Образование деформаций. Напряжений и перемещений при сварке

Процесс сварки обычно сопровождается неравномерным нагревом, расширением металла и пластическими деформациями, что приводит к образованию собственных деформаций и напряжений. Собственные напряжения создают так называемые внутренние усилия в деталях и конструкциях; под действием этих сил могут возникать значительные перемещения отдельных точек сварных конструкций вследствие их укорочения, изгиба, закручивания и т. п.

Собственными деформациями металла и напряжениями в нем обычно интересуются, когда требуется установить изменение свойств металла и его состояния для оценки прочности при статических и переменных нагрузках, коррозионной стойкости, технологической прочности и др.

Остаточные перемещения в сварных конструкциях, вызванные процессом сварки, могут влиять на такие эксплуатационные свойства, как точность, сопротивление потоку жидкости или газа, устойчивость, а также на процесс сборки при производстве сварных конструкций. Перемещения могут заметно искажать заданные проектные формы изделий и ухудшать их вид.

Рис. 9.5 Определение продольных деформаций и напряжений при сварке пластин (по Г. А. Николаеву): а) распределение температур и деформаций в сечении I—I; б) распределение температур в пластине; в) остаточные деформации и напряжения

Обычно деформации и напряжения, а также перемещения определяют отдельно, используя различные расчетные методы и приемы.

Рассмотрим образование деформаций и напряжений при однопроходной сварке встык двух пластин в предположении, что напряжения одноосны, соблюдается гипотеза плоских сечений (поперечные сечения свариваемых пластин не искривляются), идеально упруго-пластический материал имеет зависимость σ_Т =f(T), представленную на Рис. 9.4, б ломаной линией 1.

В методе Г. А. Николаева, рассматривается распределение деформаций и напряжений в сечении I—I, где область, ограниченная изотермой 600° С, имеет наибольшую ширину (Рис. 9.5, б). Температурные деформации волокон пластины равны величине аТ. Так как волокна связаны между собой и деформируются совместно, то в них возникают дополнительные деформации. На Рис. 9.5, а деформации укорочения показаны со знаком минус, а деформации удлинения — со знаком плюс. Пластические деформации показаны косой штриховкой, упругие — прямой. Прямая m—m' на Рис. 9.5, а показывает положение сечения пластины. Она проводится с учетом условия уравновешенности эпюры упругих деформаций.

Пластические деформации укорочения являются причиной образования остаточных напряжений. На Рис. 9.5, в они показаны линией add'a'. Величина пластических деформаций в зоне с температурой нагрева выше 600° С определяется условно. Деформации при Т>600°С в расчет не вводятся ввиду того, что при этих температурах предполагается отсутствие напряжений. Поэтому на Рис. 9.5, а они ограничены линией gd.

Эпюра add'a' на Рис. 9.5, выражает укорочение волокон, которое произошло в зоне пластических деформаций в период нагрева металла. Это укорочение волокон обнаружится лишь при остывании металла и приведет к образованию растягивающих напряжений.

Для определения остаточных деформаций необходимо провести прямую п—п' так, чтобы площадки у положительной и отрицательной части эпюры были равны. Если бы волокна при остывании сокращались беспрепятственно, то их укорочение соответствовало бы кривой add'a'. Связь с соседними волокнами вызывает появление растягивающих напряжений, которые, достигнув σ_Т, создают на стадии остывания пластические деформации удлинения. Эти деформации удлинения представлены эпюрой fdd'f (Рис. 9.5, в). Умножив ординаты эпюры деформаций на модуль упругости Е, получим эпюру остаточных напряжений (заштрихованная часть на Рис. 9.5, в).

Максимальные значения σ на участке f—f равны σ_Т Зона шириной 2b_P носит название зоны растягивающих напряжений» а зона 2b_П — зоны пластических деформаций.

При расчетном определении перемещений, возникающих в сварных конструкциях от продольного сокращения металла, используется фиктивная усадочная сила Р_УС, величина которой в данном случае пропорциональна площади зоны остаточных пластических деформаций aff'a'

( 9.1)

Так как εпл. ост. в данном случае являются деформациями укорочения и имеют знак минус, то сила Рус является сжимающей. Если учитывать объемные изменения металла в процессе тех фазовых превращений, которые происходят при температурах ниже 600° С, о чем сказано далее, то в некоторых зонах по ширине сварного соединения величина будет иметь знак плюс, а интеграл ( 9.1) может дать растягивающую фиктивную силу.

Под действием усадочной силы пластина испытывает относительную продольную деформацию ε_ПР (Рис. 9.5, в), а на всей длине L—укорочение Δ_ПР= Lε_ПР.

При сварке напроход весьма жесткой сварной конструкции

( 9.2)

где q - эффективная мощность (в ваттах),; - скорость сварки, мм/с.

Формула

( 9.2) пригодна также для определения от газовой резки. Коэффициент В определяют экспериментально путем сварки и обмера образцов. При сварке алюминиевых сплавов В = 140...150 для стыковых швов и 160...170 для тавровых с одним угловым швом. Для конструкционных сталей установлена зависимость В от погонной энергии:

здесь s - толщина свариваемых пластин (средняя толщина при сварке пластин разной толщины).

При многопроходной сварке зоны пластических деформаций от следующих проходов частично перекрывают предыдущие, поэтому каждый проход дает дополнительную силу порядка 15 % от возникающей после первого прохода. Для прерывистого шва пропорциональна отношению длины участка шва к шагу прерывистого шва. При сварке «от середины» на 15...20 % меньше, чем при сварке напроход.

В случае ограниченной жесткости вносится поправка, увеличивающая значение по сравнению с .

Рис. 1.35. Сварная балка таврового профиля под действием усадочной силы, вызывающей ее изгиб и укорочение

От этой же оси отсчитывают эксцентриситет е от силы . Для учета ограниченной жесткости балки вносят поправку

в значение , найденное по формуле

( 9.2) (I_Х, I_Y -моменты инерции сечения относительно двух главных центральных осей; е_х, е_у - эксцентриситеты приложения усадочной силы относительно тех же осей; S - площадь сечения; σ_Т -предел текучести материала). Если знаменатель дроби в формуле < 0,5, то он принимается равным 0,5. Формула справедлива, когда площадь зоны пластических деформаций, равная, не превышает 25...30 % от всей площади поперечного сечения F.