди­нения выразится

Р = Al уА2 = 8а Тср (/пх — пг2). (183)

Принимая для малоуглеродистой стали Тср= 600° С и коэф­фициент температурного расширения а=12-10_6, получим при­ближенное значение угловой деформации (3 стыкового соединения

р = 8- 12- 10_б • 600°(/пх — т2) = 0,06 (тх —т2), (184)

где гп и /п2— поправочные коэффициенты для определения тем­пературы вблизи шва при средней и большой толщине сваривае­мых пластин.

ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Правка сварных конструкций

Для устранения деформаций после 'сварки - применяется хо­лодная и горячая правка сварных конструкций. Холодная правка основана на растяжении укороченных уча­стков и мест сварной конструкции до проектных размеров - и форм. …

Мероприятия по уменьшению деформаций при сварке

Образование остаточных напряжений и деформаций при сварке вызывается появлением внутренних усилий при местном нагреве металла. Оба эти явления находятся во взаимной связи, но проявляются при сварке конструкций в различной степени …

Технологические мероприятия в процессе сварки

могут быть самые разнообразные и зависят от характера соединений и вида конструкции, применяемых методов сварки, режима нагрева, механических характеристик и химического состава сваривае­мых металлов. Как правило, для уменьшения пиков остаточных …

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

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua