ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Величина остаточных напряжений при местном нагреве металла

Величина остаточных напряжений, порождаемых местным на­гревом металла, может быть установлена как теоретическим, так и экспериментальным путем. Теоретические исследования и ана­лиз диаграмм изменения активных и реактивных напряжений ори нагреве полосы стальной пластины приводят к следующим (поло­жениям:

1) если напряжения, возникающие - в процессе местного нагре­ва пластины, вызывали объемные изменения металла толыко> в пределах упругих изменений, то после выравнивания температуры они исчезают, и пластина освобождается от напряженного состоя­ния, вызванного тепловым процессом;

2) если в нагреваемой полосе пластины протекали деформации пластического сжатия, то после остывания неизбежно образуются остаточные напряжения, причем нагревавшиеся места останутся растянутыми, а соседние — сжатыми;

3) изменение активных и реактивных напряжений при местном нагреве пластины весьма наглядно описывается диаграммами в координатах а—Т, причем остаточные напряжения от осевого дей­ствия внутренних усилий равны ординате, замыкающей в указан­ных координатах цикл нагрева и остывания;

4) при местном нагреве до высоких температур пластины, сво­бодной от закреплений, активные напряжения достигают, предела текучести во всех тех случаях, когда поперечное сечение подвер­гавшейся нагреву полосы меньше или равно половине поперечно­го сечения пластины, т. е. F < F2 или Fі < 0,5F;

5) если поперечное сечение нагреваемой полосы незакреплен­ной пластины больше половины ее поперечного сечения, то оста­точные активные напряжения осевого растяжения меньше предела текучести оТу зато реактивные напряжения осевого сжатия о2 в остальной части пластины достигнут предела текучести;

6) остаточные напряжения, образовавшиеся при местном на­греве металла, равны по величине и обратны по знаку напряже­ниям, исчезнувшим в процессе теплового цикла вследствие проте­кавших в металле пластических деформаций.

В справедливости первых пяти положений убеждаемся путем рассмотрения равновесия внутренних усилий, порождаемых мест­ным нагревом металла, и путем анализа изменений напряжений в процессе теплового цикла на приведенных выше диаграммах.

Шестое положение представляет теорему, в которой требуется доказать, что остаточные напряжения, образовавшиеся при мест­ном нагреве металла, равны по величине и о'братны по знаку на­

пряжениям, исчезнувшим в процессе теплового цикла ©следствие протекавших в металле пластических деформаций. Геометриче­ское доказательство этой теоремы, при сохранении принятых нами допущений, подтверждает действительное 'существование тракту­емого положения.

Для доказательства этой теоремы проведем через точку В прямую ВМ, параллельную оси ординат (фиг. 31). Продолжим прямую О А до пересечения с прямой BjM в точке М. Прямую BXD продолжим до пересечения с осью ординат в точке К. Из точки F проведем прямую FL, параллельную ОМ и ВХК. Из параллело­граммов FLBiK и FLMO видам, что отрезок FfС = ВгЬ, а отрезок ML = OF.

Если условно принять, чт-о металл при. нагреве до 600° С находится толь­ко в упругом состоянии, а при 600° С скачкообразно переходит в пластиче­ское состояние, то напряжения сжатия1, при местном нагреве пластины до 600° С нарастали бы прямолинейно по прямой О AM. При температуре 600° С эти напряжения, равные ординате ВМУ должны были - бы исчезнуть ввиду скачкообразного перехода нагреваемо­го металла в пластическое состояние.

На самом же деле пластические из­менения в металле могут происходить при его упруго-пластическом состоя­нии, т. е. при более низких темпера­турах.

В данном случае замена металла ус­ловным, который переходит из упру­гого состояния в пластическое путем резкого скачка, допустима,' так как рассматривается взаимосвязь двух противоположностей одной замкнутой упругой системы. В нашей системе появление сил отталкивания (сжатия) в одной ее части обязательно вызывает появление противоположных (притягивающих) и равных по аб­солютному значению сил в другой части, т. е. система является замкнутой. Поэтому, если в нагревавшемся месте замкнутой си­стемы образовались остаточные силы упругого растяжения, то. несомненно, в этом месте им предшествовали равные по абсолют­ному значению и исчезнувшие силы противоположного полюса, т. е. силы упругого сжатия. Промежуточные изменения величин в процессе исчезновения сил одного полюса и образования сил противоположного полюса не влияют на окончательные резуль­таты: исчезнувшее количество одной полярности/ПОЛНОСТЬЮ пере­ходит в свою противоположность. Последнее позволяет сделать заключение, что условное присвоение металлу неизменных уп­ругих свойств в области температур упруго-пластического со - 62
стояния, т. е. температурного интервала, когда происходит изме­нение напряжений їв процессе теплового цикла, не окажет влия­ния на величину остаточных напряжений растяжения.

Таким образом, исчезнувшие напряжения упругого сжатия в полосе пластины при нагреве ее до 600° С были бы равны ордина­те ВМ (фиг. 31). При остывании напряжения упругого растяже­ния достигли бы величины ОК, если бы металл мог упруго изме­няться на протяжении всего цикла остывания. В действительности напряжение упругого растяжения достигает только предела теку­чести От, и в процессе остывания исчезает напряжение растяже­ния, равное отрезку FK.

Сумма напряжений, исчезнувших по причине пластических деформаций в процессе теплового цикла, учитывая правило зна­ков, - будет равна

FK — B1M = B1L — B1M = —LM. (69)

Отрезок — LM по абсолютной. величине равен отрезку OF, кото­рый изображает остаточное напряжение растяжения в нагревав­шейся полосе.

Если взять отрезок—LM с обратным знаком, то имеем

LM = OF = aocm = ат. (70)

Выражение (70) служит теоретическим обоснованием приве­денного выше шестого положения, а также является теоретиче­ским доказательством того, что при нагреве до высоких температур полосы, у которой поперечное сечение меньше поло­вины поперечного сечения всей пластины, остаточные напряжения растяжения достигают предела текучести от•

Экспериментальные исследования образования активных на­пряжений Ot в нагреваемой средней полосе пластины легко осуществить путем наблюдения за изменением реактивных на­пряжений 02 в крайних полосах.

Реактивные напряжения о2 для всех случаев, когда попереч­ное сечение нагреваемой средней полосы меньше поперечного сечения остальной части пластины, лежат в пределах упругих изменений, и мы можем измерять их при помощи деформометра или тензометра непосредственно на 'волокнах крайних полос не только после полного выравнивания температуры ® пластине, но даже и в процессе нагрева и остывания средней полосы.

Так как а-ктивное внутреннее усилие, образующееся при нагре­ве средней полосы, будет непрерывно взаимодействовать с реак­тивным усилием, вызываемым в крайних полосах пластины, то величину активного напряжения ot легко определим исходя из равновесия внутренних усилий по формуле (39), если будет из­вестно реактивное напряжение осевого сжатия 02' •

Что касается величины остаточного активного - напряжения осевого растяжения аь то оно определится по той же формуле (39) после экспериментального определения величины остаточно­го реактивного напряжения осевого сжатия а2 путем непосред­ственного замера остаточной деформации волокон крайних полос.

Величина остаточного активного напряжения осевого растя­жения средней полосы 01 непосредственно может быть определена также путем разрезов пластины на полоски. .

Фиг. 32. Стальная пластина с прорезами для изме­рения напряжений.

Экспериментальное исследование образования остаточных напряжений при нагреве средней полосы пластины с прорезами проводилось путем измерения величины остаточных упругих деформаций, а следовательно, и остаточных напряжений в волок­нах крайних полос пластины. Для проведения опытов 'были за­готовлены стальные пластины, в которых нагреваемая часть средней полосы на длине / отделена от крайних полос прорезами шириной 2 мм (фиг. 32). Размеры пластины с прорезами, соглас­но обозначениям на фиг. 32, приведены в табл. 2. Поперечное сечение нагреваемой средней полосы Fi во всех пластинах было меньше сечения обеих крайних полос F2, т. е. b < 2а, поэтому ве­личина реактивного напряжения а2 в крайних полосах находилась в пределах упругих изменений металла и была меньше предела текучести вт-

Стальные пластины с прорезами предварительно подвергались отжигу с целью снятия остаточных напряжений, которые могли быть в металле от проводившихся ранее технологических опе­раций.

Для измерения упругих деформаций в волокнах крайних полос применялся деформометр индикаторного типа, конструкции Института им. Е. О. Патона, с длиной базы до 150 мм (фиг. 33). Сравнительно длиіная 'база деформометра позволяла более точ - 64

но измерить упругие изменения волокон, чем обычными тензомет­рами типа Гутенберга.

Для измерения упругих деформаций в продольных волокнах крайних полос на них намечались точки для установки ножек деформометра, как показано на фиг. 33. Перед началом нагрева средней полосы при помощи деформометра измерялось «а край­них полосах расстояние между намеченными точками 1. Затем средняя полоса нагревалась до температуры пластического со­стояния металла. Нагрев осуществлялся на жестком режиме кон­тактной точечной машиной путем постановки на средней полосе ряда перекрывающихся точек. Жесткий режим работы контакт­ной машины обеспечивал кратковременный разогрев металла средней полосы до пластического состояния без заметного повы­шения температуры в крайних полосах вследствие теплопровод­ности через концевые участки пластины.

После остывания пластины вновь измерялось расстояние между теми же точками на крайних полосах U. По разности пока­заний индикатора определялась величина абсолютной деформа­ции укорочения

А/0 — W — ^2 •

Относительное упругое укорочение крайних полос после остывания средней полосы вычислялось по формуле

По величине относительного укорочения крайних полос є 2 оп­ределялось остаточное реактивное напряжение осевого сжатия крайних полос по формуле 02 = Є2Е, где Е — модуль упругос­ти стали.

Путем пересчета определялось остаточное активное напряже­ние растяжения средней полосы по формуле (39)

q2F2 с22 а

°ост = - F7 = —•

Опытные данные, приведенные в табл. 2, подтверждают, что* при нагреве до пластического состояния средней полосы пластины,, в ней после остывания 'неизбежно будут остаточные напряжения осевого растяжения, которые достигают предела текучести ме­талла ОТ, если поперечное сечение средней ПОЛОСЫ F1 меньше поперечного сечения крайних полос пластины F2. При сварке поперечное сечение разогретого металла (наплавленного и при­легающего основного) небольшое по сравнению с поперечным сечением сварного соединения, поэтому в большинстве практиче­ских случаев сварки остаточные напряжения растяжения в ак­тивной зоне равны пределу текучести ат.