Глава 7. Сварочные деформации и напряжения, страница 12

7.44).К концу нагрева сварочные напряжения в зоне шва близки к нулю, так какпри высокой температуре металл имеет низкий предел текучести. Сваркафиксирует излом продольной образующей трубы в зоне шва β, которыйназывают угловой деформацией.ААперемещения, мм0,150,1010,0520,00-500-400-300-200-1000100200300400500-0,05продольная координата, ммРис. 7.44. Эпюры радиальных перемещений точек на оси А-А1 - при максимальном нагреве, 2 – после полного остыванияПри остывании происходят перемещения в обратном направлении, приэтом угловая деформация сохраняется (кривая 2 на рис. 7.44).

В результатепосле полного остывания в шве наблюдается распределение поперечныхнапряжений, характерное для изгиба. У внутренней поверхности трубывозникает растяжение, а у внешней – сжатие. Уровень остаточных напряжений у внутренней поверхности трубы близок к пределу текучести металла при нормальной температуре.Такой же характер имеет распределение напряжений после укладкипервого валика при многопроходной сварке (эпюра 1 на рис. 7.45). Приукладке нескольких последующих валиков происходит прогрев всего шва227до высокой температуры, при которой предел текучести металла и сварочные напряжения от укладки предыдущих валиков снижаются. В этом случае все уложенные валики остывают совместно, поэтому распределениенапряжений сохраняет тот вид, который был получен после сварки первого валика.zt1.0150.80.66t40.41т0.20.0-1.0-0.50.00.51.0Рис.

7.45. Эпюры напряжений после укладки первого, четвертого, шестогои пятнадцатого валиков шваНа рис. 7.45 представлены эпюры распределения напряжений послеукладки различного числа валиков шва. Номер кривой соответствует номеру последнего уложенного валика.

Видно, что эпюра после укладки 4валиков шва полностью аналогична эпюре от первого валика.При большей толщине стенки трубы последние валики не обеспечивают прогрева корня шва до той температуры, при которой предел текучести металла близок к нулю. В результате напряжения от укладки предыдущих валиков частично сохраняются и взаимодействуют с напряжениямиот последующих валиков, при этом характер эпюр изменяется (кривые 6 и15 на рис.

7.45). Наибольшие изменения проявляются в корне шва. Максимальный уровень напряжений. Максимум напряжений при этом перемещается вглубь сечения и снижается по отношению к пределу текучести.У наружной стороны шва распределение напряжений изменяется слабее. Весь участок сечения шва, который последний валик прогревает довысокой температуры, имеет распределение напряжений, аналогичное228распределению при однопроходной сварке.7.13.

Определение перемещений в сложных сварных узлахЕсли свариваемые детали являются частями сложного узла и уже прикреплены к другим деталям, то для расчета перемещений необходимо решитьсложную статически неопределимую задачу. Для упрощения ее решения применяют метод расчленения.1) Рассчитывают местные деформации и напряжения в зоне шва без учетавлияния на них внешних нагрузок и условий закрепления свариваемых деталей, выражая результат расчета в виде сил и перемещений, действующих навсю конструкцию.2) Проводят расчет общих перемещений всей конструкции, учитывая каквнешние нагрузки и закрепления, так и факторы, возникшие в результате местных деформаций и напряжений в зоне шва.Этот метод был описан в разделе 7.5 и применен для расчета перемещений в балочных конструкциях. Известно пять видов местных деформаций инапряжений, каждому из которых соответствует фактор, учитываемый прирасчете общих перемещений:1) усадочная сила Pус для продольной усадки;2) перемещение Δпоп для поперечной усадки;3) угол β для угловой деформации;4) w - перемещение из плоскости листов;5) Δx - продольное смещение краев шва.Первые четыре вида были описаны выше (продольная усадка – в разделах7.4 – 7.9, 7.11, 7.16 –7.18, 7.22; поперечная усадка в разделах 7.10 – 7.18; угловая деформация в разделах 7.13, 7.15; перемещения из плоскости листов в разделах 7.19 – 7.23).Продольное смещение возникает за счет различного удлинения кромокшва от нагрева в процессе сварки.

Это происходит при сварке встык листовразной толщины или ширины, а также при сварке втавр (рис. 7.46). Если свари229ваемые кромки были перед сваркой совмещены, но не скреплены прихватками,то их продольное смещение, даже небольшое, фиксируется сваркой и накапливается по мере продвижения сварочного источника.ΔxРис. 7.46. Накопление продольного смещения краев шва по мере сваркиРассмотрим пример расчета перемещений в сварном узле.

Две пластины,уже вваренные в жесткую конструкцию, соединяются многопроходным угловым нахлесточным швом (рис. 7.47а). Вначале анализируем местные деформации в зоне шва без учета закреплений (рис. 7.47б). Поперечная усадка примногопроходной сварке вызывает поперечное укорочение Δпоп и угловую деформацию β.При анализе статически неопределимой конструкции расчленяем еена две упругие балки, соединенные швом. На каждую балку со стороныдругой через шов действуют три силовых фактора: растягивающая сила P,перерезывающая сила Q и изгибающий момент M. Под действием этихфакторов в каждой балке появляется перемещения: удлинение Δ и изгиб,приводящий к прогибу w и повороту сечения θ.

Перемещения каждой балки можно выразить через действующие на нее силовые факторы с помощью закона Гука. Таким образом, остается шесть неизвестных (по три накаждую балку). Их можно найти из шести уравнений стыковки балок: трехуравнений равновесия шва: P1 = P2 , Q1 = Q2 , M1 = M 2 и трех уравнений230совместности перемещений балок: 1 +  2 =  поп , 1 +  2 =  , w1 = w2 .аΔпопβбΔ1θ1M1w1P1Q1M2Q2θ2w2Δ2P2вРис.

7.47. Расчет перемещений в сварном узле7.14. Закручивание сварных конструкцийВинтовое закручивание сварных профилей с длинными продольнымишвами может возникнуть в результате потери устойчивости (см. рис.7.40б) или вследствие продольного смещения свариваемых кромок (см.рис. 7.46). Закручивание от потери устойчивости характерно для сечений снезамкнутым профилем, так как у них невысокая жесткость при кручении.Закручивание от смещения кромок наблюдается при сварке последнегошва замкнутого профиля (рис.

7.48, а).Угол закручивания пропорционален смещению. Для профиля с произвольным замкнутым сечением231=xL,2 A*(7.62)где A* - площадь замкнутого контура в сечении, ограниченного линиями,проведенными посередине толщины окружающих контур листов (рис.7.48б). Для коробчатого сечения с несколькими продольными швами уголзакручивания зависит также от направления и порядка укладки этих швов.xLA*A*абРис.

7.48. Закручивание замкнутого профиля от смещения кромокПри сварке рам причиной закручивания может стать неравномернаяпо длине шва поперечная усадка (см. разделы 7.14 и 7.15). Уменьшениеэтого закручивания возможно за счет выбора рациональной последовательности и направления сварки.Часто за закручивание ошибочно принимают изгиб профиля с несимметричным сечением в двух плоскостях или потерю устойчивости отдельных листов сечения. Важно правильно определять вид сварочных деформаций для обеспечения точности их расчета и для выбора правильных мерпо их уменьшению.2327.15. Временные напряжения и перемещения при сваркеОстаточные напряжения, деформации и перемещения обычно представляют наибольший интерес, поскольку они влияют на эксплуатационные характеристики сварных конструкций.

Временные напряжения, деформации и перемещения важны в тех случаях, когда они могут нарушить процесс сварки:- вызвать недопустимые изменения условий сварки, препятствующиенормальному технологическому процессу;- вызвать образование дефектов.Наиболее серьезные проблемы возникают в процессе электрошлаковойсварки пластин большой толщины (до 2-3 метров). Недопустимыми являютсякак расхождение свариваемых кромок (процесс прерывается из-за вытеканияшлаковой ванны, когда расстояние между кромками становится больше ширины формирующих шов ползунов), так их смыкание (прекращается подача сварочной проволоки).Основные процессы, влияющие на расстояние между кромками:1) Неравномерное расширение металла в направлении сварки приводит кизгибу свариваемых пластин и расхождению кромок (рис.