23-03-2020-Глава 7 Сварочные деформации и напряжения (841337), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

. (7.27)

Усадка вызвана тем, что на стадии нагрева расширение пластин не происходит (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 случае незакрепленных 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 поперечных закреплений. Он может быть определен экспериментально или рассчитан с помощью КЭ модели. Для рассмотренной модели (см. рис. 7.17) . Расчет МКЭ для незакрепленной пластины при описанных выше условиях сварки и свойствах материала дает поперечную усадку Δ_поп=0,3 мм, то есть A = 1,25. Если края пластины закрепить (расстояние между закреплениями 400 мм), то к концу остывания поперечные растягивающие напряжения достигают σ_{y ост} = 164 МПа, но после освобождения пластин усадка такая же - Δ_поп=0,3 мм. Таким образом, поперечное закрепление не влияет на величину усадки, если остаточные поперечные напряжения не достигают предела текучести. Если уменьшить расстояние между закреплениями до 200 мм, то остаточные напряжения достигнут предела текучести. В этом случае величина усадки определяется условием разгрузки:

. (7.28)

При 2b = 200 мм, σ_т = 240 МПа, E = 2·10⁵ МПа получим Δ_поп=0,24 мм.

7.8.2. Сопоставление явлений продольной и поперечной усадки пластин

Явления продольной и поперечной усадки объединяет то, что они:

- возникают при сварке в результате пластической деформации металла на стадии 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 и пластины.

В продольном направлении шов проходит через всю пластину, но при этом он существенно уже нее. Суммарное укорочение шва могло бы быть значительным, но края пластины препятствуют этому укорочению, в результате возникают продольные временные и остаточные напряжения, а укорочение всей 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 поперечных напряжений и деформаций.

1. Продольные сварочные напряжения имеют в активной и пассивной зонах разные знаки, а поперечные одинаковы по всей ширине пластины.

2. Наблюдаемые продольные сварочные деформации одинаковы по всей ширине 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 усадка не происходит. Это связано с тем, что в активной зоне уже после первого нагрева возникают продольные напряжения, близкие к пределу текучести, которые в результате повторных нагревов не изменяются. Поперечная усадка, как правило, происходит при каждом нагреве и при многократном нагреве накапливается.

4. В качестве фактора, заменяющего действие сварки при расчете конструкций, для продольной усадки используют P_ус, а для поперечной - Δ_поп.

7.8.3. Деформации балок от поперечной усадки швов

Если на один из элементов сечения балки наложить поперечный шов (например, при приварке к балке ребер жесткости и других вспомогательных элементов), то это приведет к укорочению и изгибу балки, как и при наложении продольного шва (см. рис. 7.12). Примером является двутавровая балка, в которой 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.

Рис. 7.22. Схема расчета укорочения и изгиба балки от сварки поперечного шва 1

1. Мысленно вырежем из балки перед сваркой фрагмент верхнего пояса длиной ℓ.

2. При его сварке в незакрепленном состоянии произойдет поперечная усадка .

3. Приложим фиктивные силы P и растянем сваренный фрагмент до прежней длины ℓ. Необходимый уровень этих сил можно вычислить по закону Гука: , где A_п – площадь вырезанной части поперечного сечения, испытавшей поперечное укорочение.

4. Вклеим фрагмент на прежнее место, не убирая силы P. Теперь, чтобы снять 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:

, (7.29)

, (7.30)

где A_б и I_б – площадь и момент инерции всего сечения балки; y_сп - плечо силы P (расстояние от центра тяжести сечения балки A_б до центра тяжести сечения пояса A_п).

Ось балки, проходящая через центр тяжести ее сечения, на этом участке укорачивается на Δ_прод, 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 на Δ_прод и φ. При сварке встык всего сечения, когда A_п = A_б, а y_сп = 0, получаем Δ_прод = Δ_поп; φ = 0. В отличие от продольных швов, вызывающих искривление оси балки по всей длине (см. рис. 7.12), ось балки образует ломаную линию с изломом на угол φ у каждого поперечного шва (рис. 7.23б). Прогиб балки f может быть вычислен из геометрических соображений. Поскольку угол φ мал, его синус и тангенс равны значению угла, выраженному в радианах.

Рис. 7.23. Схема определения прогиба балки f от сварки трех поперечных швов: а – излом оси балки в зоне поперечного шва, б – схема оси балки с тремя изломами для определения максимального прогиба

7.8.4. Поперечная усадка при неполном проплавлении

Полное проплавление сечения за один проход достигается только при небольшой толщине. При многопроходной сварке, а также при приварке деталей втавр или внахлестку сечение расплавляется не на всю толщину. В таком сварном соединении можно выделить несколько характерных зон (рис. 7.24).

Рис. 7.24. Сечение шва и схема поперечной усадки при неполном проплавлении: 1 – упругая зона, 2 – зона пластических деформаций, 3- высокотемпературная зона, 4 – шов

Поперечные деформации пластины в этом случае аналогичны деформациям балки с наложенным на часть ее сечения поперечным швом. Всю толщину сечения можно разбить на 2 слоя: активный, в котором происходит 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, вклеить фрагмент на прежнее место и снять фиктивные силы.

Таким образом, поперечная усадка сварного соединения с неполным проплавлением

, (7.31)

где поперечная усадка активной зоны Δ_а определяется так же, как при полном проплавлении.

На рис. 7.25 показаны результаты экспериментального определения поперечной усадки при наплавке валиков на различных режимах и на пластины различной толщины. Представлена зависимость коэффициента поперечной усадки A (см. формулу 7.27) от удельной погонной энергии сварки q₀.

Рис. 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 не зависит от q₀ (горизонтальные участки диаграмм на рис. 7.25). При уменьшении погонной энергии проплавление становится неполным и, согласно (7.31), поперечная 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 меньшем значении q₀. Наклонные участки диаграмм можно описать формулой

, (7.32)

где для сварки в CO₂ A₀ = 0,12; q₂ = 171 Дж/мм²; для сварки под флюсом A₀ = 0,1; q₂ = 368 Дж/мм².

Формулу (7.31) неудобно применять в расчетах, так как сложно определить толщину активной зоны s_а. Для расчета усадки при неполном проплавлении удобнее пользоваться формулой (7.27), подставляя в нее значение A из формулы (7.32).

Кроме поперечной усадки возникает также взаимный поворот свариваемых пластин на угол β (угловая деформация), поскольку усадка со стороны сварки больше, чем с непроваренной обратной стороны пластины (см. рис. 7.4). Расчет проводят по формуле, аналогичной (7.30):

, где ℓ – длина шва.

Подставив в нее значение s_а из формулы (7.31), получим

. (7.33)

Эксцентриситет активного слоя y_а зависит от введенной при сварке теплоты q₀. При большой толщине и малой мощности источника глубина проплавления мала и эксцентриситет близок к половине толщины пластины y_а ≈ s/2. По мере роста q₀ растут поперечная усадка Δ_поп и угловая деформация β. Однако при дальнейшем росте q₀ глубина проплавления приближается к толщине сечения, что приводит к уменьшению y_а. В результате вначале рост β замедляется, а когда проплавление превышает половину толщины пластины, начинается снижение β. Однако y_а и β не уменьшаются до нуля даже при полном 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 y_а/s от параметра , построенная по экспериментальным данным. Она может быть описана приближенной формулой

Характеристики

Список файлов лекций