Глава 7. Сварочные деформации и напряжения, страница 8

7.25 показаны результаты экспериментального определения поперечной усадки при наплавке валиков на различных режимах и на пластиныразличной толщины. Представлена зависимость коэффициента поперечнойусадки A (см. формулу 7.27) от удельной погонной энергии сварки q0.1.2A110.820.60.40.2q0020160320480640Дж/ммРис. 7.25. Коэффициент поперечной усадки при сварке в CO2 (1)и под флюсом (2)Судя по этим данным, при полном проплавлении коэффициент A ≈ 1 и независит от q0 (горизонтальные участки диаграмм на рис. 7.25).

При уменьшении погонной энергии проплавление становится неполным и, согласно (7.31),198поперечная усадка снижается, что соответствует наклонным участкам диаграмм на рис. 7.25. Сварка в CO2 дает более глубокую и узкую форму проплавления, поэтому горизонтальный участок диаграммы начинается при меньшемзначении q0. Наклонные участки диаграмм можно описать формулойA = A0 +q0,q2(7.32)где для сварки в CO2 A0 = 0,12; q2 = 171 Дж/мм2; для сварки под флюсомA0 = 0,1; q2 = 368 Дж/мм2.Формулу (7.31) неудобно применять в расчетах, так как сложно определить толщину активной зоны sа. Для расчета усадки при неполном проплавлении удобнее пользоваться формулой (7.27), подставляя в нее значение A изформулы (7.32).Кроме поперечной усадки возникает также взаимный поворот свариваемых пластин на угол β (угловая деформация), поскольку усадка со сторонысварки больше, чем с непроваренной обратной стороны пластины (см.

рис. 7.4).Расчет проводят по формуле, аналогичной (7.30): = а  sа  yа 12 а sа  yа=, где ℓ – длина шва.  s3s312Подставив в нее значение sа из формулы (7.31), получим =  поп12 yа.s2(7.33)Эксцентриситет активного слоя yа зависит от введенной при сварке теплоты q0. При большой толщине и малой мощности источника глубина проплавления мала и эксцентриситет близок к половине толщины пластины yа ≈s/2. По мере роста q0 растут поперечная усадка Δпоп и угловая деформация β.Однако при дальнейшем росте q0 глубина проплавления приближается к толщине сечения, что приводит к уменьшению yа.

В результате вначале рост β замедляется, а когда проплавление превышает половину толщины пластины,начинается снижение β. Однако yа и β не уменьшаются до нуля даже при пол199ном проплавлении, так как нагрев и поперечная усадка со стороны сварки всегда больше, чем с обратной стороны пластины (см. рис. 7.4). На рис. 7.26 приведена зависимость отношения yа/s от параметра C = поп E, построенная по тsэкспериментальным данным. Она может быть описана приближенной формулойC−yа= 0,5e 60 .s(7.34)y a /s0,50,40,30,20,10C050100150Рис. 7.26. Относительный эксцентриситет поперечной усадкиФормулы (7.27) и (7.33) применимы и для случая однопроходной сварки сразделкой кромок.

Однако необходимы зависимости параметров A и yа/s отформы разделки. Такие зависимости могут быть получены экспериментальноили на основе расчетов МКЭ.Важным для практики является случай, когда к пластине привариваютвтавр ребро двумя угловыми швами. Угловая деформация пластины происходит как за счет усадки самой пластины от неполного проплавления при укладкекаждого шва, так и от усадки последнего из двух уложенных швов.

Характерзависимости угла β от катета швов k такой же, как при проплавлении пластины: угол вначале растет, затем убывает. На участке роста β зависимость можетбыть описана приближенной эмпирической формулой:   0,1( k / s − 0,1) , где200угол β выражен в радианах.7.8.5. Влияние начальных напряжений на поперечную усадкуКогда сварочный источник прогревает всю толщину пластины до высокойтемпературы, предел текучести металла падает, и сварной шов без сопротивления деформируется под действием приложенных поперечных нагрузок. Поэтому приложенные до начала сварки сжимающие поперечные напряженияσнач<0 неограниченно увеличивают Δпоп, а растягивающие σнач>0 уменьшают(вплоть до Δпоп < 0). Все же очень большие Δпоп под действием начальныхнапряжений обычно не возникают по 2 причинам:1) Нагрузку принимают на себя соседние, менее нагретые участки шва, а такжезажимные приспособления и прихватки.2) В качестве σнач, как правило, действуют остаточные напряжения σост отусадки соседних ранее уложенных швов.

В этом случае по мере деформациипроисходит разгрузка, и σнач снижаются.Поперечные σнач перед сваркой возникают по следующим причинам:1) от внешних нагрузок;2) поперечные σост от параллельных предыдущих швов;3) продольные σост от перпендикулярных предыдущих швов.Кроме того, поперечные напряжения возникают в процессе сварки шва:1) от поперечных закреплений краев пластины;2) от продольной усадки (у концов шва, см. рис. 7.27).При укладке шва на край полосы она искривляется от продольной усадкишва.

При сварке встык двух полос они остаются прямыми за счет растягивающих поперечных напряжений в средней части шва и сжимающих – на концах(см. рис. 7.27). При сварке длинного шва поперечные напряжения возникаюттолько у его концов, в средней части шва они невелики.201 yy ост+--Рис. 7.27. Схема образования поперечных напряженийот продольной усадки шваЕсли перед сваркой короткого шва в пластине действуют σнач, то приукладке шва наибольшее изменение поперечной усадки возникает в началешва. Затем нагрев от сварки уменьшает σнач, и в конце шва поперечная усадкапрактически такая же, как при отсутствии σнач.

Если эпюра σнач такая, как показана на рис. 7.27, то сжимающие σнач<0 приведут к резкому увеличению Δпопв начале шва. Затем σнач снизятся от нагрева, поэтому снижение Δпоп в серединешва и повышение Δпоп в конце шва будет незначительным. Чтобы избежатьнакопления Δпоп в начале шва, при многопроходной сварке коротких швов рекомендуется чередовать направления проходов.7.8.6. Поперечная усадка при многопроходной сваркеДеформационные процессы при многопроходной сварке, в основном, теже, что при однопроходной сварке с неполным проплавлением. Дополнительно необходимо учитывать влияние остаточных напряжений от предыдущихпроходов, которые являются начальными для очередного прохода, а такжесуммирование деформаций от всех проходов.

Как уже отмечено в разделе 7.11,заметная поперечная усадка происходит при каждом добавляемом проходе.202Расчетная схема показана на рис. 7.28.syidisisi-1s/2si/2Рис. 7.28. Схема поперечной усадки при многопроходной сваркеПорядок расчета поперечной усадки и угловой деформации.1)Рассматриваем только слой пластины толщиной si (включая очередной проход под номером i и ранее уложенные проходы).

Теплота, попавшая за пределы этого слоя, не влияет на поперечную усадку.2)Определяем усадку этого слоя от очередного прохода, как для пластины толщиной si при неполном проплавлении (см. формулу 7.27): поп i = Ai qпi,c si(7.35)где Ai находим по рис. 7.25 или по формуле (7.32).3)Определяем эксцентриситет очередного прохода yi/ si по рис. 7.26 илиформуле (7.34), где Ci =4)E qп.c т si2−1Рассчитываем угловую деформацию (знак βi совпадает со знаком yi): i =  поп i12 yi.si2(7.36)5) Поперечная усадка от всех проходов (с учетом знаков βi): поп =  (  поп i +  i d i ) .(7.37)6) Угловая деформация от всех проходов (с учетом знаков βi): =  i .(7.38)При расчетах угловой деформацией от первого прохода обычно пре203небрегают, принимая 1  0 .Поперечные остаточные напряжения при многопроходной сварке существенно зависят от условий закрепления свариваемых пластин. Еслизажимные приспособления препятствуют повороту пластин, то к концусварки в корне шва возникает сжатие (рис.

7.29б), а после снятия закреплений происходит разгрузка, и напряжения снижаются (рис. 7.29в). Еслизакрепления не препятствуют повороту, то при односторонней сварке вкорне шва при каждом проходе растут растягивающие напряжения (рис. 7.29,г).лицевая сторонаавбгКорень шваРис. 7.29. Поперечные напряжения σy при многопроходной сварке:а - схема сварки; б – σy в конце сварки в зажимном приспособлении;в – σy ост после снятия закреплений; г – σy ост после сварки незакрепленныхпластинЧтобы избежать накопления Δпоп в начале многопроходного шва (см.

раздел 7.14), при сварке коротких швов рекомендуется чередовать направленияпроходов.7.8.7. Взаимное влияние продольной и поперечной усадкиВ процессе сварки в закрепленной пластине возникают продольные σxи поперечные σy остаточные напряжения. При этом интенсивность напряжений, которую для тонкой пластины, при σz≈0, можно найти по формуле i =  x2 −  x y +  y2204,(7.39)не превосходит предела текучести  i   т . Если σy составляет долю p отσx: σy = pσx, то из условия σi = σт можно найтиx =т1 − p + p2. Из этойформулы следует, что σx при p=0 и p=1 не превосходит σт, а при p=0,5 может достигать2 т 1,15 т . Это приводит к зависимости компонент оста3точных напряжений от расстояния между поперечными закреплениямипластин 2b, показанной на рис.

7.30 (при условии, что закрепления сохраняются после сварки).1.4тx1.2y10.80.62b0.40.201/(2b)Рис. 7.30. Зависимость компонент остаточных напряжений от поперечногозакрепления пластинПри отсутствии закреплений или очень большом размере 2b поперечноенапряжение σy мало, а продольное σx близко к σт. По мере увеличения жесткости поперечных закреплений (уменьшения 2b) σy растет, при этом σx тоже растет и достигает 1,15σт, а затем снова снижается до σт, когда σy=σx. При дальнейшем росте поперечной жесткости σy становится больше σx и достигает1,15σт. при этом σx снижается до 0,58σт.

После этого снижение σx продолжается, а σy снижается до σт.2057.9. Пример расчета перемещений в балке от продольной и поперечнойусадки сварных швовСечение балки – тавр (рис. 7.31), сваренный из пластин двухсторонним угловым швом. К полке тавра таким же швом приварено поперечноеребро. Материал – сталь: σт = 240 МПа, α = 12·10-6 К-1, сρ = 5 Дж/(см3К).Требуется рассчитать прогиб балки от сварки швов.B=150k=5sп=6yсk=5H=150sс=6L=5000Рис. 7.31.

Сварная балка (размеры в мм)Параметры сечения: площадь A = 2·6·150 = 1800 мм2.Координата центра тяжести yc =Момент инерции I x = Ai yci = 6 150  75 − 6 150  3 = 36 мм .A1800150  63 6  1503+− 362  1800 = 4428000мм4 .33Эксцентриситет продольных швов e = yc = 36 мм (считаем, что усадочнаясила приложена на границе стенки и полки тавра).Чтобы определить погонную энергию сварки qп, нужно подобрать посправочной литературе параметры режима сварки (ток I, напряжение U, к.п.д.η, скорость сварки vсв), обеспечивающие требуемые размеры шва (катет, равный 5 мм). Тогда погонную энергию можно найти по формулеqп =UI.vсв(7.40)Можно приближенно определить требуемую qп по площади сечения металла шва Aнапл:qп  AнаплQv .206(7.41)Для углового шва Aнапл =k2= 12,5 мм2 .