книга1 с (Часть полезной книги)

Для определения остаточных напряжений в глубине металла сверлят тонкие глубокие отверстия и размещают в них измеритель­ные преобразователи в различных направлениях. Производят на­чальные измерения, а затем из металла вырезают цилиндры диа­метром не менее пяти диаметров отверстий, причем отверстие нахо­дится в центре цилиндра. В этом случае напряжения не искажены сверлением отверстия. Повторные измерения позволяют определить необходимые для подсчета трехосных напряжений деформации.

Временные напряжения в процессе сварки определяют, устанав­ливая на поверхность детали три близко расположенных деформо-метра, которые непрерывно регистрируют наблюдаемые деформации Зачеканенной в деталь вблизи баз термопарой непре­рывно измеряют температуру, затем на дилатометре определяют дилатограмму металла при заданном термическом цикле сварки. Из дилатограммы получают закон изменения температурной дефор­мации во времени, а по разностям находят закон изменения собственных деформаций. Разбивая весь процесс на отдельные отрезки времени At и получая приращения собственных деформаций на каждом из этих отрезков, затем ме­тодами теории пластичности вычисляют временные напряжения [3].

§ 6. Распределение сварочных напряжений в сварных соединениях

Современные представления о распределении собственных напря­жений в сварных соединениях сложились на основе эксперимен­тальных и расчетных данных. Поля этих напряжений крайне много­образны и изменчивы от случая к случаю. Наиболее стабильный характер имеют остаточные напряжения вдоль швов В образцах толщиной до сваренных за прохода плавлением,

структурные превращения в которых завершаются при высоких температурах, распределение напряжений имеет вид, показанный на рис. В низкоуглеродистых и аустенитных сталях максималь-

ные напряжения наблюдаются в шве и вблизи него. Они при­мерно равны пределу текучести. В титановых и алюминиевых спла­вах максимальные напряжения могут составлять а иногда и ниже. Более высокие напряжения возникают при сварке мощными источниками с высокой скоростью. В зоне, несколько меньшей зоны пластических деформаций, действуют растягивающие напряжения. За пределами этой зоны напряжения обычно сжимаю­щие и мало меняются по ширине пластины. Из-за искривления пла­стин во время сварки или от изгиба напряжения вдалеке от оси шва могут быть близкими к нулю или даже растягивающими.

Структурные превращения, если они происходят при темпера­турах ниже существенно изменяют характер напряже­ний в зоне пластических деформаций Центральная часть — шов и околошовная зона — испытала при нагреве и осты­вании структурные превращения которые заверши­

лись при низкой температуре и сопровождались существенным удли­нением металла. Здесь возникли напряжения сжатия. При сварке таких сталей аустенитными электродами в шве возникают растяги­вающие напряжения в околошовной зоне, где про­изошли структурные превращения, имеются напряжения сжатия.

Рис. 7.11. Распределение остаточных напряжений вблизи шва свар­ных пластин:

а — низкоуглеродистая сталь СтЗ (s = 8 мм); б — аустенитная сталь 12Х18Н9Х (s = 2 мм); в — титановый сплав ОТ4 (s = 1,5 мм); г — алюминиевый сплав АМгб

(s = 10 мм)

В большей части зоны пластических деформаций, где структурные превращения не возникали, действуют напряжения растяжения. За пределами зоны пластических деформаций в основном металле в таких сталях продольные напряжения как правило, сжимаю­щие, но могут быть растягивающими (показано на рис.

201

пунктирной линией), если вклад зоны сжатия в центральной части весьма значителен.

Все рассмотренные закономерности распределения напряже­ний в стыковых соединениях полностью относятся к соедине­ниям с угловыми швами, выполненными за проходов, — нахле-сточным, тавровым и угловым.

Помимо продольных в сварных однопроходных соединениях возникают также поперечные и касательные напряжения. Значительные касательные напряжения образуются в местах высоких градиентов напряжений и с т. е. по концам швов.

Рис. 7.13. Остаточные напряжения в швах большой толщины:

а — при многослойной сварке; б — при электрошлаковой сварке плиты толщиной s =

= 700 мм

В швах большой толщины остаточные напряжения зависят от способа выполнения шва и последовательности укладки слоев. В многослойных сварных соединениях из низкоуглеродистых сталей напряжения в шве близки к Распределение напряжений вV-образном соединении, которое сваривалось в свободном состо­янии, показано кривой на рис. Напряжения в корне шва при толщинах более мм велики из-за большой пластиче­ской деформации при угловом перемещении. Каждый очередной слой вызывает поперечную усадку и изгиб заваренной части, созда­вая в корне шва растяжение. Если шов выполняется на пластинах, которые не могут поворачиваться, то каждый новый слой будет вызывать в корне шва только сжатие. В результате появятся боль­шие сжимающие напряжения в корне шва и растягивающие на поверхности (кривая 2 на рис. Электрошлаковая сварка, выполняемая за один проход, вызы­вает в образцах толщиной более мм объемные напряжения в глубине металла Все три компонента напряжений при этом растягивающие, на поверхности и — сжимающие. Такой характер напряжений объясняется сопротивлением основ­ного металла усадке зоны сварного соединения как в продольном направлении, так и по толщине, а также неравномерностью рас-

202

пределения температур при сварке: в глубине металл нагрет сильнее, а на поверхности из-за теплоотдачи — слабее. При остывании цен­тральная часть сокращается сильнее и в ней возникает трехосное растяжение.

Круговые швы на плоскости, с помощью которых вваривают раз­личные круглые элементы имеют осесимметричное распределение напряжений, за исключением зоны встречи начала и конца шва. В таком соединении следует различать три основных зоны: внутреннюю среднюю и внешнюю Зона шириной

соответствует зоне растягивающих напряжений обычного пря­молинейного шва; в ней действуют высокие окружные напряже­ния близкие к пределу текучести Вследствие урав­новешенности напряжений с напряжениями при и

в пределах ширины кольца радиальные

напряжениядействующие на внешнюю зону 3, всегда больше

напряжений действующих на внутреннюю зону. В низкоугле-

родистых и аустенитных сталях зона 2 находится в состоянии пла­стической деформации, что соответствует условию пластичности

(7.18)

На рис. схематично показано несколько возможных распре-

делений (/, //, ///) эпюр напряжений и в зоне 2. Напряже­ния и всегда растягивающие, а напряжение может быть и растягивающим, и сжимающим. Это зависит от соотношения поперечной усадки в направлении и окружной усадки. Попереч­ная усадка соединения вызывает оастягивающие напряжения и в области 1, и в области 3 окружная усадка вызы­вает в области 3 растяжение напряжением , а в области 1 — сжа­тие. При малых размерах зоны 1 действие поперечной усадки пре­обладает над окружной усадкой и в области / имеем растягиваю­щие напряжения. Аналогичная картина наблюдается, если зона 1 представляет собой жесткое тело (бобышку) или фланец диаметром до Сжимающие напряжения в зоне 1 возникают при относительно малой жесткости области 3, например при при-

203

варке узкого кольца. Окружное сокращение почти полностью передается на область

Точечные соединения имеют осесимметричное распре­деление напряжений При остывании центральной части в ней возникают растягивающие напряжения с равными компонен­тами На некотором расстоянии окружные напряже­ния становятся сжимающими. Значения радиальных напряже­ний убывают примерно по закону оставаясь растягивающими. В низкоуглеродистых сталях зона двухосного растяжения соответ­ствует участку, нагревавшемуся выше температуры При стыковой контактной сварке стержней продольные (по оси)

напряжения на поверхности сжимающие, а в глубине метал­ла все три компонента растяги­вающие.

Таким образом, рассмотрение остаточных напряжений в ос­новных видах сварных соедине­ний показывает, что максималь­ные растягивающие напряже­ния, как правило, близки к пре­ делу текучести. В некоторых Остаточные напряжения случаях они превышают (кор-