книги из ГПНТБ / Кузьминов С.А. Сварочные деформации судовых корпусных конструкций

§ 8

Остаточные продольные деформации при сварке тавровых соединений

Односторонний сплошной шов. Если теплоотдача с поверхности привариваемого набора и обшивки одинакова, то продольные дефор­ мации таврового соединения можно определять совместно для набора и обшивки по формуле (81). Для этого необходимо, чтобы условия охлаждения и толщины свариваемых элементов в соответствии с формулой (51) были одинаковы. В противном случае [продольные деформации следует определять раздельно для набора и обшивки. По формулам (14) и (15) определяют погонную энергию нагрева полотнища (<7Пп) и погонную

энергию нагрева ребра (qn р). Затем по формуле (81) нахо­ дят ип и Up. Суммарный по­ гонный объем продольного укорочения таврового соеди­ нения

61

в средней части шва (сечение а—а на рис. 30) распределение темпе­ ратуры по сечению не отличается от распределения температуры по сечению в случае сплошного шва. Погонный объем укорочения в этих сечениях определяется по формуле (92).

По концам каждого валика прерывистого шва (сечение б—б) тепло распространяется как в поперечном, так и продольном направ­ лениях. В результате максимальные температуры и соответствующие температурные деформации точек сечения уменьшаются, вследствие чего уменьшается FaK в этих сечениях. Но распространение тепла вдоль шва создает температурное поле в сечениях за валиком (сече­ ние в—в), в результате чего появляются пластические деформации в этих сечениях.

62

На рис. 30 показано распределение погонного объема укорочения по длине прерывистого шва.

Объем продольного укорочения всего сварного соединения равен сумме заштрихованных площадей на рис. 30.

Приближенно можно считать, что объем продольного укорочения одного валика равен vlnp [65].

Рис. 30. Распределение остаточных деформаций по длине балки при прерывистой сварке.

Следовательно, объем продольного укорочения всего сварного

какой стороне привариваемого элемента он находится), см. Положение центра тяжести объема продольного укорочения при прерывистой сварке определяется как и для сплошного шва по фор­

муле (93).

Для большинства судостроительных тавровых соединений (при­ варка набора к обшивке, приварка поясков набора к стенке и т. п.) объем продольного укорочения можно определять по формуле (89). При этом центр тяжести объема обычно находится на внутренней поверхности полотнища (пояска).

§ 9

Влияние начальных напряжений на продольные деформации

Общие теоретические предпосылки* Формулы (37). (58), и (67)

выведены при условии отсутствия начальных напряжений в свари­ ваемой конструкции.

63

Однако в свариваемых деталях могут быть начальные напряже­ ния, вызванные внешней нагрузкой, тепловой резкой кромок свари­ ваемых листов или сваркой предыдущих проходов.

Начальные напряжения в нагреваемых волокнах могут суще­ ственно изменить величину остаточных пластических деформаций.

Это влияние будем учитывать коэффициентом Ка, введя его множителем в формулу (67).

В общем случае, остаточное продольное укорочение сварного соединения, приходящееся на единицу длины шва от каждого прохода, найдем по формуле

(96)

считая, что судовые конструкции имеют достаточную жесткость и

Kq

Зависимость Ко от начальных напряжений в сварной конструкции можно определить как отношение объема продольного укорочения при данном напряжении к объему продольного укорочения при напряжении, равном нулю, по формуле

(97)

Известно [58], [61], что если в нагреваемых волокнах имелись продольные напряжения растяжения,* равные пределу текучести, то в этих волокнах не будут возникать остаточные пластические дефор­ мации. В этом случае при нагреве вначале будут сняты напряжения растяжения, потом возникнут напряжения сжатия и пластические деформации укорочения. Далее при остывании сперва снимутся напряжения сжатия, потом возникнут напряжения растяжения, равные пределу текучести, и обратные пластические деформации удлинения, равные пластическим деформациям укорочения при нагреве. В результате этого термического цикла остаточные пласти­ ческие деформации будут равны нулю.

Если продольные волокна имеют напряжения сжатия, равные пределу текучести, то при нагреве этих волокон сразу будут воз­ никать пластические деформации укорочения.

Рассмотрим случай наплавки валика на лист с напряжениями сжатия, созданными внешней заделкой и равными сгт.

После остывания в зоне значительного нагрева остаточные про­ дольные деформации удваиваются (вместо es будут равны 2es), а зона пластических деформаций увеличивается (рис. 31).

Объем продольного укорочения, приходящийся на единицу длины и толщины листа | —\ определяется площадью, ограниченной кри-

вой максимальных тепловых деформаций, и прямой 2es (площадь Ob0c3t3 или 0boc2t2 на рис. 31). Если пренебречь теплоотдачей с по-

* Эти напряжения можно создать либо внешней нагрузкой, либо предваритель­ ной наплавкой валиков. В обоих случаях кострукдия принимается жесткой.

64

верхности листов, то зона пластических деформаций будет теорети­ чески бесконечно большой (площадь, ограниченная прямой й0сх

икривой ет при а 0 = 0).

Рис. 31. Максимальные температурные деформации (гт) при различных коэффициентах теплоотдачи (а0).

кзначению, определяемому площадью a 0&0Cxd! или a 0boC3d3. Если предварительные напряжения в нагреваемых волокнах рас­

Имея кривые максимальных температурных деформаций от источ­ ников различной мощности и при различной теплоотдаче и задаваясь

различными первоначальными упругими деформациями .

графически можно определить остаточные пластические деформации и коэффициент Ка при заданных условиях.

На рис. 32 приведены кривые зависимости Ка от относительных первоначальных продольных напряжений, построенные по данным рис. 31.

Из рис. 32 видно, что мощность источника (интенсивность погон­ ной энергии) не влияет на коэффициент Ка (кривые при а 0 = О совпадают).

Теплоотдача также не влияет на Ка при напряжениях растяже­ ния, но снижает Ка при больших напряжениях сжатия. Однако влияние интенсивности теплоотдачи, как видно из рис. 32, незначи-

%

2.4

2,2

2,0

Ь8

1,6

1.4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

Рис. 32. График для определения коэффициента Ка, учитывающего влияние величины и знака начальных продольных напряжений (о = 8 Е) в нагреваемых волокнах на остаточные продольные уко­

рочения.

тельно и при естественной теплоотдаче можно пользоваться сплош­ ной кривой для определения Ка для всех материалов и всех методов сварки.

Аналогично продольным, поперечные напряжения также могут оказывать влияние на продольные деформации.

На достаточном расстоянии от кромок поперечные напряжения (а) вызывают продольные напряжения в листах *, равные ра, где р — коэффициент Пуассона. Эти напряжения и будут оказывать соответ­ ствующее влияние на продольные деформации. Степень влияния поперечных напряжений на продольные деформации может быть определена по сплошной кривой (рис. 32), где вместо а надо под­ ставить ра ^ 0,3а.

* Предполагается, что на достаточном удалении от кромок продольные де­ формации, вызываемые поперечными напряжениями, запрещены.

66

Если продольные деформации, вызываемые поперечными напря­ жениями, не будут запрещены, то поперечные напряжения не влияют на продольные сварочные деформации.

Так как поперечные пластические деформации формируются раньше продольных (при сварке тонких листов) или в крайнем слу­ чае — одновременно (при сварке листов большой толщины), то они не будут влиять на величину остаточных продольных деформаций.

Судовые сварные конструкции обычно имеют большое количество швов, свариваемых в определенной последовательности. При на­ плавке очередного шва необходимо знать в нагреваемых волокнах средние напряжения, вызванные сваркой предыдущих швов. Влия­ ние напряженного состояния от наплавки предыдущих швов на де­ формацию от последующих швов подробно рассмотрено в работе [65]

на примере пластины. Установлено, что если FaK последующего

шва частично или полностью накладывается на FaK предыдущего шва, то деформация от последующего шва будет меньше на величину

отношения наложившейся части FaK ко всей площади FaK.

В судовых конструкциях швы расположены на значительном рас­ стоянии один от другого и зоны пластических деформаций от сварки этих швов не накладываются. В этих случаях деформация от не­ скольких швов равна геометрической сумме деформаций от отдель­ ных швов. Кроме этого, судовые конструкции обычно имеют боль­ шую жесткость и напряжения в зоне сварных соединений, вызывае­ мые сваркой предыдущих швов, незначительны, и для большинства швов в расчетах можно принимать Ка = 1.

Однако в практике судостроения встречаются случаи, когда необходимо определять продольные укорочения с учетом предвари­ тельного напряженного состояния. К ним относятся многопроходная сварка стыковых и тавровых соединений и сварка листов, обработан­ ных тепловой резкой.

Многопроходная сварка стыковых и тавровых соединений^ В об­ щем случае при многопроходной сварке наплавка последующих про­ ходов может увеличить, оставить без изменения и даже уменьшить деформацию, вызванную предыдущими проходами, в зависимости от режимов, условий наплавки валиков и жесткости конструкции.

Для нежестких конструкций (если Q ^ 6) увеличение погонной энергии сварки последующих проходов приводит к уменьшению суммарных остаточных деформаций (погонная энергия возрастает медленнее, чем уменьшается коэффициент Ко, т. е. произведение ЦпКа уменьшается). Наоборот, уменьшение погонной энергии в этих случаях увеличивает суммарные пластические деформации укороче­ ния.

Для жестких конструкций (если У < 6) увеличение погонной энергии последующих проходов вызывает соответствующее увеличе­ ние остаточных пластических деформаций. Однако при сварке листов малой толщины, когда число проходов мало (не более трех), объем продольного укорочения практически определяется одним проходом, имеющим максимальную погонную энергию.

При многослойной сварке стыковых соединений FaK отдельных слоев полностью накладываются друг на друга, и деформация опре­ деляется также только одним слоем, который дает наибольшую FaK, т. е. проходом, имеющим максимальную погонную энергию.

При сварке листов больших толщин с V-, X- и К-образными разделками кромок и большим числом проходов (т ^ 4) последую­ щие проходы будут расширять площадь пластических деформаций,

аследовательно, и увеличивать объем продольного укорочения.

Вобщем случае погонный объем продольного укорочения свар­ ного соединения можно определять по формуле

Однако формулами (96) и (98) пользоваться неудобно, так как трудно определять средние напряжения в нагреваемых волокнах перед наплавкой каждого валика.

При отсутствии внешней нагрузки погонный объем продольного укорочения многопроходного сварного соединения листов больших

При многопроходной сварке листов больших толщин конструкция обычно имеет большую жесткость, для которой можно принять Kq = ](D = Xv = 1 и К%6 = 0,76. В этом случае можно записать

AFaK— разница площадей пластических деформаций основного металла от выполнения всего сварного соединения и от одного прохода, выполненного с максимальной погон­ ной энергией, см2.

Для листов толщиной менее 100 мм на основании расчетов и гра­ фических построений получено, что

68

Рис. 33. Зона продольных пластических деформаций при сварке тавровых соедине­ ний: а — отсутствие прогрева пояска; б — сквозной прогрев пояска.

При сварке способом «дуга в дугу» погонный объем продольного укорочения ум определяется исходя из суммарной величины погон­ ной энергии двух одновременно выполняемых проходов.

Формулы (99) и (107) применимы также для случаев многопроход­ ной сварки швов тавровых и угловых соединений с V- и К-образными разделками кромок.

При сварке тавровых соединений с двух сторон сплошными или

69

В этом случае для жестких конструкций

где гак — глубина зоны пластических деформаций, см.

тавровых соединений судовых конструкций, свариваемых за один

70