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.

Фиг. 31. Диаграмма из­менения напряжений при нагреве средней полосы стальной пластины с про­резами, когда сечения нагреваемой средней по­лосы меньше половины сечения всей пластины, т. е. Fі <0,5 F.

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

Таблица 2

Результаты измерений остаточных напряжений при местном нагреве стальной пластины с прорезами (фиг. 32)__________________________ __

Материал

Эбщая дл и на пла­стины в мм

Общая ширина в мм

Толщина в мм

Длина прорезов в мм

База измерений в мм

Ширина средней полосы в мм

Общая ширина обеих крайних полої' в мм

Среднее значение за­меренного абсолют­ного укорочения крайних полос'в*лш

Относительное оста­точное укорочение крайних полос в мм

Остаточ­ное на­пряжение в кГ/смг

сжатия в крайних полосах

растяже­ния в сред­ней полосе

L

h

8

1

и

ъ

2 а

дг.

«2 =

А/о

а2 = = є2 Е

а2 • 2а

Ь

Ст.

250

110

8

120

100

24

80

0,0423

4,23 .

. Ю-4

846

2950

Ст.

250

110

8

120

100

32

72

0,0610

6,1.

10“4

1220

2745

Ст.

250

130

8

120

100

25

98

0,0338

3,38

10“4

676

2650

Ст.

250

90

8

120

100

23

60

0,0535

5,35

10“4

1070

2800

Ст.

250

90

8

120

100

24

60

0,0555

5,55

10~4

1110

2780

Ст.

3

250

120

10

120

100

35

78

0,0538

5,38

10~4

1076

2400

Ст.

3

250

120

10

120

100

30

84

0,0420

4,20

10“4

840

2350

Ст.

20

250

130

10

120

100

30

94

0,0388

3,88

10~4

676

2100

Ст.

20

250

130

10

120

100

23

100

0,0245

2,45

10~4

490

2130

Ст. 20

250

130

10

120

100

35

88

0,0431

4,31

10“4

862

2170

Ст.

20

250

110

10

120

100

25

79

0,035б

3,56

10“4

712

2250

Примечание. Остаточные напряжения в средней полосе а находятся

на

уровне предела текучести ат

указанных сталей

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

4 5 6 7 в

Фиг. 33. Пружинный деформометр Института электросварки им. Е. О. Патона:

1 — конические ножки; 2 — планка рычага; 3 — планка корпуса; 4 — винт регулировочный; 5 — контргайка; 6 — стойка; 7 — индикатор часового типа: 8 — ручка; 9 —

пружина плоская; 10 — гайка-барашек; И — гайка; 12 — винты.

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.

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