Глава 7. Сварочные деформации и напряжения, страница 4

Сила Pa пропорциональна площади сечения зоны, которая при сварке прогревалась дотемпературы 1,5ΔТт (см. формулу (7.5)). Чем больше погонная энергиясварки, тем больше размер этой зоны. Параметр q0 отражает влияние теплоотдачи с поверхностей пластины: q0 увеличивается по мере уменьшениятолщины. Чем тоньше пластина, тем больше теплоотдача, в результатеуменьшается размер прогреваемой зоны и снижается сила Pa.Уменьшение скорости сварки при постоянной погонной энергии также приводит к небольшому снижению Pa, поскольку потери теплоты растут в связи с увеличением длительности процесса. В формуле (7.10) этот171фактор не учитывается.Если известно температурное поле при сварке, то можно рассчитатьPa по формулеPa =  т Aa ,(7.11)которая выведена из формулы (7.6) при  a =  т .

В этой формуле Аа - площадь активной зоны, включающая ту часть сечения, которая при сваркепрогревалась до температуры выше 1,5ΔТт.После того, как найдена сила Pa, равная усадочной силе для абсолютно жесткого тела, можно найти усадочную силу для реальной конструкциис учетом ее жесткости. Сравнение Pa и Pус показывает, что обе эти силыодинаково направлены (вдоль оси шва и, как правило) имеют одинаковыйзнак (если шов растянут, то эти силы сжимают пассивную зону) и одинаковые точки приложения (в центре сечения активной зоны).

Отличаютсяони только по величине, поскольку Pa действует только на пассивную зону, а Pус – на всю сварную конструкцию. Разница между ними – это сила,необходимая для создания в активной зоне Aa таких же напряжений  пас ,как в окружающей пассивной зоне: Pус − Pа =  пас Aа .Рассмотрим поперечное сечение сварной конструкции с продольнымшвом. В общем случае ось шва не совпадает с продольной осью конструкции, а расположена с эксцентриситетами е1 и е2 от главных центральныхосей сечения 1 и 2 (рис. 7.11).

Параметры сечения: A = Аа + Ап - площадь,I1 и I2 – моменты инерции относительно главных центральных осей 1 и 2.Силы Pус и Pа приложены в точке W в центре активной зоны.При приложении ко всему сечению Pус, в точках сечения возникнутнапряжения от сжатия и изгиба. В произвольной точке сечения M с координатами x1 и x2 по осям 1 и 2 они будут равныM =Pус Pус  e1P e1 ex e x +x2 + ус 2 x1 = Pус  + 1 2 + 2 1  .AI1I2I1I2 A172(7.12) 1 e12 e22 Pус Pус  e1Pус  e2В точке W  W =+e1 +e2 = Pус  + +  .AI1I2 A I1 I 2 При этом на активную зону действует сжимающая сила, равная произведению этого напряжения на площадь активной зоны Аа.

Если эта площадь неизвестна, ее можно найти из формулы (7.10).2AaWPусe1Mx21Cx1e2AпРис. 7.11. Схема сечения с активной Аа и пассивной Ап зонами: C – центртяжести всего сечения, W – центр тяжести сечения активной зоныСила Pа приложена только к пассивной зоне и создает в ней такие женапряжения, как Pус, в то время как на активную зону эта сила не действует.

Тогда соотношение между силами 1 e12 e 22  PаPус − Pа =  W  Aа = Pус  + +   , A I1 I 2   тОтсюда можно вывести формулу расчета усадочной силы:Pус =Pа22Pа  1 e1 e 2 1−+ + т  A I1 I 2 .(7.13)Формула применима, если активная зона занимает небольшую частьсечения и одна из сил отличается от другой менее, чем в 2 раза. Для жест173ких конструкций выражение в скобках, являющееся мерой податливостиконструкции, становится малым и усадочная сила близка к силе Pа. Припрактическом применении Pус обычно прикладывают в центре сеченияшва, так как точное определение положения центра активной зоны существенно усложняет расчет.Найденная усадочная сила позволяет рассчитать напряжения в любойточке пассивной части сечения по формуле (12), а также изменения формыи размера сварной конструкции. Например, балка таврового сечения (рис.13) под действием продольной усадки поясного шва испытает продольноеукорочение =Pус ,EA(7.14)где A – площадь поперечного сечения балки, ℓ - ее длина.yfAаzPусezбаPусРис.7.12.

Схема действия усадочной силы при сварке поясных швов балкиКроме того, возникает изгиб продольной оси z. Изгибающий моментравен произведению усадочной силы на плечо, равное эксцентриситету e.Точка приложения усадочной силы – в центре зоны пластических деформаций от усадки шва (заштрихована на рис. 7.12, а). Эксцентриситет отмеряется от главной центральной оси сечения балки x. В результате изгибаконцы балки поворачиваются относительно друг друга на угол174=Pус e,EI x(7.15)где Ix – момент инерции сечения балки относительно оси x. Максимальный прогиб балкиPус e2.f =8EI x(7.16)Если точка приложения силы не лежит на оси y, то возникает ещеодин изгибающий момент, вызывающий изгиб относительно оси y.

Формулы расчета поворота концов балки и прогиба в этом направлении аналогичны формулам (7.15) и (7.16).7.4.3. Продольная усадка от нескольких швов и от многопроходнойсваркиПри одновременной укладке нескольких швов или при сварке в жестком приспособлении деформации и напряжения в пассивной зоне будутпримерно равны сумме деформаций и напряжений от каждого из уложенных швов. При последовательной укладке швов остаточные напряжения отпредыдущих швов влияют на усадку последующих швов.Условия деформирования активной зоны очередного укладываемогошва отличаются тем, что перед началом сварки в металле уже имеютсяначальные продольные напряжения σнач, которые могут быть как растягивающими, так и сжимающими.

Образующиеся при нагреве напряжениясуммируются с начальными (рис. 7.13).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 температуры2ΔТт. Однако ширина активной зоны, в которой происходит пластическоеукорочение при нагреве, зависит от начальных напряжений и ограничена175изотермойTпл = Tт т +  нач.т(7.17)При растягивающих начальных напряжениях эта температура вышеΔТт, (активная зона сужается), а при сжимающих напряжениях температура ниже ΔТт, (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.σ,ε т (T ) нач2ΔTтΔTтΔT−  т (T )123Рис. 7.13. Диаграммы нагрева и охлаждения продольных волокон свариваемой пластины при действии начальных напряжений: 1,2,3 – нагрев волокон при разных уровнях начальных напряженийДля определения усадочной силы от добавленного шва нужно знатьизменение напряжения в активной зоне Δσ. По диаграмме на рис. 7.13 =  т −  нач .(7.18)При укладке шва на растянутый металл усадочная сила уменьшается.При начальных растягивающих напряжениях на уровне предела текучестиона равна 0.

При сжимающих начальных напряжениях Δσ может дости176гать 2σт. Сила Pаi от укладки i –го шва может быть найдена по формулеPai =  i  Aai ,(7.19)где ΔАаi – площадь зоны, нагревавшейся при сварке этого шва выше температуры Ta =Tпл + 2Tт(при условии, что активная зона этого шва не2перекрывает активные зоны предыдущих швов); Δσi для каждого шваопределяется по формуле (7.18) в зависимости от начальных напряжений взоне его укладки.Если активные зоны от швов перекрываются, то в площадь ΔАаi входит только та часть активной зоны очередного шва, которая не перекрывается с предыдущими. В перекрывающихся частях активных зон начальныенапряжения близки к пределу текучести и изменение напряжения в них непроисходит. На рис.

7.14 показана схема определения ΔАаi от каждогопрохода при двухсторонней сварке таврового соединения и при сваркемногопроходного шва.sΔAа2 ΔAа3bΔAа2bΔAа1ΔAа1баРис. 7.14. Схема суммирования активных зон при многопроходной сваркеПри первом проходе зона пластических деформаций включает сечение углового шва и части сечения соединяемых деталей. Ее площадь ΔАа1показана штриховкой на рис. 7.14, а. При наложении второго шва послеполного остывания первого, их зоны пластических деформаций частичноперекрываются. Поэтому добавляемая площадь ΔАа2 существенно меньше,чем ΔАа1.

Эксперименты показали, что усадочная сила от второго шва со177ставляет порядка 35-40% усадочной силы от первого шва.При сварке втавр в 3 прохода первый валик уложен на полку, а второйна стенку тавра (рис. 7.14, б). При втором проходе прогревается дополнительно часть сечения стенки, ширина которой может быть принята равнойвысоте второго валика b. Третий проход, как показано на рис. 7.14, б, недает 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 сеченияактивной зоны добавляется только сечение очередного уложенного валикашва. Поэтому усадочная сила, возникшая после первого прохода, по мереукладки следующих валиков растет незначительно и распределениенапряжений по сечению почти не изменяется.Найдя Pаi, можно перейти к усадочной силе от укладки очередногошваPусi =Pаi22Pаi  1 e1i e 2i 1−++ i  A I1I2 .(7.20)При отсутствии начальных напряжений формулы (7.19) и (7.20) совпадают с формулами (7.13) и (7.11).При сварке прерывистым швом усадочная сила снижается, по сравнению с таким же непрерывным швом, во столько раз, во сколько суммарнаядлина заваренных участков меньше общей длины шва.

Если ребро приварено двухсторонним прерывистым швом с шахматным расположениемучастков шва, то усадочная сила такая же, как от непрерывного одностороннего шва.Ряд сварных точек создает усадку аналогично прерывистому шву.s 2Имеется приближенная формула Pa = 752 r150, где s – суммарная толщинаtсвариваемого металла, t – расстояние между центрами соседних точек, r150178- радиус зоны, нагревавшейся при сварке до температуры 150 °С (егонеобходимо определить из теплового расчета или экспериментально). Чтобы получить силу в ньютонах, все размеры нужно подставлять в мм.7.5.

Экспериментальные методы определения остаточных напряжений,деформаций и перемещенийСуществует большое количество экспериментальных методов определения сварочных напряжений, деформаций и перемещений. Наиболеепросто измерить перемещения на внешних поверхностях конструкций. Этоможно сделать с помощью различных датчиков или видеокамер. Весьмаэффективным, обеспечивающим регистрацию всех компонент перемещения, является лазерный голографический метод.Существуют также датчики для измерения деформаций (наиболеераспространены тензодатчики, наклеиваемые на поверхность детали).Напряжения, как правило, рассчитывают на основе измерений перемещений, деформаций или других физических параметров, изменяющихся припоявлении в металле напряжений (магнитные, ультразвуковые, рентгеновские методы, нейтронное облучение, измерение твердости и т.