ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ОТ ПРОДОЛЬНОЙ УСАДКИ ПРИ СВАРКЕ ПЛАСТИН

стыковым швом

Продольные напряжения и деформации при сварке пластин стыковым швом

Характер распределения собственных напряжений и наблю­даемых деформаций при сварке стыковым швом зависит от ус­ловий нагрева и остывания в процессе сварки, формы сечения шва и жесткости свариваемых пластин.

В процессе сварочного нагрева появляются временные на­пряжения и деформации, а по окончании сварки образуются ос­таточные напряжения и деформации.

Остаточные напряжения в зависимости от внутренних актив­ных усилий, отнесенных к осям швов, будут: 1) продольные, по­рождаемые действием продольной усадки; 2) поперечные, по­рождаемые продольной усадкой; 3) поперечные, порождаемые поперечной усадкой шва ввиду неодновременного остывания его по длине и по толщине и 4) поперечные напряжения, порождае­мые наличием закреплений свариваемых деталей, противодей­ствующих поперечной усадке шва.

Характер наблюдаемых деформаций от продольной усадки при сварке стыкового соединения зависит от распределения ос­таточных напряжений по толщине шва. Если по толщине метал­ла остаточные напряжения распределены равномерно, то наблю­даем деформации укорочения и изгиба, лежащие в плоскости свариваемых пластин. Если же остаточные напряжения распре­делены по толщине металла неравномерно, то наблюдаемые ос­таточные деформации выходят из первоначальной плоскости свариваемых пластин.

Концентрированный нагрев и быстрое остывание сравнитель­но небольшого объема металла при сварке, различные краевые условия и нестабильность их при изготовлении сварных изделий создают большие математические трудности при расчете оста­точных напряжений и деформаций.

Если определение остаточных напряжений и деформаций производить путем вычисления их последовательных значений для всех промежуточных температурных (состояний металла во время сварки, то это требует выполнения целого ряда слишком громоздких вычислений. Результаты подобных подсчетов, по при­чине своей громоздкости и нестабильности многих параметров, ввиду быстрой смены температурного состояния металла, мо­гут -приводить к заметным отклонениям от фактических значе­ний. Кроме того, основной практический интерес представляют остаточные напряжения и конечные деформации. Это обстоя­тельство побуждает разрабатывать приближенные методы, ко­торые дают возможность путем. несложных.'вычислений полу­чить результаты, удовлетворяющие практическим требованиям.

Для приближенного определения остаточных напряжений при сварке стыковых соединений примем такие допущения:

1) остаточные напряжения осевого растяжения в активной зоне (зона усадочных усилий) распределены (равномерно;

2) в волокнах, прилегающих к зоне активных напряжений, реактивные напряжения образуются только вследствие упругого противодействия усадочным усилиям без учета влияния темпе­ратурного состояния этих волокон в процессе выравнивания тем­пературы;

3) сохраняем гипотезу плоских сечений при деформировании пластин малой и средней ширины;

4) условные связи, которые будем накладывать у продоль­ных кромок пластин, не влияют на изменение величины зоны ак­тивных напряжений и не повышают жесткости сварив-аемых дета­лей при образовании пластических деформаций сжатия, т. е. ус­ловные связи вступают в действие с момента перехода разогре­того металла из пластического состояния в упругое, когда про­гиб равен нулю.

Рассмотрим остаточные напряжения при сварке свободных пластин, когда нагрев металла по толщине равномерный и, сле­довательно, деформации інеївьіходят из первоначальной плоскости пластин. Такое явление имеет место при равномерном нагреве места сварки по толщине, двухсторонней сварке, сварке с глубо­ким проплавлением основного металла, вертикальной сварке с принудительным формированием, когда деформация из плоскости пластин крайне незначительна и ею можно пренебречь.

Допустим, 'что две пластины одинаковой ширины сварены стыковым швом быстродвижущимся, мощным источником тепла (фиг. 49, а). В начальный момент сварочного нагрева волокна пластины не могут свободно увеличиваться по длине из-за пре­пятствия со стороны соседних менее нагретых и холодных слоев металла. Поэтому в нагреваемых волокнах возникнут напряже­ния осевого сжатия. Эти напряжения быстро достигнут предела текучести от, вызывая в холодных частях пластин реактивные напряжения осевого ра'стяжения а2. іВ связи с повышением тем - 102

пературы в зоне активных напряжений каждой пластины Ьп бу­дут протекать деформации пластического сжатия.

С дальнейшим повышением температуры наиболее нагретый металл активной зоны перейдет в пластическое состояние, и напряжения сжатия в нем исчезнут, а вместе с ними соответ­ственно освободятся от реактивных напряжений осевого растя­жения холодные участи свариваемых пластин. При остывании наплавка шва, расплавленный и нагретый до пластического со-

стояния основной металл перейдут из пластического состояния в упругое. Свободное укорочение металла при его остывании невозможно из-за препятствий со стороны холодных и менее на­гретых участков каждой пластины. В сварном шве возникнут напряжения осевого растяжения, которые для своего равнове­сия вызовут в холодных участках пластин появление реактивных напряжений осевого сжатия.

По окончании остывания в активной зоне Ьо останутся на­пряжения растяжения, равные пределу текучести, если зона активных напряжений меньше половины ширины свариваемых пластин [5], [7], [8], [10], [12]. В остальной же части пластин оста­нутся реактивные напряжения осевого сжатия а2' (фиг. 49).

Активное внутреннее осевое усилие (усадочное усилие) равно

р==атрс = ать0 8. (116)

Из условия равновесия внутренних активных и реактивных осевых усилий получим

С 7 Fc = С2 {F — Fc)

или

с ТЬ08 = а2 (h0 — Ь0) 8,

где F — полное сечение сварного соединения;

Fc — сечение зоны активных напряжений. ,

Реактивное напряжение осевого сжатия а2 [формула (39)] будет

Теоретическая эпюра остаточных напряжений в сварном сое­динении при условии сохранения гипотезы плоских сечений, что является допустимым при малой и средней ширине пластин, показана на фиг. 49, б. Действительная эпюра остаточных на­пряжений будет иметь более плавное изменение напряжений в местах перемены их знака (фиг. 49, в). Явление изгиба отсутст­вует в рассматриваемом сварном соединении, так как направле­ние действия активного внутреннего усилия Р совпадает с цент­ральной осью сварного соединения, и изгибающий момент ра­вен нулю.

Укорочение сварного соединения от действия продольной усадки можно определить, исходя из остаточных реактивных напряжений упругого осевого сжатия волокон о2. Величина про­дольной усадки А/ (фиг. 49, а) равна

(117)

В пластинах большой ширины гипотеза плоских сечений на­рушается при местном приложении действующей силы. Реактив­ные напряжения а2 будут уменьшаться с удалением волокон от зоны активных напряжений 60- В крайних волокнах остаточные напряжения а2 будут затухать до нуля, как показано на фиг. 49, г. Остаточная деформация укорочения А/ от продольной усадки при сварке широких пластин имеет местный характер, образуясь на концах шва.

При сварке стыковым швом пластин различной ширины (фиг. 50, а) зона активных напряжений смещена относительно оси центров тяжести сечения сварного соединения [20].

Если допустим наличие условных продольных боковых ог­раничений, то теоретическая эпюра осевых остаточных напряже­ний от осевого действия внутренних усилий при отсутствии явле­ния изгиба будет подобна показанной на фиг. 50, б. Активное осевое внутреннее усилие Р определяется подобно формуле

(116)

Р = ат (Ьа+ ЬС)Ъ = стЬ08.

Реактивные внутренние осевые усилия Ра и Рс, действующие в крайних полосах а и с соответственно формулам (58) и (59) будут

Ра = и Рс = а2сЪ.

Так как Р = Ра + Рс или от{Ьа+Ьс)Ъ = а2а8+а2с8,

то реактивное напряжение осевого сжатия найдем по формуле (57а)

*тЩ±Ьс)=*1Ьо 2 а + с Л0 — b0 v

Приложив усилие Р в центре зоны активных напряжений, а таїкже представив его в виде двух составляющих Р а и Рс (фиг. 50, б), получим две пары сил

Ма=РаИ Мс = РсЦ^,

которые направлены в противоположные стороны и имеют раз­личное значение ввиду различных площадей сечения полос а и с.

При освобождении сварного соединения от условных боко­вых связей наблюдается явление изгиба. Изгибающий момент от действия внутренних активных и реактивных усилий, соглас­но формулам (60а), (606) и (60) будет

М = Ма — Мс = Раа-±^-

f 2 2 (А„ - &„)•

Выражение изгибающего момента (122) удовлетворяет лю­бому расположению зоны активных напряжений Ьо относитель­но оси центров тяжести соединения. Так, при с = 0, что имеет место при нагреве края пластины [формула (122)] совпадает с выражением (106).

При сварке стыковым швом пластин одинаковой ширины, когда с = а, изгибающий момент по формуле (122) приобретает нулевое значение.

Напряжения от изгиба, представленные на эпюре (фиг. 50, в), будут

п 6 Ph0(a — c) 3 сГЬй(а — с)

из~ W ~ 2 (Л0 — Ь0) йЛд ~ Ло (Ао — Ьо) ’ где W—момент сопротивления сечения всего соединения.

Теоретическая эпюра результирующих остаточных напряже - ний изображена на фиг. 50, г. Действительная эпюра остаточных
напряжений, учитывая постепенное нарастание активных напря­жений растяжения при остывании, показана на фиг. 50, д.

Сварное соединение изогнется как представлено пунктиром на фиг. 50, а. Кривая прогибов будет описываться известным из курса сопротивления материалов уравнением

Мх (I — л;)

~ 2EJ ’

где х — координата расстояния точки от левого конца сварного соединения;

J—момент инерции поперечного сечения сварного соеди­нения.

Наибольший прогиб на основании формулы (124) будет по­средине, где л; = 0,5/:

Ph0 (а — с) I2 _

2 (h0 — b0) 8EJ 3aTbQ (а — с) I2

±Eh* (h0-b0)

Формула прогиба (125) удовлетво­ряет люїбому расположению зоны ак - 1 тиівньіх напряжений Ь0 относительно 1j оси центров тяжести сварного соеди - /' нения.

I/ При нагреве края пластины с = 0,

- прогиб по формуле (125) будет/ =

что соответствует формуле

(107).

При сварке стыковым швом плас­тин одинаковой ширины с = а прогиб по формуле (125) приобретает нулевое значение.

При односторонней сварке стыковым швом пластин со ско­шенными кромками (фиг. 51) ширина зоны активных напряже­ний изменяется по толщине металла. В этом случае центр се­чения зоны активных напряжений смещен относительно центра тяжести сечения сварного соединения на эксцентрицитет е. Точка приложения равнодействующей активных усилий будет в центре тяжести сечения активной зоны. Изгибающий момент от внутренних усилий М = Ре будет действовать в плоскости, пересекающей 'первоначальную плоскость. пластин. Деформация изгиба от действия продольных внутренних усилий тоже будет выходить из первоначальной плоскости пластин (фиг. 51). По­мимо изгиба сварного соединения от действия продольной усад­ки, будем інаблюдать еще угловую деформацию из .плоскости от действия поперечной усадки.