Деформации и напряжения в соединениях с круговыми швами

В круговом сварном соединении на плоском листе распределение напряжений и деформаций в первом приближении может рассматриваться как осесимметричное.

В таком соединении следует различать три основных зоны: внутреннюю 1, среднюю 2 и внешнюю 3 (Рис. 9.15). Зона 2 соответствует зоне растягивающих напряжений в обычном прямолинейном шве и имеет, как правило, высокие напряжения σt, близкие к пределу текучести. Вследствие уравновешенности зоны 2, представляющей кольцо, радиальные напряжения σr₃, действующие на внешнюю зону 3, всегда больше напряжений σr₁, действующих на внутреннюю зону. В малоуглеродистых и аустенитных сталях зона 2 находится в состоянии пластической деформации, что соответствует условию пластичности,

( 9.6)

8.10.1. 8.10.2. Рис. 9.15 Характерные зоны кругового шва

В сочетании с дифференциальным уравнением равновесия уравнение ( 9.6) позволяет определить распределение напряжений σ_r2 и σ_t2 в зоне 2 в зависимости от величины напряжения σ_r1 или σ_r3. На (Рис. 9.16) схематично показано несколько возможных распределений напряжений σ_r2 и σ_t2 в зоне 2. В свою очередь, величина напряжений σ_r1 зависит от соотношения жесткостей элементов в областях 1 и 3, радиуса r₂₀ , поперечного сокращения шва и ширины зоны пластических деформаций 2b_п.

8.10.3. Рис. 9.16 Возможные распределения напряжений в зоне 2

Установить точную количественную связь между всеми этими величинами трудно. Однако всегда напряжение σ_r3 — растягивающее, в то время как σ_r1 может быть и растягивающим и сжимающим. Это объясняется тем, что поперечная усадка соединения вызывает растягивающие напряжения σ_r и в области 1, и в области 3, а продольная (окружная) вызывает в области 3 напряжения растяжения σ_r, а в области 1 — сжатие. При больших размерах зоны 3 и малых размерах зоны 1 поперечная усадка преобладает, и в области 1 действуют растягивающие напряжения (Рис. 9.16.). Аналогичная картина наблюдается, если элемент 1 представляет собой жесткую бобышку или фланец небольшого диаметра (до 100—200 мм). В этом случае могут возникнуть большие радиальные пластические деформации, и даже разрушение металла.

Сжимающие напряжения σ_r1 в зоне 1 возникают при относительно малой жесткости области 3, например, при приварке узкого кольца; окружное сокращение почти полностью передается на область 1 и она испытывает сжатие.

Круговые швы на сферических поверхностях вызывают нарушение формы оболочки в зоне кругового шва с приближением ввариваемого элемента к центру сферы (Рис. 9.17, б, пунктирная линия). Деформации появляются вследствие поперечной усадки соединения Δ_поп и окружного сокращения металла в зоне пластических деформаций 2b_п. Характер деформаций близок к осесимметричному. В круговых швах остаточные напряжения в окружном направлении обычно велики и могут достигать значений σ_T. Напряжения поперек шва могут изменяться от нулевых значений, если круговой шов близок к кольцевому, до значений σ_T в случае расположения кругового шва в зените сферы. Большие значения поперечных напряжений иногда являются причиной разрушений в круговых сварных соединениях.

8.10.4. Рис. 9.17 Деформации круговых швов

Деформации от круговых швов на цилиндрических оболочках имеют сложный характер (Рис. 9.17, а). Поперечная усадка в зонах В и продольная в зонах А создают сокращение периметра оболочки, в результате чего деталь 1 перемещается к оси цилиндра. Прямолинейная образующая искривляется.

При точечном разогреве на сферической или цилиндрической оболочке после остывания происходит перемещение нагревавшегося пятна к центру оболочки.