Глава 7. Сварочные деформации и напряжения, страница 2

При сварке пластин из малоуглеродистойстали ΔТт обычно составляет 150-250º, т. е. активная зона может заниматьсущественную часть (до половины) от всей ширины свариваемых пластин.При нагреве металл активной зоны расширяется, одновременно сни157жается его предел текучести. Степень расширения по трем осям не одинакова. Расширению вдоль оси шва x препятствует пассивная зона. Расширению в поперечном направлении y препятствуют закрепление свариваемых деталей в сварочных приспособлениях, прихватки, ранее наложенныешвы и уже заваренный участок данного шва. Под действием продольных ипоперечных сил в активной зоне возникают временные напряжения сжатияпо осям x и y.Наименьшие препятствия расширению металла действуют в направлении толщины пластин.

Поэтому расширение металла активной зоны внаправлении толщины существенно больше, чем в плоскости пластин. Врезультате, даже при сварке без присадки, образуется характерная выпуклость (усиление) сварного шва.Значительные пластические деформации, сопровождающие такоенеравноосное расширение возможны потому, что у нагретого металла 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 пассивнойзоны, сокращение активной зоны идет более равномерно по всем тремнаправлениям.В результате после остывания сварное соединение становятся корочев 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 металлаэтой зоны. Напряжения в пассивной зоне тем выше, чем больше доля активной зоны в поперечном сечении свариваемой пластины. Если эта долядостигает половины, то остаточные напряжения в пассивной зоне такжедостигают предела текучести.Активная зона и все сварное соединение испытывают в результате158сварки 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, т. е.

свариваемые пластиныне освобождают от закрепления после сварки, то это препятствует поперечной усадке и приводит к изменению распределения остаточных напряжений. Чем больше жесткость закреплений в поперечном направлении ичем ближе закрепления к шву, тем выше поперечные остаточные напряжения. При малом расстоянии между закреплениями поперечные напряжениядостигают предела текучести.Продольная и поперечная усадка сопровождается увеличением толщины активной зоны (выпуклость шва, возникшая при нагреве, сохраняется после остывания). Поскольку расширение и сокращение металла внаправлении толщины происходит достаточно свободно, значительныенапряжения в этом направлении возникают только при большой толщинесвариваемых деталей.Нагрев пластин при сварке, как правило, сильнее со стороны сварочного источника.

Поперечная усадка с этой стороны больше. В результатенеравномерной по толщине поперечной усадки возникает угловая деформация – взаимный поворот свариваемых пластин вокруг продольной осишва (рис. 7.4).βРис. 7.4. Угловая деформация из-за неравномерной поперечной усадкиПри сварке двух пластин разной ширины укорочение больше со стороны более узкой пластины. В результате происходит искривление сварного соединения в плоскости свариваемых пластин (рис. 7.5).Рассмотренная схема предназначена для создания общего представле159ния о процессах образования сварочных деформаций и напряжений. В последующих разделах эти процессы рассмотрены более подробно.при сваркешовпосле остыванияРис.7.5. Искривление от продольной усадки при сварке двух пластинразной ширины7.4.

Продольная усадка при сварке пластин7.4.1. Распределение продольных сварочных напряжений по поперечному сечению пластиныПроцесс образования продольных напряжений можно изучать на одноосной стержневой модели. Такая модель применяется в сопромате длярасчетов балок на растяжение-сжатие и изгиб. Ее основные допущения:1) гипотеза ненадавливания волокон:- модель состоит из отдельных продольных волокон материала,каждое из которых растянуто или сжато в продольном направлении;- продольные усилия являются преобладающими, в поперечномнаправлении волокна не взаимодействуют (влиянием напряжений,действующих в направлениях ширины и толщины поперечного сечения, можно пренебречь).2) гипотеза плоских сечений:- все поперечные к оси шва 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 равнове160сия.В действительности совместная работа волокон обеспечивается засчет касательных напряжений, действующих на боковых поверхностяхсмежных волокон.

Но для упрощения модели можно представить себе, чтопоперечные сечения представляют собой жесткие, не поддающиеся изгибуперемычки, в которые заделаны продольные волокна (рис. 7.6). Если каждая из зон, представленных на рисунке, разбита на большое число узкихстержней-волокон, то температура может быть принята одинаковой в пределах каждого волокна, а напряжениями от изгиба волокна можно пренебречь.1TтTпл2bпл234421TmaxTнач2bРис. 7.6. Стержневая модель образования продольной усадки: 1 – пассивная зона, 2+3 – активная зона, 4 – не изгибаемые поперечные сеченияПассивная зона 1 нагревается незначительно (Tmax  Tт ) и не испытывает при нагреве пластических деформаций.

Активная зона включает всебя шов 3 (Tmax  Tпл ) и прилежащие слои основного металла, нагревающиеся до температуры Tmax  Tт .Если ширина пластины 2b многократно превышает ширину шва, тонаблюдаемые деформации на протяжении всего процесса близки к 0. Рассмотрим поведение отдельных волокон при нагреве и остывании (рис. 7.7).При этом примем начальную температуру равной нулю, а материал иде161ально-упруго-пластическим (без упрочнения), с постоянными модулемупругости E и коэффициентом линейного расширения α и с пределом текучести т (T ) , зависящим от температуры.σ,ε =   T2в2б ост т (T )2аΔTт2ΔTт упр1−  т (T ) с = −  пл = E упрΔTРис.

7.7. Диаграммы нагрева и охлаждения продольных волокон пластины:1,2а,2б,2в – охлаждение волокон на разных расстояниях от шваКаждое волокно расширяется по мере нагрева. Если сечение пассивной зоны велико по сравнению с сечением активной зоны, то  н  0 и поформулам(7.2)и(7.3)можнонайтисобственнуюдеформацию c = − = −  T . При небольшом нагреве эта деформация - упругая, поней можно найти напряжение в волокне:  = E упр = E с = − E  T .Температура начала пластических деформаций ΔТт определяется из условия,чтосжимающиенапряжениядостигаютпределатекучести:−  т = − E  Tт , откудаTт =т.E(7.5)Для низколегированной стали при σТ=240 МПа, Е=2·105 МПа,α=12·10-6 К-1 получаем ΔТт = 100 К.В волокнах пассивной зоны (1) изменение температуры не достигает162ΔТт, поэтому пластические деформации в них не возникают и после полного остывания происходит полная разгрузка, напряжения возвращаются кнулю.В активной зоне (2 и 3) изменение температуры превышает ΔТт.

Придальнейшем повышении температуры напряжения и упругие деформацииперестают расти, вся дальнейшая собственная деформация волокна является пластической. Под действием сжимающих напряжений происходитпластическое укорочение волокна. В результате при охлаждении этого волокна полная разгрузка от сжимающих напряжений наступает раньшеполного охлаждения. При дальнейшем охлаждении происходит упругоерастяжение волокна, и после полного остывания в нем остаются растягивающие остаточные напряжения.Если нагрев превысит 2ΔТт (2б, 2в), то при остывании растягивающиенапряжения достигнут предела текучести.

При дальнейшем остываниирост напряжений прекращается, начинается пластическое удлинение волокон. Оно частично компенсирует пластическое укорочение при нагреве.При сварке температура в шве и околошовной зоне всегда превышает2ΔТт, 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 остыванияпредел текучести снова повышается, поэтому остаточные напряжения вшве близки к пределу текучести при нормальной температуре.В поперечном сечении пластины возникает распределение продольных напряжений, показанное жирной линией на рис.