td1 (1) (Лекции в формате Word), страница 2

Если площади сечения активной и пассивной зон соизмеримы, то в пластинах возникают существенные наблюдаемые деформации и перемещения. При нагреве металл активной зоны расширяется (рис. 4, б), одновременно снижается его предел текучести σ_т. Расширение происходит в трех направлениях (светлые стрелки на рис. 4, б). Степень расширения по трем осям не одинакова.

Расширению вдоль оси шва препятствует пассивная зона. Расширению в поперечном направлении препятствуют закрепление свариваемых деталей в сварочных приспособлениях, прихватки, ранее наложенные швы и остывающий уже заваренный участок данного шва. Под действием продольных и поперечных сил в активной зоне возникают временные напряжения сжатия по двум осям. В пассивной зоне при этом возникают временные напряжения растяжения в продольном направлении и сжатия в поперечном.

Рис.4. Схема образования перемещений в свариваемых деталях:

а – активная и пассивная зоны при сварке;

б, в – деформации активной зоны на стадиях нагрева и охлаждения

Наименьшие препятствия расширению металла наблюдаются в направлении толщины пластин. Поэтому расширение металла активной зоны по трем осям неодинаковое: расширение в направлении толщины существенно больше, чем в плоскости пластин. В результате, даже при сварке без присадки, образуется характерная выпуклость сварного шва.

Значительные пластические деформации, сопровождающие такое неравноосное расширение возможны потому, что в нагретом металле понижен предел текучести.

При остывании активная зона возвращается к своему первоначальному объему, одновременно в ней восстанавливается исходный уровень предела текучести материала. Поэтому, несмотря на сопротивление пассивной зоны, сокращение активной зоны идет более равномерно по всем трем направлениям (рис. 4, в).

В результате после остывания сварное соединение становятся короче в направлении вдоль оси шва. Это явление называется продольной усадкой. В продольном направлении действуют остаточные сварочные напряжения: растягивающие в активной и сжимающие в пассивной зоне. Остаточные напряжения в активной зоне близки к пределу текучести металла этой зоны. Напряжения в пассивной зоне тем выше, чем больше доля активной зоны в поперечном сечении свариваемой пластины. Если эта доля достигает половины, то остаточные напряжения в пассивной зоне также достигают предела текучести.

Активная зона и все сварное соединение испытывают в результате сварки также сокращение в поперечном направлении (поперечную усадку). Остаточные напряжения в поперечном направлении (после освобождения пластины от закрепления) существенно меньше, чем в продольном.

Если сварку проводят в жестком контуре, то есть свариваемые пластины не освобождают от закрепления после сварки, то это препятствует поперечной усадке и приводит к изменению распределения остаточных напряжений. Чем больше жесткость закреплений в поперечном направлении и чем ближе закрепления к шву, тем выше поперечные остаточные напряжения. При малом расстоянии между закреплениями поперечные напряжения достигают предела текучести.

Продольная и поперечная усадка сопровождается увеличением толщины активной зоны (выпуклость шва, возникшая при нагреве, сохраняется после остывания). Поскольку расширение и сокращение металла в направлении толщины происходит достаточно свободно, значительные напряжения в этом направлении возникают только при большой толщине свариваемых деталей. Все искажения формы и размеров при сварке тонких пластин связаны, главным образом, с деформациями активной зоны в плоскости пластины, деформации в направлении толщины слабо влияют на искажения формы и размеров сварных конструкций.

Нагрев пластин при сварке, как правило, неравномерный по толщине пластин. Со стороны сварочного источника нагрев сильнее. Поперечная усадка с этой стороны также сильнее. В результате неравномерной по толщине поперечной усадки возникает угловая деформация – взаимный поворот свариваемых пластин вокруг продольной оси шва (рис. 5). Если пластины закреплены, то возникает изгибающий момент, ось которого параллельна оси шва, и напряжения от изгиба.

Рис.5. Угловая деформация β из-за неравномерной поперечной усадки

При сварке двух незакрепленных пластин разной ширины укорочение больше со стороны более узкой пластины. В результате происходит искривление сварного соединения в плоскости свариваемых пластин (рис. 6).

Рассмотренная схема является достаточно грубой, она предназначена для создания общего представления о процессах образования сварочных деформаций и напряжений. В последующих разделах эти процессы рассмотрены более подробно.

Рис.6. Искривление от продольной усадки при сварке двух пластин разной ширины

1. Распределение продольных сварочных напряжений по поперечному сечению пластины

Процесс образования продольных напряжений можно изучать на одноосной стержневой модели. Такая модель применяется в сопромате для расчетов балок на растяжение-сжатие и изгиб. Ее основные допущения:

1. гипотеза ненадавливания волокон:

• вся модель состоит из отдельных продольных волокон материала, каждое из которых растянуто или сжато в продольном направлении;

• продольные усилия являются преобладающими, в поперечном направлении волокна не взаимодействуют (влиянием напряжений, действующих в направлениях ширины и толщины поперечного сечения, пренебрегаем).

1. гипотеза плоских сечений:

• все поперечные сечения могут смещаться и поворачиваться, но остаются плоскими;

• за счет этого все продольные волокна связаны между собой и работают совместно;

• положение поперечных сечений определяется из условий равновесия.

В действительности совместная работа волокон обеспечивается за счет касательных напряжений, действующих на боковых поверхностях смежных волокон. Но для упрощения модели можно представить себе, что поперечные сечения представляют собой жесткие, не поддающиеся изгибу перемычки, в которые заделаны продольные волокна (рис. 7). Если каждая из зон, представленных на рис. 7, разбита на большое число узких стержней-волокон, то температура может быть принята одинаковой в пределах каждого волокна, а напряжениями от изгиба волокна можно пренебречь.

Рис.7. Стержневая модель образования продольной усадки:

1 – пассивная зона, которая нагревается незначительно и не испытывает при нагреве пластических деформаций;

2+3 – активная зона , включающая шов 3 ;

4 – не изгибаемые поперечные сечения.

Если ширина пластины 2b многократно превышает ширину шва, то наблюдаемые деформации на протяжении всего процесса близки к 0. Рассмотрим поведение отдельных волокон при нагреве и остывании (рис. 8). При этом примем начальную температуру T_нач равной нулю, а материал идеально упруго-пластическим (без упрочнения), с постоянными модулем упругости E и коэффициентом линейного расширения α и с пределом текучести , зависящим от температуры (см. рис. 8).

Рис.8. Диаграммы нагрева и охлаждения продольных волокон свариваемой пластины: 1,2а,2б,2в – охлаждение волокон на разных расстояниях от шва

Каждое волокно расширяется по мере нагрева. Если сечение пассивной зоны велико по сравнению с сечением активной зоны, то и по формулам (2) и (3) можно найти собственную деформацию . При небольшом нагреве эта деформация упругая, по ней можно найти напряжение в волокне: . Температура начала пластических деформаций ΔТ_т определяется из условия, что сжимающие напряжения достигают предела текучести: , откуда

(5)

Для низколегированной стали при σ_Т=240 МПа, Е=2·10⁵ МПа, α=12·10^-6 К^-1 получаем ΔТ_т = 100 К.

В волокнах пассивной зоны (1) изменение температуры не достигает ΔТ_т, поэтому пластические деформации в них не возникают и после полного остывания происходит полная разгрузка, напряжения возвращаются к нулю.

В активной зоне (2 и 3) изменение температуры превышает ΔТ_т. При дальнейшем повышении температуры напряжения и упругие деформации перестают расти, вся дальнейшая собственная деформация волокна является пластической. Под действием сжимающих напряжений происходит пластическое укорочение волокна. В результате при охлаждении этого волокна полная разгрузка от сжимающих напряжений наступает раньше полного охлаждения. При дальнейшем охлаждении происходит упругое растяжение волокна, и после полного остывания в нем остаются растягивающие остаточные напряжения.

Если нагрев превысит 2ΔТ_т (2б, 2в), то при остывании растягивающие напряжения достигнут предела текучести. При дальнейшем остывании рост напряжений прекращается, начинается пластическое удлинение волокон. Оно частично компенсирует пластическое укорочение при нагреве. При сварке температура в шве и околошовной зоне всегда превышает 2ΔТ_т, поэтому остаточные напряжения в околошовной зоне, как правило, близки к пределу текучести.

При высокой температуре нагрева (2в) предел текучести снижается, при этом снижаются и временные напряжения. Однако по мере остывания предел текучести снова повышается, поэтому остаточные напряжения в шве близки к пределу текучести при нормальной температуре.

В поперечном сечении пластины возникает распределение продольных напряжений, показанное жирной линией на рис.9. При большой ширине пластины в пассивной зоне 1, которая не нагревалась выше ΔТ_т, остаточные напряжения близки к 0. Ширина активной зоны . В середине активной зоны имеется зона, где температура превышала 2ΔТ_т. В этой зоне шириной остаточные напряжения близки к пределу текучести.