Глава 7. Сварочные деформации и напряжения, страница 7

В результате текучести упругие деформации перейдут в пластические(произойдет пластическое поперечное укорочение пластин, при этом увеличится их толщина и образуется выпуклость шва, см. рис. 7.3), а сжимающие напряжения снизятся вместе с пределом текучести. В итоге расширение пластин на стадии нагрева составляет малую часть от ожидаемогосогласно формуле (7.25).При остывании предел текучести снова повысится. По мере остывания в пластинах будут нарастать растягивающие поперечные напряжения.Уровень остаточных поперечных напряжений σy ост после полного остывания зависит от расширения при нагреве, которое возникло бы при отсутствии закреплений Δ(2b) и от расстояния между закреплениями 2b: y ост = E(2b) E =A q0 .2b2b c(7.26)Чем шире пластины, тем меньше поперечные остаточные напряжения.При сварке узких пластин в жестком закреплении эти напряжения могутдостигать предела текучести.

Если теперь освободить пластины от закреплений, то обнаружится их поперечная усадка – сокращение исходной ширины 2b на величину Δпоп: поп = A192q0 .c(7.27)Усадка вызвана тем, что на стадии нагрева расширение пластин непроисходит (переходит в пластическую деформацию зоны шва), а на стадии остывания сокращение происходит, поскольку напряжения не достигают предела текучести.В реальных условиях сварки поперечная усадка наблюдается и в случаенезакрепленных пластин.

Поскольку укладка шва происходит не мгновенно,уже заваренный участок шва препятствует свободному расширению в поперечном направлении (действует как поперечное закрепление). В формуле (7.27)коэффициент поперечной усадки A учитывает не только стесненность деформации в направлениях длины и толщины пластин, но и влияние поперечныхзакреплений. Он может быть определен экспериментально или рассчитан с помощью КЭ модели.

Для рассмотренной модели (см. рис. 7.17)q0 = 0,24 мм .cРасчет МКЭ для незакрепленной пластины при описанных выше условияхсварки и свойствах материала дает поперечную усадку Δпоп=0,3 мм, то есть A= 1,25. Если края пластины закрепить (расстояние между закреплениями400 мм), то к концу остывания поперечные растягивающие напряжениядостигают σy ост = 164 МПа, но после освобождения пластин усадка такаяже - Δпоп=0,3 мм. Таким образом, поперечное закрепление не влияет на величину усадки, если остаточные поперечные напряжения не достигаютпредела текучести.

Если уменьшить расстояние между закреплениями до200 мм, то остаточные напряжения достигнут предела текучести. В этомслучае величина усадки определяется условием разгрузки: поп =тE2b .(7.28)При 2b = 200 мм, σт = 240 МПа, E = 2·105 МПа получим Δпоп=0,24 мм.7.8.2. Сопоставление явлений продольной и поперечной усадки пластинЯвления продольной и поперечной усадки объединяет то, что они:193- возникают при сварке в результате пластической деформации металла настадии его нагрева;- при отсутствии структурных превращений приводят к сокращению размеров в плоскости пластины и увеличению ее толщины в зоне шва.Можно представить себе зону шва (активную зону) в свариваемой пластине как прямоугольную область, сокращающуюся в результате сварки в длину и в ширину и увеличивающуюся в толщину. Отличия механизмов продольной и поперечной усадки связаны с соотношением размеров этой области ипластины.В продольном направлении шов проходит через всю пластину, но приэтом он существенно уже нее.

Суммарное укорочение шва могло бы быть значительным, но края пластины препятствуют этому укорочению, в результатевозникают продольные временные и остаточные напряжения, а укорочениевсей пластины вдоль шва невелико.Сокращение ширины шва небольшое, но происходит почти беспрепятственно, поскольку шов пересекает всю пластину. При этом напряжения в поперечном направлении малы, а поперечное сокращение пластины равно сокращению ширины шва.Можно назвать четыре важных отличия продольных и поперечныхнапряжений и деформаций.1)Продольные сварочные напряжения имеют в активной и пассивной зонахразные знаки, а поперечные одинаковы по всей ширине пластины.2)Наблюдаемые продольные сварочные деформации одинаковы по всейширине пластины (в случае симметричного расположения шва), а поперечные имеют в активной и пассивной зонах разные знаки (высокотемпературная зона испытывает поперечное сокращение в результате расширения остальной части пластины).3)При повторном нагреве той же зоны дополнительная продольная усадкане происходит.

Это связано с тем, что в активной зоне уже после первогонагрева возникают продольные напряжения, близкие к пределу текучести,194которые в результате повторных нагревов не изменяются. Поперечнаяусадка, как правило, происходит при каждом нагреве и при многократномнагреве накапливается.4)В качестве фактора, заменяющего действие сварки при расчете конструкций, для продольной усадки используют Pус, а для поперечной - Δпоп.7.8.3. Деформации балок от поперечной усадки швовЕсли на один из элементов сечения балки наложить поперечный шов(например, при приварке к балке ребер жесткости и других вспомогательныхэлементов), то это приведет к укорочению и изгибу балки, как и при наложении продольного шва (см.

рис. 7.12). Примером является двутавровая балка, вкоторой производится сварка поперечным швом верхнего пояса (рис. 7.22).Трудность расчета состоит в том, что необходимо решать статически неопределимую задачу. Для упрощения ее решения применим такой прием.1)Δпоп2)P3) Pyсп-PAп1-P4)AбРис. 7.22. Схема расчета укорочения и изгиба балки от сваркипоперечного шва 11) Мысленно вырежем из балки перед сваркой фрагмент верхнего пояса длиной ℓ.2) При его сварке в незакрепленном состоянии произойдет поперечная усадка поп = Aq0 .c3) Приложим фиктивные силы P и растянем сваренный фрагмент допрежней длины ℓ.

Необходимый уровень этих сил можно вычислить по195закону Гука: P = попEAп , где Aп – площадь вырезанной части поперечного сечения, испытавшей поперечное укорочение.4) Вклеим фрагмент на прежнее место, не убирая силы P. Теперь, чтобыснять фиктивные силы, приложим ко всему участку балки длиной ℓ такие же силы противоположного знака (-P). От этого произойдут укорочение и изгиб балки, которые можно вычислить по формулам сопромата: прод ==PA=  поп п ,EAбAбMAy=  поп п сп ,EI бIб(7.29)(7.30)где Aб и Iб – площадь и момент инерции всего сечения балки; yсп - плечосилы P (расстояние от центра тяжести сечения балки Aб до центра тяжестисечения пояса Aп).Ось балки, проходящая через центр тяжести ее сечения, на этом участкеукорачивается на Δпрод, а концы этого участка оси поворачиваются относительно друг друга на угол φ (рис. 7.23а).Важно, что малый размер ℓ, выбранный нами произвольно, не влияет наΔпрод и φ.

При сварке встык всего сечения, когда Aп = Aб, а yсп = 0, получаемΔпрод = Δпоп; φ = 0. В отличие от продольных швов, вызывающих искривлениеоси балки по всей длине (см. рис. 7.12), ось балки образует ломаную линию сизломом на угол φ у каждого поперечного шва (рис. 7.23б). Прогиб балки f может быть вычислен из геометрических соображений. Поскольку угол φ мал, егосинус и тангенс равны значению угла, выраженному в радианах.196 −  продаПродольная ось балкиЗона изгиба от шваfбРис.

7.23. Схема определения прогиба балки f от сварки трех поперечныхшвов: а – излом оси балки в зоне поперечного шва, б – схема оси балки стремя изломами для определения максимального прогиба7.8.4. Поперечная усадка при неполном проплавленииПолное проплавление сечения за один проход достигается только принебольшой толщине. При многопроходной сварке, а также при приваркедеталей втавр или внахлестку сечение расплавляется не на всю толщину. Втаком сварном соединении можно выделить несколько характерных зон(рис. 7.24).4P3yas2активныйслойPsa1sРис. 7.24. Сечение шва и схема поперечной усадки при неполном проплавлении: 1 – упругая зона, 2 – зона пластических деформаций, 3- высокотемпературная зона, 4 – шовПоперечные деформации пластины в этом случае аналогичны деформациям балки с наложенным на часть ее сечения поперечным швом. Всютолщину сечения можно разбить на 2 слоя: активный, в котором происхо197дит поперечная усадка, как в пластине при полном проплавлении, и пассивный, препятствующий этой усадке.

Как и в случае с балкой, можно вырезать до сварки заштрихованный на рис. 7.24 фрагмент, устранить возникшую в нем поперечную усадку с помощью фиктивных сил P, вклеитьфрагмент на прежнее место и снять фиктивные силы.Таким образом, поперечная усадка сварного соединения с неполным проплавлением поп =  аsа,s(7.31)где поперечная усадка активной зоны Δа определяется так же, как при полномпроплавлении.На рис.