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

где

и далее по формулам (121) и (122) находим новые более близкие зна­

81

На рис. 38 приведена зависимость Кс о т ---- - f - .

Су £$0

Жирная кривая на рис. 38 построена для рассматриваемого слу­ чая нагрева быстродвижущимся точечным источником, применимая для всех материалов, у которых большой запас температурной упру­ гой деформации (аТ0) по отношению к es. Этот запас должен быть

Если свариваемый материал имеет— - = 2, то Кс = 0—по фор-

муле (122). В этом случае отсутствует запас температурной упругой деформации (ек = а Т 0). Для удобства расчетов на рис. 38 про­ ведены горизонтальные прямые, ограничивающие максимально воз­

можные значения Кс для материалов, имеющих es = 2,5 и es =

.= 3,0.

Для случаев — «£ 10 (наплавка на листы большой толщины

Су 8$0

с малой погонной энергией) форма источника (форма прогрева) не оказывает существенного влияния на величину Кс. При сварке тон­

имеется сквозной прогрев и деформации определяются в соответ­ ствии с описанием в § 13.

82

§ 13

Поперечные деформации при наплавке валика быстродвижущимся источником на тонкий лист бесконечных размеров

При наплавке валика на тонкий лист происходит сосредоточенный в небольшом объеме мгновенный нагрев листа по всей толщине до температуры Т > Тпл.

В результате за источником нагрева (рис. 39) лист полностью теряет упругие свойства в поперечном направлении до тех пор, пока шов при остывании не приобретет упругие свойства, т. е. до

Рис. 39. Температурные деформации в случае мощного быстродвижущегося линейного источника, равномерно распределенного по толщине плас­ тины.

момента, пока его температура не снизится до 7*0 (температура, при которой материал теряет свои упругие свойства, когда ат «=* 0).

Следовательно, на этом участке, пока шов не приобрел упругие свойства, действительные (ед) и упругие (еуп) поперечные деформа­ ции равны нулю, а температурные (а Т ) деформации вызывают только пластические деформации укорочения, т. е. аТ = — епл.

При быстродвижущемся линейном источнике тепло распростра­ няется только в направлении, перпендикулярном шву.

В этом случае, если пренебречь теплоотдачей с поверхности ли­ стов, сокращение охлаждаемых волокон в поперечном ко шву на­ правлении равно удлинению нагреваемых соседних волокон. Следо­ вательно, тепло, распространяемое в стороны от шва, вызывает не упругие поперечные деформации в нагреваемых волокнах, а простое смещение их ко шву. Ненагретые волокна перед швом также не пре­ пятствуют смещению нагреваемых волокон за швом, так как источник принят быстродвижущимся (скорость перемещения источника пре-

83

Восходит скорость распространения температуры в стороны от шва) *.

Поэтому при наплавке валика на тонкий лист быстродвижущимся источником в поперечном направлении обратные пластические де­ формации удлинения не возникнут.

Каковы максимально возможные пластические деформации в по­

Для этого следует рассмотреть (см. рис. 39) поле температурных деформаций от мощного быстродвижущегося линейного источника, равномерно распределенного по толщине пластины, без тепло­ отдачи [90]

Рассматривая температуру и соответствующие ей относительные удлинения в сечении I —хА, где температура шва равна Т 0 в момент

где температура шва меньше Т 0, что также будет соответствовать рас­

пределению температуры в сечении | — хх| в момент t 2 — -- *а ^,

У СВ

мы видим, что волокна на участке ОА около шва, охлаждаясь, со­ кращаются, а соседние волокна АВ, нагреваясь, расширяются

(см. рис. 39).

Укорочение участка ОА в поперечном к шву направлении равно площади CDE, а удлинение участка А В —■площади BEF.

Если пренебречь теплоотдачей с поверхности листов, то площади CDE и BEF будут равны.

Поперечное укорочение (сближение листов) появляется вслед­ ствие отдачи тепла с поверхности листов, начиная с момента, когда

* Случай нагрева тонких листов источником с относительно малой скоростью перемещения, при котором тепло, обгоняя источник, вызывает потерю устойчивости листа перед источником, рассмотрен в § 17.

84

Если теплоотдача с поверхностей будет происходить относительно

медленно, то при охлаждении не возникнут обратные пластические деформации удлинения.

Полное остаточное укорочение в поперечном направлении будет

Подставив значение ет, определяемое по формуле (126), в фор­

Использовав интеграл вероятности

Окончательно поперечное укорочение от одного прохода выглядит так:

Подставив (130) в (125), получаем формулу для определения по­ гонного объема поперечного укорочения для случая наплавки валика на тонкий лист бесконечных размеров *:

85

При этом центр тяжести объема поперечного укорочения на­

не учитывалась теплоотдача с поверхности свариваемых листов? Было уже показано, что после понижения температуры шва до Т 0 (шов приобрел упругие свойства) теплоотдача с поверхности свари­ ваемых листов не изменяет величину остаточных поперечных дефор­ маций, она только выявляет их (вызывает сближение кромок). Следо­ вательно, поперечное укорочение определяется теплосодержанием поперечного сечения листа при температуре шва Т 0. Теплоотдача

споверхности листа до того момента, как шов приобрел температуру

Т0, не будет вызывать поперечного укорочения. Потерю этой доли тепла учитывает эффективныый к. п. д. нагрева листа (ri). Эта доля тепла незначительна, так как шов быстро приобретает упругие свой­ ства. Но, чтобы указанная теплоотдача с поверхности листа совер­ шенно не сказывалась на поперечном укорочении, калориметрирование образцов при определении ц производят в тот момент, когда середина длины шва приобретает температуру Т 0. Кроме этого, при сварке под флюсом в случае сквозного прогрева из расчетов необхо­ димо исключить тепло, идущее на нагрев и расплавление флюса, так как образование остаточных поперечных деформаций в этом случае заканчивается до перехода тепла флюса в металл, т. е. в формулах

(130) и (131) необходимо принимать

§ И

Влияние продольных деформаций на поперечное укорочение

Если при наплавке валика на полубесконечное тело продольные пластические деформации не оказывают влияния на остаточные поперечные пластические деформации, то в случае наплавки валика на тонкий лист продольные пластические деформации будут вызывать дополнительные поперечные укорочения. Величина этих дополни­ тельных пластических деформаций (Ада) определяется следующим образом.

Известно, что для свободного тела пластические деформации в каком-либо направлении будут вызывать соответствующие одина­ ковые деформации в двух других направлениях. Следовательно, 50% продольных пластических деформаций пойдет на изменение толщины свариваемых листов, а 50?-^ — на изменение поперечных деформа­ ций. Очевидно, что пока шов не приобретет упругие свойства, про­ дольные пластические деформации будут вызывать соответствующие пластические деформации по ширине и толщине. И только после

86

приобретения швом упругих свойств, т. е. когда его температура снизится до Т 0, продольные пластические деформации будут вызывать поперечные перемещения (изменение поперечного укорочения).

После приобретения швом упругих свойств возникают (рис. 40) как продольные пластические деформации удлинения (зона А около шва), так и продольные пластические деформации укорочения (зона В).

Обратные продольные пластические деформации удлинения (е™), возникающие в сварном соединении после остывания шва до темпе­ ратуры 1 о, одновременно уменьшают толщину листа и вызывают дополнительные поперечные деформации

где Fedgh — площадь фигуры edgh (рис. 40).

Величина Дупл = у™— и™ представляет собой изменение по­ гонного объема продольных пластических деформаций, происходя­ щих после приобретения швом упругих свойств. Определяется она из следующего выражения (рис. 40):

ДРпл = Рп£ —Рпл = Fbcd £ б — Fedgh £ б =

87

где

Подставив в формулу полученные значения ет, ут, уТ и проинте­ грировав, получим:

Таким образом, изменение погонного объема продольных пласти­

ческих деформаций прямо пропорционально величине — qa изави-

су

сит от интенсивности теплоотдачи и безразмерных параметров а Т 0

и.

K d

Из рис. 40 видно, что чем больше отношение— - = —т~~ t тем

больше суммарная величина продольных пластических деформаций, возникающих после приобретения швом упругих свойств.

Графоаналитические расчеты показали, что интенсивность тепло­ отдачи не оказывает существенного влияния на величину Ai>nJ1.

Поэтому приближенно можно принять

='-K D>

Изменение продольных пластических деформаций Дипл вызывает изменение поперечных укорочений и уменьшение толщины.

В случае сквозного прогрева дополнительный объем поперечного укорочения (Aw j, вызываемый продольными пластическими дефор­ мациями, будет равен

88

Коэффициент /Сц = ц / учитывает влияние продольны х

пластических деформаций на поперечное укорочение и показывает, какую долю составляет дополнительное поперечное укорочение (Ддол) от поперечного укорочения w„.

Значение коэффициента Ку определяется по рис. 41, который построен по данным графоаналитических расчетов, выполненных для основных судокорпусных материалов при различных режимах сварки.

=-^-<7п.п(1+*ц). (136)

Пр и м е р . Определить поперечное укорочение стыкового соединения листов толщиной 6 = 4 мм при автоматической сварке под слоем флюса ОСЦ-45 с двух

сторон и жестком закреплении против изгиба.

.. 300.49

9 П= 0 . 2 4 . ^ — -.36-0,85 = 1760 кал/см.

По формуле (133) <7П п = (1 — 0,37)- 1380 = 870 кал/см;

q"a п = (1 — 0,37) • 1760 = 1110 кал/см.

По формуле (135) Д6 Х= 0,033 см; А6 2 = 0,044 см.

Поперечное укорочение от сварки с двух сторон АЬ1 + АЬ2 = 0,77 мм.

§ 15

Влияние толщины листа на поперечные деформации

Для тонких листов поперечное укорочение от наплавки валика необходимо определять по формуле (134), а для очень толстых листов по формулам (114) или (119).

89

В связи с этим возникают два вопроса: 1. Какие листы в расчетах можно считать толстыми, а какие тонкими? 2. Как учитывать влия­ ние толщины листа на поперечное укорочение и угловые деформа­ ции?

Понятие толстый и тонкий лист при расчетах деформаций является относительным. Все зависит от степени прогрева свариваемых листов, точнее от относительной глубины проникновения температуры, при которой материал теряет свои упругие свойства *.

Металлы обычно теряют свои упругие свойства при температуре Г 0 = (0,5ч-0,6) Тпл (рис. 13). Для судостроительных сталей Т 0 = = 700—900° С (табл. 1).

Для определения глубины проникновения максимальной темпе­ ратуры обычно используется следующая формула:

(137)

Однако эта формула, выведенная при условии действия точеч­ ного источника на полубесконечное тело, дает удовлетворительное решение на значительном удалении от источника, т. е. при определе­ нии радиуса относительно малых максимальных температур (Тт << < 0,2 Гпл).

Как показал опыт, определение глубины проникновения темпе­

зависит от формы источника, т. е. от фактического распределения тепла дуги по поверхности пятна нагрева, углубленного в кратер.

В общем случае распределение максимальных температур в зоне, близкой к источнику, зависит не только от погонной энергии и свойств материала, но и от диаметра и наклона электрода, силы тока,

туры 7V

Основное влияние на степень прогрева оказывает погонная энер­ гия сварки (137). При заданной погонной энергии увеличение силы тока (следовательно, одновременное увеличение скорости сварки) вызывает увеличение прогрева листа по толщине, так как при этом увеличивается давление дуги, и расплавленный металл более ин­ тенсивно вытесняется из ванны, вследствие чего дуга, углубляясь, начинает воздействовать непосредственно на дно ванны, увеличивая проплавление и прогрев листа по толщине.

Увеличение напряжения на дуге при заданной погонной энергии (следовательно, одновременное снижение силы тока или увеличение

* Условно принято, что материал при нагреве теряет свои упругие свойства, когда предел текучести становится меньше 0,1 предела текучести при 0° С.

90