книги / Сварка в машиностроении. Т. 3

ны* — в сечении 1—1 (рис, 7, б), соответствующем наибольшей ширине изотермы 60(гС (для сталей); остаточных — в сечении 2—2 после полного остывания пластины (сечение 2—2 на рис. 7, б как находящееся за пределами рисунка не показано).

Рассмотрим определение продольных деформаций и напряжений ох при сварке встык двух пластин при полной их ширине 2В. Согласно (1) собствен­ ные деформации (еупр + епл) равны разности наблюдаемых деформаций еи и температурных деформаций еа = а Т:

упругие деформации показаны вертикальной штриховкой, а пластические — наклонной. Признаком правильности выбора величины ен является равенство нулю суммы напряжений, т. е. уравновешенность эпюры упругих деформаций.

Для определения остаточных деформаций и напряжений надлежит восполь­ зоваться уравнением (3) в следующей форме записи:

После полного остывания Т = 0, следовательно, еа также равно нулю. В качестве начальных деформаций е0 служат пластические деформации, возникшие при нагреве в сечении 1— / (показаны косой штриховкой на рис. 7, а). На рис. 7, в они показаны кривой ale f V , Задаются некоторой отрицательной величиной

еи и смещают начало координат в положение пп\ Разделяют полные деформации на упругие и пластические. Упругие деформации (они могут рассматриваться и как остаточные напряжения ох) показаны вертикальной штриховкой; наклон­ ной штриховкой показаны пластические деформации удлинения, возникшие на стадии остьшания. Остаточные пластические деформации представляют собой

- * п

где 2Ьп — ширина зоны пластических деформаций; Ô — толщина пластины.

По величине ен можно определить продольное укорочение Апр пластины длиной

Вметоде Н. О. Окерблома используют те же допущения, что и в методе

Г.А. Николаева. Для определения остаточных напряжений и деформаций на стадии нагрева и остывания рассматривают не одно, а несколько сечений, распо­ ложенных друг за другом. По алгоритмам рассмотренных методов для машинного решения задач на ЦВМ разработаны соответствующие программы [15]. В методе, изложенном в работе [6], также рассматривают серию поперечных сечений при допущениях 1 и 2. Модуль упругости и предел текучести зависят от температуры, приближенно учитывают упрочнение металла при пластической деформации.

Неодноосные напряжения при сварке определяют методами теории упру­ гости и пластичности. Упругие решения находят классическими методами, раз­ работанными для температурных задач в теории упругости [1]. Пластические решения выполняют либо приближенно [9, 16], либо более точно на базе совре­ менных теорий пластичности. Методы решения упругопластических сварочных задач с применением теории течения разработаны в работе [12], а методы решения задач с движущимися упругопластическими полями — в работе [2]; понятие термодеформационного цикла сварки как основы физической модел^процесса упруго-пластической деформации металла в условиях изменяющихся температур введено в работе [3]. Для решения сложных задач нашел применение метод ко­ нечных элементов.

Для определения остаточных и временных деформаций и напряжений раз­ работаны также экспериментальные методы. Остаточные напряжения определяют как физическими методами — рентгеновским [17], магнитным [13], ультразву­

ковым [7], так и механическими методами, основанными на разрезке металла и освобождении его от напряжений. Наибольшее распространение получили механические методы.

Механические методы определения остаточных напряжений различаются характером расположения измеряемых баз и последовательностью выполнения операций разрезки и измерения деформаций металла. Напряжения в пластинах в простейшем случае определяют, считая их одноосными. Так как одноосные напряжения незначительно изменяются по длине шва (рис. 8, а), то размер базы измерения можно принимать большим — до 100 мм (рис. 8, б). После начальных отсчетов с датчиков или съемных механических тензометров, производимых с двух сторон пластины, выполняют разрезку пластины на полоски, ширина b которых в зоне значительных градиентов напряжений должна быть по возмож­ ности меньше. После разрезки измерения повторяют и по разности начального

12 о/р. Винокурова В. Л., т. 3

шены сжимающими напряжениями о сж за пределами зоны 2Ьп\средняя величина последних зависит от Р ус и ширины сваренной пластины 2В:

sa исключением концевых участков.

Структурные превращения, сопровождающиеся изменением объема и про­ исходящие при температурах, когда от Ф 0, влияют на остаточные напряжения* Чем ниже температура структурного превращения в сталях (см. рис. 4), тем меньше растягивающие напряжения ох; при температурах превращений ниже

6,кгс/мм2 6,кгс/мм* 6,кгс/мм* 6,кгс/нм2

Рис. 11. Характер распределения остаточных напряжений ох в средней части сварных пластин:

а — ниэкоуглеродистая сталь СтЗ, 0 = 8 мм; 6 — аустенитная сталь 12X18Н9Т, 0 = 2 мм; в — титановый сплав ОТ-4, Ô = 1,6 мм; г — алюми­ ниевый сплав АМгб, Ô = 10 мм

300—400° С возникают сжимающие напряжения. На рис. 12, а показано харак­ терное распределение напряжений в легированной стали. Центральная зона при нагреве и остывании испытала структурные превращения, завершившиеся при низкой температуре; в ней — напряжения сжатия. При сварке аустенитными электродами (рис. 12, б) в шве получают напряжения растяжения, а в околошовной зоне, испытавшей структурные превращения, — напряжения сжатия.

Поперечные напряжения оу в соединениях, выполненных дуговыми способами сварки за один проход, зависят от скорости сварки, длины и ширины пластин, условий охлаждения и закреплений. Они являются взаимно уравновешенными и поэтому могут быть как растягивающими, так и сжимающими. Значительные растягивающие напряжения оу с протеканием пластических деформаций удли­ нения в период остывания возникают при сварке коротких швов в жестком кон­ туре (например, при заварке дефектных участков). Напряжения о2 в электродуговых однопроходных швах незначительны.

Остаточные напряжения в многослойных стыковых швах зависят от свойств металла, числа слоев, режима сварки и условий закрепления. Распределение продольных напряжений ох подчиняется примерно тем же закономерностям, что и в однопроходных электродуговых соединениях.Распределение поперечных напряжений оу в многослойных швах с V-образной разделкой зависит от ха рактера закреплений свариваемых пластин. При сварке незакрепленных пластин вследствие поперечной усадки отдельных слоев и поворота пластин относительно

друг друга в корне шва напряжения оу > от(кривая J на рис. 13, a), a при боль­ ших толщинах (80— 100 мм и болеё) могут достигать значений, вызывающих разрушение. Наоборот, при сварке пластин, где угловой поворот невозможен, а

Рис. 12. Характер распределения остаточных напряжений в свар­ ных соединениях из среднелегированных сталей, испытывающих структурные превращения:

а — химический состав присадочного металла совпадает о химическим составом основного металла; б — присадочный металл — аустенитная сталь

поперечная усадка происходит беспрепятственно, в корне шва возникают сжимающие напрг сния оу (кривая 2 на рис. 13, а). В последних слоях швов напряжения оу ~ ,4 -т- 0,6) ат и являются растягивающими. Напряжения о2 могут быть и сжимающими, и растя гтающими, что зависит от режима укладки

Рис. 13. Поперечные остаточные напряжения оу:

а — в многослойном шве низкоуглероднстой стали; б — на поверхности пластин нз среднелегированной стали о аусте­ нитным швом

валиков выше лежащих слоев, В легированных сталях в зоне структурных пре* вращений напряжения o2t как правило, сжимающие, а напряжения ау на поверх­ ности пластин являются растягивающими с максимумом на линии сплавления (рис. 13, б). В электрошлаковых сварных соединениях из низкоуглеродисгыя сталей толщиной примерно до 150 мм, выполняемых с большим проваром, рас-

пределение напряжений аналогично распределениям в электродуговых одно­ проходных соединениях. Напряжения ох значительны, а оу и о2 существенно меньше ат. При толщине элементов 150—200 мм и более, в особенности при малых погонных энергиях сварки, распределение напряжений по толщине швов крайне неравномерно (рис. 14, а). По оси все три компонента растягивающие, причем вследствие объемности напряженного состояния отдельные компоненты превосходят ат. На поверхности швов напряжения ох обычно растягивающие, но малы, a ау — сжимающие величиной 0,5 от и более. Такой характер распре­ деления напряжений объясняется сопротивлением усадке нагретого металла по толщине со стороны холодных участков, а также неравномерностью темпера­

с напряжениями в плоских пластинах. Напряжения поперек шва с внутренняя стороны оболочки из-за изгиба оказываются растягивающими, а на поверхнос^я металла с наружной стороны— сжимающими. Многослойные кольцевые соеД**“ нения могут выполняться с различным темпом укладки слоев, а также с раздев* кой шва наружу и внутрь оболочки. В первом случае в корне шва часто образуют^51 значительные растягивающие поперечные напряжения, способные вызвать рЗ^* рушение шва. При втором варианте расположения разделки более вероят^ образование сжимающих поперечных напряжений в корне шва, который в эт^м случае находится снаружи.

Распределение напряжений в круговых однопроходных соединениях плоек*** элементов зависит от свойств металла, радиуса шва и жесткости внутреннего^! внешнего свариваемых элементов. В металлах, не испытывающих структурн*'* превращений, окружные напряжения о/ вдоль шва в зоне 2Ьа пластичесК***

деформаций близки по величине к напряжениям ох в прямолинейных швах. Радиальные напряжения ог могут изменяться в широких пределах — от нулевых до растягивающих, близких к пределу текучести металла. Последние более вероятны в швах малого радиуса. С возрастанием радиуса шва ог уменьшаются. Во внешней части листа а/ сжимающие, а ограстягивающие. Во внутренней части О/ « оп при больших радиусах швов они сжимающие, при малых — ра­ стягивающие.

При осесимметричных нагревах в точечных и электрозаклепочных сварных соединениях в центральной части остаточные напряжения ог и О/ примерно равны и являются растягивающими. В низкоуглеродистых и аустенитных сталях armax ^ 0/ max *** ат* ^ титановых и алюминиевых сплавах максимальные на­ пряжения в центральной части меньше предела текучести. При переходе от зоны пластических деформаций к основному металлу напряжения ot меняют знак и становятся сжимающими; радиальные напряжения в основном металле растягивающие и по абсолютной величине примерно равны тангенциальным О/.

В стыковых соединениях стержней, сваренных контактной сваркой, на поверхности в осевом направлении действуют сжимающие напряжения. В глу­ бине металла по оси стержней имеются трехосные растягивающие напряжения, С увеличением диаметра стержней и градиента температур по их длине остаточ­ ные напряжения возрастают.

Остаточные напряжения в сталях и сплавах даже при значениях, близких к от, стабильны во времени. Релаксация напряжений протекает крайне медленно и может составлять лишь несколько процентов. Дополнительные деформации появляются вследствие распада неустойчивых структур, например остаточного аустенита.

Рассмотренные здесь напряжения и деформации относятся к случаям, когда в соединениях отсутствуют какие-либо дефекты. В стыковых соединениях сталей продольная пластическая деформация составляет около 1—2% . При наличии концентраторов в зоне пластических деформаций, при сварке в жестком контуре, а также при наличии больших перемещений во время многослойной сварки пластические деформации могут составлять десятки процентов и вызывать раз­ рушение металлов.

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ СВАРКЕ КОНСТРУКЦИЙ

Перемещения в элементах конструкций возникают вследствие образования сварочных деформаций. Перемещения могут быть временные и остаточные. Их определяют либо расчетными, либо экспериментальными методами.

Один из наиболее простых и рациональных расчетных методов определения перемещений сварных конструкций состоит в расчленении всей задачи расчета на два самостоятельных этапа. На первом этапе экспериментальным или расчет­ ным путем находят деформации и перемещения в зоне сварных соединений (термомеханическая часть задачи), а на втором этапе методами сопротивления материалов или теории упругости определяют перемещения (деформационная часть задачи), используя результаты, полученные на первом этапе.

Удобство такого приема состоит в том, что одни и те же результаты из термо­ механической части задачи, будучи полученными один раз, могут многократно использоваться при решении деформационных задач.

Перемещения и деформации в зоне сварных соединений. Различают следу­ ющие пять видов перемещений и деформаций в зоне сварных соединении:

перпендикуляра к поверхности свариваемых листов w\ 5) продольные переме­ щения и.

Рассмотрим каждый из указанных видов отдельно.

Усадочная сила, В результате сварки в зоне термического влияния формиру­ ются остаточные продольные пластические деформации епл. ост, которые, как правило, являются деформациями укорочения, но в случае структурных превра­ щений при невысоких температурах (обычно ниже 400° С) могут оказаться де­ формациями удлинения. На рис. 15, а показана эпюра епл. осх, типичная для низкоуглеродистой стали, а на рис. 1 5 ,6 — для легированной стали.

Некоторые исследователи [10, 12] рекомендуют использовать в расчетах сумму произведении остаточных пластических деформаций на площадь, зани­ маемую ими;

+ *п

считаны. Их определяют также экспериментально путем измерения длины про­ дольных волокон до сварки и после сварки и разрезки (см, рис, 8),

Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей с пределом текучести

РуС»Ж

1 ~ £ Г \ т х + т 2 + т )

где РуС.* — усадочная сила, возникающая при укладке шва на свариваемый

1—1 и 2—2, см.

Знаменатель в формуле (19) всегда меньше единицы; он учитывает влияние ограниченной жесткости балки или пластины на увеличение Рус по сравнению с Рус, ж* Формулу (19) не следует использовать для элементов с относительно малой

жесткостью , когда площадь пластических деформаций, равная примерно Рус. ж/ат. составляет более 25—30% от всей площади F поперечного сечения балки.

сварки, Дж/см2; 6расч — расчетная толщина свариваемого элемента, см. Вели­

чина брасч=з— (0! + б2) при сварке пластин толщиной Ô, и 62 встык или в угол

(рис. 17) или 0рпсч = у (2fi„ + ôc) при сварке втавр или внахлестку (рис. 17, в, г).

Формула (20) действительна в диапазоне qn от 4000 до 38 000 Дж/см2 при естест­ венной теплоотдаче и толщинах металла примерно до 20—25 мм. В тех случаях, когда режим сварки точно неизвестен,

зованную ранее уложенными слоями.

Это должно учитываться при определении усадочной силы. При сварке втавр

При укладке большего числа слоев необходимо использовать следующие рекомендации.