6. Продольная усадка от нескольких швов и от многопроходной сварки

При одновременной укладке нескольких швов или при сварке в жестком приспособлении деформации и напряжения в пассивной зоне будут примерно равны сумме деформаций и напряжений от каждого из уложенных швов. При последовательной укладке швов остаточные напряжения от предыдущих швов влияют на усадку последующих швов.

Условия деформирования активной зоны очередного укладываемого шва отличаются тем, что перед началом сварки в металле уже имеются начальные продольные напряжения σ_нач, которые могут быть как растягивающими, так и сжимающими. Образующиеся при нагреве напряжения суммируются с начальными (рис. 14).

Рис.14. Диаграммы нагрева и охлаждения продольных волокон свариваемой пластины при действии начальных напряжений: 1,2,3 – нагрев волокон при разных уровнях начальных напряжений

Диаграмма показывает, что начальные напряжения не влияют на ширину зоны, в которой остаточные напряжения достигают предела текучести. Это по-прежнему весь металл, испытавший нагрев до температуры 2ΔТ_т. Однако ширина активной зоны, в которой происходит пластическое укорочение при нагреве, зависит от начальных напряжений и ограничена изотермой

. (17)

При растягивающих начальных напряжениях эта температура выше ΔТ_т, (активная зона сужается), а при сжимающих напряжениях температура ниже ΔТ_т, (активная зона шире, чем при отсутствии начальных напряжений). Зона, в которой начальные сжимающие напряжения близки к пределу текучести, испытывает пластическое укорочение даже при небольшом нагреве.

Для определения усадочной силы от добавленного шва нужно знать изменение напряжения в активной зоне Δσ. По диаграмме на рис. 14,

. (18)

При укладке шва на растянутый металл усадочная сила уменьшается. При начальных растягивающих напряжениях на уровне предела текучести она равна 0. При сжимающих начальных напряжениях Δσ может достигать 2σ_т. Сила P_аi от укладки i –го шва может быть найдена по формуле

, (19)

где ΔА_аi – площадь зоны, нагревавшейся при сварке этого шва выше температуры (при условии, что активная зона этого шва не перекрывает активные зоны предыдущих швов); Δσ_i для каждого шва определяется по формуле (18) в зависимости от начальных напряжений в зоне его укладки.

Если активные зоны от швов перекрываются, то в площадь ΔА_аi входит только та часть активной зоны очередного шва, которая не перекрывается с предыдущими. В перекрывающихся частях активных зон начальные напряжения близки к пределу текучести и изменение напряжения в них не происходит. На рис. 15 показана схема определения ΔА_аi от каждого прохода при двухсторонней сварке таврового соединения и при сварке многопроходного шва.

При первом проходе зона пластических деформаций включает сечение углового шва и части сечения соединяемых деталей. Ее площадь ΔА_а1 показана штриховкой на рис. 15, а. При наложении второго шва после полного остывания первого, их зоны пластических деформаций частично перекрываются. Поэтому добавляемая площадь ΔА_а2 существенно меньше, чем ΔА_а1. Эксперименты показали, что усадочная сила от второго шва составляет порядка 35-40% усадочной силы от первого шва.

Рис.15. Схема суммирования активных зон при многопроходной сварке

При сварке втавр в 3 прохода первый валик уложен на полку, а второй на стенку тавра (рис. 15, б). При втором проходе прогревается дополнительно часть сечения стенки, ширина которой может быть принята равной высоте второго валика b. Третий проход, как показано на рис. 15, б, не дает дополнительных пластических зон ни на полке, ни на стенке.

При многопроходной стыковой сварке на каждом проходе нагревается практически одна и та же зона основного металла. К площади сечения активной зоны добавляется только сечение очередного уложенного валика шва. Поэтому усадочная сила, возникшая после первого прохода, по мере укладки следующих валиков растет незначительно и распределение напряжений по сечению почти не изменяется.

Найдя P_аi, можно перейти к усадочной силе от укладки очередного шва

. (20)

При отсутствии начальных напряжений формулы (19) и (20) совпадают с формулами (13) и (11).

При сварке прерывистым швом усадочная сила снижается, по сравнению с таким же непрерывным швом, во столько раз, во сколько суммарная длина заваренных участков меньше общей длины шва. Если ребро приварено двухсторонним прерывистым швом с шахматным расположением участков шва, то усадочная сила такая же, как от непрерывного одностороннего шва.

Ряд сварных точек создает усадку аналогично прерывистому шву. Имеется приближенная формула , где s – суммарная толщина свариваемого металла, t – расстояние между центрами соседних точек, r₁₅₀ - радиус зоны, нагревавшейся при сварке до температуры 150 °С (его необходимо определить из теплового расчета или экспериментально). Чтобы получить силу в ньютонах, все размеры нужно подставлять в мм.