§ 3. Образование деформаций, напряжений и перемещений при сварне

Процесс сварки обычно сопровождается неравномерным на­гревом, расширением металла и пластическими деформациями, что приводит к образованию собственных деформаций и напря­жении. Собственные напряжения создают так называемые внут­ренние усилия в деталях и конструкциях; под действием этих сил могут возникать значительные перемещения отдельных точек сварных конструкций вследствие их укорочения, изгиба, закру­чивания и т. п.

а — коэффициент линейного расширения; А, — коэффициент теплопроводности; fe — объемная теплоемкость; а — коэффициент температуропроводности.

139

Собственными деформациями металла и напряжениями в нем обычно интересуются, когда требуется установить изменение свойств металла н его состояния для оценки прочности при ста­тических и переменных нагрузках, коррозионной стойкости, тех­нологической прочности н др.

Остаточные перемещения в сварных конструкциях, вызван­ные процессом сварки, могут влиять на такие эксплуатационные свойства, как точность, сопротивление потоку жидкости или га­за, устойчивость, а также на процесс сборки при произ­водстве сварных конструкций. Перемещения могут заметно искажать заданные, проектные формы изделий и ухудшать их вид.

Обычно деформации и напряжения, а также перемещения определяют отдельно, используя различные расчетные методы и приемы.

Рассмотрим образование деформаций и напряжений при однопроходной сварке встык двух пластин в предположении, что напряжения одноосны, соблюдается гипотеза плоских сечений (поперечные сечения свариваемых пластин не искривляются), идеально упруго-пластический материал имеет зависимость з_т =f(T), представленную на рис. 6-4,6 ломаной линией /.

В методе Г. А. Николаева [4] рассматривается распределение деформаций и напряжений в сечении 1—1, где область, ограни­ченная изотермой 600°С, имеет наибольшую ширину (рис.6-5,б). Температурные деформации волокон пластины равны величи­не а Г. Так как волокна связаны между собой и деформируются совместно, то в них возникают дополнительные деформации. На рис. 6-5, а деформации укорочения показаны со знаком минус, а деформации удлинения — со знаком плюс. Пластические де­формации показаны косой штриховкой, упругие—прямой. Вели­чина упругих деформаций на участке k отложена в соответствии с зависимостью ст_г от температуры для Ст. 3 (см. рис. 6-4). Пря­мая т—т' на рис. 6-5, а показывает положение сечения пласти­ны, Она проводится с учетом условия уравновешенности эпюры упругих деформаций.

Пластические деформации укорочения являются причиной образования остаточных напряжений. На рис. 6-5, в они показа­ны линией add'а'. Величина пластических деформаций в зоне с температурой нагрева выше 600° С определяется условно. Де­формации при Г;>600^оС в расчет не вводятся ввиду того, что при этих температурах предполагается отсутствие напряжений. Поэтому на рис. 6-5, а они ограничены линией gd,

Эпюра add'а' на рис. 6-5, в выражает укорочение волокон, ко­торое произошло в зоне пластических деформаций в период нагрева металла. Это укорочение волокон обнаружится лишь при остывании металла и приведет к образованию растягиваю­щих напряжений.

НО

Для определения остаточных деформаций необходимо про­вести прямую п—п' так, чтобы площадки у положительной и от­рицательной части эпюры были равны. Если бы волокна при

Рис. 6-5. Определение продольных деформаций и напряжении при сварке пластин (по Г. А. Ни­колаеву):

о) распределение температур и деформаций в сечении /—/; 6) распределение температур в плаеттше; и) оста­точные деформации и напряжения

остывании сокращались беспрепятственно, то их укорочение соответствовало бы кривой add'а'. Связь с соседними волокнами вызывает появление растягивающих напряжений, которые, до­стигнув ст_т, создают па стадии остывания пластические деформа-

141

ции удлинения. Эти деформации удлинения представлены эпю­рой fdd'f (рис. 6-5,в). Умножив ординаты эпюры деформаций па модуль упругости Е, получим эпюру остаточных напряжений (заштрихованная часть на рис. 6-5, в).

Максимальные значения а_ост на участке /—/' равны а_т. Зона шириной 2Ь_Р носпт название зоны растягивающих напряжений, а зона 2Ь_п —зоны пластических деформаций.

При расчетном определении перемещений, возникающих в сварных конструкциях от продольного сокращения металла, используется фиктивная усадочная сила Р_ус, величина которой в данном случае пропорциональна площади зоны остаточных пластических деформаций aff'a'

Ру_С = } е_пл.ост stay"-.

При определении фиктивной силы методом Н. О. Окерблома используется не распределение температур в сечении J—1, а эпюра максимальных температур, до которых нагревается ме­талл. Ширина зоны пластических деформаций 2Ь„ оказывается при этом больше действительной. Приближенно усадочная сила (в кГ) в этом случае вычисляется для низкоуглеродистых и низ­колегированных сталей по формуле

Я_ус [*Г]-~1,7 -£-, (6.2)

где q/Vf. — погонная энергия сварки, дж/см;

q — эффективная мощность источника тепла, дж/сек; v_c — скорость сварки, см/сек. В действительности усадочные силы меньше вычисляемых по формуле (6.2) примерно па 30%. Для приближенного определе­ния усадочной силы в алюминиевом сплаве АМгб можно исполь­зовать формулы:

в стыковых соединениях

^с=-(М-:-1,5)-£-; (6.2')

в тавровых соединениях при одном угловом шве

Р_ус=-(1,6-:-1,7) {~. (6.2")

* Так как впл.ост. в данном случае являются деформациями укорочения и имеют знак минус, то сила Р_уо является сжимающей. Если учитывать объ­емные изменения металла в процессе тех фазовых превращений, которые про­исходят при температурах ниже 600³ С, о чем сказано далее, то в некоторых зонах по ширине сварного соединения величина е пл.ос-г будет иметь знак плюс, а интеграл (6.1) может дать растягивающую фиктивную силу.

142

Под действием усадочной силы пластина испытывает относи­тельную продольную деформацию е_пр (рис. 6-5, в), а на всей длине L—■ укорочение Л

л

Пр

■пр

L.

Существуют более точные методы определения сварочных напряжений с учетом их двухосности и изменения свойств метал­ла в зависимости от температуры [1].

Остаточные напряжения в сварных соединениях аустенитпых сталей, алюминиевых и титановых сплавов, не испытывающих структурных превращений (рис. 6-6,а, кривая 1), по характеру распределения аналогичны малоуглеродистым сталям. Однако, если в малоуглеродистых и аустеннтных сталях максимальные

и)

Ъ%

			у
---------	'ч,	^
		Лг
	' 1
		)

t,s

t„2

0.8

ОМ

Рис. 6-6. Характерные дилатограммы сталей (а): аустешшюй — 1

и перлитной — 2 и распределение остаточных напряжений Ох в сред-

нелепфованной стали, сваренной аустеннтным швом (б)

остаточные напряжения близки к пределу текучести металла, то в алюминиевых и титановых сплавах они, как правило, состав­ляют (0,6—0,8) ст_т.

В легированных сталях при нагреве выше температуры A_Tl а затем при охлаждении происходят структурные превращения, сопровождающиеся изменением объема металла. На рис. 6-6, а кривая 2 показывает изменение линейного размера на стадии охлаждения в случае, если металл был нагрет выше температу­ры структурных превращений А_г„. До температуры, равной при­мерно 300° С (рис. 6-6, а, кривая 2), происходит укорочение ме­талла, а затем в интервале температур 300—100° С, несмотря па уменьшение температуры, происходит увеличение объема метал­ла, вызванное структурным превращением. Остаточные напря­жения в сварном соединении из такой стали имеют сложный характер (рис. 6-6,6). Например, при сварке легированной стали аустепптными электродами остаточные напряжения в шве будут примерно равны пределу текучести аустенитного металла (зо­на /]). К шву примыкает зона 4, которая нагревалась выше

143

температуры А_Гз. В иен вследствие расширения металла при сравнительно низких температурах (кривая 2 на рис. 6-6, а) воз­никли остаточные напряжения сжатия. Зона 1_Ъ также нагрева­лась до высоких температур, но ниже A_Tf. В ней при нагреве происходили значительные пластические деформации укороче­ния, в результате которых после остывания возникли остаточные напряжения растяжения, достигающие предела текучести леги­рованной стали. В этой зоне при нагреве и остывании не было структурных превращений, сопровождающихся изменением объ­ема. Зона U — зона упругих деформаций. Знак напряжений в зо­не U зависит от распреде­ления деформаций и на­пряжений в зонах 1_и 1₂ и /₃- Например, если при­садочный металл имеет тот же химический со­став, что и основной леги­рованный металл, в шве вследствие структурных превращений будут оста­точные напряжения сжа­тия. При этом ввиду воз­можной уравновешенно­сти эпюры в_х в пределах зон /_ь /₂, /₃ остаточные на­пряжения в зоне U могут быть близкими к нулю или даже растягивающи­ми. Это указывает на то, что при сварке легиро­ванных сталей, испытывающих структурные превращения, воз­можно получение фиктивной силы Р_ус, близкой к нулю, или да­же растягивающей.

Рассмотрим перемещение кромок при сварке пластин встык с зазором (рис. 6-7). Металл при нагреве расширяется не только в направлении Ох, но и в перпендикулярном направлении Оу. Характер перемещения края пластины, по кромке которой дви­жется источник тепла, показан кривой v на рис. 6-7, а. При иод-ходе источника тепла (точка О) кромка интенсивно переметнет­ся (участок CBD), достигая максимального перемещения v _гоях в точке О. Затем по мере остывания металла край пластины по­степенно возвращается в исходное положение. Чем больше теплоотдача в воздух, тем интенсивнее перемещение кромки. Если свариваются две пластины с зазором (рис. 6-7» б), то кром­ка каждой из пластин испытывает поперечное перемещение v. В момент сваривания перемещения достигают максимальной ве­личины о_тйх, а взаимное приближение кромок составляет 2v_max .

Рис. 6-7. Схема образования поперечной усадки при однопроходной сварке встык

144

На участке ОА металл обладает небольшим сопротивлением пластической деформации, в результате чего он испытывает удлинение 2(v_max—v_A). В точке А пластическое удлинение ме­талла прекращается и таким образом фиксируется взаимное сближение кромок, равное 2v_A, В процессе остывания пластины подтягиваются друг к другу и возникает поперечная усадка Д ПС.П—2ВА. В пластинах, которые свариваются без зазора, пере­мещение кромок впереди источника тепла не может осуществ­ляться беспрепятственно. До некоторой точки В (рнс. 6-7, а) происходит упругая деформация; а от точки В до точки D — пла­стическая. Поперечная усадка оказывается меньше, чем при сварке с зазором.

При упругом протекании процесса без пластических дефор­маций теоретическое решение дает максимально возможное пере­мещение кромок

где s — толщина пластины, см; и_с — скорость сварки, см/сек; *7 —эффективная мощность источника нагрева, дж/сек. Фактически величина поперечного укорочения, как было объ­яснено выше, меньше теоретически возможного. При электроду-говоГе однопроходной сварке металла встык толщиной до 12—16 мм поперечное укорочение равно

Д„_опя*(0,5-*-0,7)2-у_тах, (6-4)

а иногда и меньше.

Формулой (6.4) можно пользоваться также для приближен­ного определения поперечного укорочения, когда шов укладыва­ется па целую пластину без полного провара, например при сварке внахлестку или втавр.