(16)

Показанные на рис. П напряжения Ох действуют по всей длине пластин, за исключением концевых участков.

Структурные превращения, сопровождающиеся изменением объема и происходящие при температурах, когда Oj ф О, влияют на остаточные напряжения, Чем ниже температура структурного превращения в сталях (см. рис. 4), тем меньше растягиваюище напряжения Ох\ при температурах превращений ниже

д,нгс/мм

б.кгс/мм

d, нгс/мм

WO Ш

Рис. п. Характер распределения остаточных напряжений Ох в средней части сварных пластин:

а - ниэкоуглеродистая сталь СтЗ, б l2X18H9t, в = 2 мм; й нйевый сплав АМгб, ft

J г ------ - 8 мм; б - аустеиитная сталь

l2X18H9t, в = 2 мм; в - титановый сплав ОТ-4, О = 1,6 мм; г - алюмн-

10 мм

300-400° С возникают сжимающие напряжения. На рис, 12, а показано характерное распределение напряжений в легированной стали. Центральная зона при нагреве и остывании испытала структурные превращения, завершившиеся при низкой температуре; в ней - напряжения сжатия. При сварке аустенитными электродами (рис. 12, 6) в шве получают напряжения растяжения, а в околошовной зоне, испытавшей структурные превращения, - напряжения сжатия.

Поперечные напряжения Оу в соединениях, выполненных дуговыми способами сварки за один проход, зависят от скорости сварки, длины и ширины пластин, условий охлйждения и закреплений. Они являются взаимно уравновешенными и поэтому могут быть как растягивающими, так и сжимающими. Значительные растягивающие напряжения Оу с протеканием пластических деформаций удлинения в период остывания возникают при сварке коротких швов в жестком контуре (например, при заварке дефектных участков). Напряжения в электродуговых однопроходных швах незначительны.

Остаточные напряжения в многослойных стыковых швах зависят от свойств металла, числа слоев, режима сварки и условий закрепления. Распределение продольных напряжений Ох подчиняется примерно тем же закономерностям, что и в однопроходных электродуговых соединениях.Распределение поперечных напряжений Оу в многослойных швах с V-образной разделкой зависит от характера закреплений свариваемых пластин. При сварке незакрепленных пластин вследствие поперечной усадки отдельных слоев и поворота пластин относительно

друг друга в корне шва напряжения Оу > От (кривая / на рис. 13, а), а при больших толщинах (80-100 мм и более) могут достигать значений, вызывающих разрушение. Наоборот, при сварке пластин, где угловой поворот невозможен, а

Адстенитный ш.ов

Рис. 12. Характер распределения остаточных напряжений в сварных соединениях из среднелегированных сталей, испытывающих структурные превращения:

а - химический состав присадочного металла совпадает с химическим составом основного металла; б - присадочный металл - аустенитная сталь

поперечная усадка происходит беспрепятственно, в корне шва возникают сжимающие напряжения Оу (кривая 2 на рис, 13, а). В последних слоях швов напряжения Оу (0,4 0,6) От и являются расгягивающими. Напряжения Gg могут быть и сжимающими, и растягивающими, что зависит от режима укладки

Рис. 13. Поперечные остаточные напряжения Оу-.

а - в многослойном шве низкоуглеродистой стали; б - на поверхности пластин из среднелегированной стали с аусте-нитным швом

валиков выше лежащих слоев, В легированных сталях в зоне структурных превращений напряжения Og, как правило, сжимающие, а напряжения Оу на поверхности пластин являются растягивающими с максимумом на линии сплавления (рис. 13, б). В электрошлаковых сварных соединениях из низкоуглероднстыж Сталей толщиной примерно до 150 мм, выполняемых с большим проваром, рас-

шены сжимающими напряжениями за пределами зоны 26п средняя величина последних зависит от Рус и ширины сваренной пластины 2fl:

пределение напряжений аналогично распределениям в электродуговых однопроходных соединениях. Напряжения Ох значительны, а Оу к Ог существенно меньше От. При толщине элементов 150-200 мм и более, в особенности при малых погонных энергиях сварки, распределение напряжений по толщине швов крайне неравномерно (рис. 14, а). По оси все три компонента растягивающие, причем вследствие объемности напряженного состояния отдельные компоненты превосходят о. На поверхности швов напряжения Ох обычно растягивающие, но малы, а а; - сжимающие величиной 0,5 и более. Такой характер распределения напряжений объясняется сопротивлением усадке нагретого металла по толщине со стороны холодных участков, а также неравномерностью температуры металла по толщине, если она велика. В легированных сталях в зонах структурных превращений, происходящих при низких температурах, напряжений Ох и о сжимающие (рис, 14, б). В аустенитном шве напряжения растягивающие.

В сварных соединениях нахлесточных, угловых и тавровых распределение напряжений при электродуговой и электрошлаковой сварке в общем аналогично распределению напряжений в стыковых соединениях,

В продольных прямолинейных швах оболочек остаточные напряжения примерно такие же, как и в плоских пластинах, В кольцевых однопроходных сварных соединениях оболочек к напряжениям, имеющим место в пластинах, добавляются напряжения, воз-

10,3

у, мм

-12,If

Рис. 14. Остаточные напряжения в электрошлаковых стыковых сварных соединениях:

а - распределение напряжений о Оу, по толщине шва углеродистой стали, б = 240 мм; б - распределение средних напряжений Gx ®2 п° ширине соединения из среднелегированной стали с аустенит-ным швом

никающие от сокращения металла в окружном направлении и появляющегося вследствие этого изгиба оболочки. В результате напряжения вдоль шва Ох (в данном случае окружные напряжения at) понижаются по сравнению с напряжениями в плоских пластинах. Напряжения поперек шва с внутренней стороны оболочки из-за изгиба оказываются растягивающими, а на поверхности металла с наружной стороны ~ сжимающими. Многослойные кольцевые соединения могут выполняться с различным темпом укладки слоев, а также с разделкой шва наружу и внутрь оболочки. В первом случае в корне шва часто образуются значительные растягивающие поперечные напряжения, способные вызвать разрушение шва. При втором варианте расположения разделки более вероятно образование сжимающих поперечных напряжений в корне шва, который в этом случае находится снаружи.

Распреде.тение напряжений в круговых однопроходных соединениях плоских элементов зависит от свойств металла, радиуса шва и жесткости внутреннего и внешнего свариваемых элементов. В металлах, не испытывающих структурных превращений, окружные напряжения вдоль шва в зоне 26п пластических

деформаций близки по величине к напряжениям Ох в прямолинейных швах. Радиальные напряжения могут изменяться в широких пределах - от нулевых до растягивающих, близких к пределу текучести металла. Последние более вероятны в швах малого радиуса. С возрастанием радиуса шва уменьшаются. Во внешней части листа сжимающие, а о. растягивающие. Во внутренней части Ot а г, при больших радиусах швов они сжимающие, при малых - растягивающие.

При осесимметричных нагревах в точечных и электрозаклепочных сварных соединениях в центральной части остаточные напряжения и примерно равны и являются растягивающими. В низкоуглеродистых и аустенитных сталях гтах/тах т* титановых И алюминиевых сплавах максимальные напряжения в центральной части меньше предела текучести. При переходе от зоны пластических деформаций к основному металлу напряжения 0[ меняют знак и становятся сжимающими; радиальные напряжения в основном металле растягивающие и по абсолютной величине примерно равны тангенциальным О/.

В стыковых соединениях стержней, сваренных контактной сваркой, на поверхности в осевом направлении действуют сжимающие напряжения. В глубине металла по оси стержней имеются трехосные растягивающие напряжения, С увеличением диаметра стержней и градиента температур по их длине остаточные напряжения возрастают.

Остаточные напряжения в сталях и сплавах даже при значениях, близких к От, стабильны во времени. Релаксация напряжений протекает крайне медленно и может составлять лишь несколько процентов. Дополнительные деформации появляются вследствие распада неустойчивых структур, например остаточного аустенита.

Рассмотренные здесь напряжения и деформации относятся к случаям, когда в соединениях отсутствуют какие-либо дефекты. В стыковых соединениях сталей продольная пластическая деформация составляет около 1-2%. При наличии концентраторов в зоне пластических деформаций, при сварке в жестком контуре, а также при наличии больших перемещений во время многослойной сварки пластические деформации могут составлять десятки процентов и вызывать разрушение металлов.

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ СВАРКЕ КОНСТРУКЦИЙ

Перемещения в элементах конструкций возникают вследствие образования сварочных деформаций. Перемещения могут быть временные и остаточные. Их определяют либо расчетными, либо экспериментальными методами.

Один из наиболее простых и рациональных расчетных методов определения перемещений сварных конструкций состоит в расчленении всей задачи расчета на два самостоятельных этапа. На первом этапе экспериментальным или расчетным путем находят деформации и перемещения в зоне сварных соединений (термомеханическая часть задачи), а на втором этапе методами сопротивления материалов или теории упругости определяют перемещения (деформационная часть задачи), используя результаты, полученные на первом этапе.

Удобство такого приема состоит в том, что одни и те же результаты из термомеханической части задачи, будучи полученными один раз, могут многократно использоваться при решении деформационных задач.

Перемещения и деформации в зоне сварных соединений. Различают следующие пять видов перемещений и деформаций в зоне сварных соединений:

1) продольные остаточные пластические деформации Вдд.ост создающие так называемую усадочную силу Рус; 2) поперечные перемещения v и равномерная по толщине поперечная усадка Апоп; 3) неравномерная по толщине пО: перечная усадка и угловое перемещение Р; 4) перемещения в направлении

пл. ост

Рис, 15, Распределение продольных остаточных пластических деформаций:

а - низкоуглеродистая сталь; б - легированная сталь

Рис, 16,

Положение , главных осей и эксцентриситеты 1 и 2 приложения усадочной силы

Некоторые исследователи [10, 12] рекомендуют использовать в расчетах сумму произведений остаточных пластических деформаций на площадь, занимаемую ими:

2?./г== 5 гпл. ост df. (17)

- 6.

Другие исследователи [5] рекомендуют использовать величину

(18)

Остаточные пластические деформации гл. ост в ряде случаев могут быть рассчитаны. Их определяют также экспериментально путем измерения длины продольных волокон до сварки и после сварки и разрезки (см. рис, 8).

Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей с пределом текучести до 30 кгс/мм в случае сварки плавлением элементов встык, втавр или внахлестку за один проход установлена следующая зависимость усадочной силы Рус от режима сварки и жесткости свариваемого элемента:

ус ж

ус ж

(19)

где Рус. ж - усадочная сила, возникающая при укладке шва на свариваемый элемент (балку, пластину) весьма высокой жесткости, кгс; От - предел текучести металла, кгс/см; У - моменты инерции относительно главных центральных осей J~I и 2-2, см* (рис. 16); F - площадь поперечного сечения, см; е 2 - эксцентриситеты приложения усадочной силы относительно осей 7-/ и 2-2, см.

Знаменатель в формуле (19) всегда меньше единицы; он учитывает влияние ограниченной жесткости балки или пластины на увеличение Ру по сравнению с ус. ж- Формулу (19) не следует использовать для элементов с относительно малой

жесткостью , когда площадь пластических деформаций, равная примерно Рус. ж/от. составляет более 25-30% от всей площади F поперечного сечения балки. Величину Рус. ж (в кгс) определяют в зависимости от режима сварки:

УС. ж - i

23 ООО

Л90+12 600 , Дж/

тонная энергия сварки, Дж/см;

0,36

где <7 - эффективная мощность, Дж/с; - скорость сварки, см/с; qlv

(20)

Vt.6

расч

- удельная погонная энергия

а) д) в)

Рис. 17. Поперечные сечения сварных соединений: а - стыковых; б - угловых; в - тавровых; г - нахлесточных

сварки, Дж/см; брдсч - расчетная толщина свариваемого элемента, см. Вели-L (бх-{-б2) при сварке пластин толщиной 6j и бз встык или в угол

чина

- расч

(рис. 17) или брасч = у (211 + бс) при сварке втавр или внахлестку (рис. 17, в, г).

Формула (20) действительна в диапазоне Qo от 4000 до 38 ООО Дж/см при естественной теплоотдаче и толщинах металла примерно до 20-25 мм. В тех случаях, когда режим сварки точно не известен, удобным оказывается определять погонную энергию сварки qlv в зависимости от поперечного сечения наплавленного металла:

2. Значения Для некоторых способов сварки

- Qi)H>

(21)

где fн - площадь поперечного сечения наплавляемого металла шва, см; р, коэффициент, определяемый по табл. 2 в зависимости от способа сварки; он найден опытным путем.

В случае неоднопроходной сварки зона пластических деформаций от последующих слоев может перекрывать зону пластических деформаций, образованную ранее уложенными слоями. Это должно учитываться при определении усадочной силы. При сварке втавр двумя одинаковыми угловыми швами последовательно (рис. 18, а), зоны пластических деформаций которых перекрываются, суммарная усадочная сила от двух швов может составлять около 1,25-1,45 от величины усадочной силы первого однопроходного шва.

При укладке большего числа слоев необходимо использовать следующие рекомендации.

перпендикуляра к поверхности свариваемых листов w; 5) продольные перемещения и.

Рассмотрим каждый из указанных видов отдельно.

Усадочная сила. В результате сварки в зоне термического влияния формируются остаточные продольные пластические деформации Впд. ост. которые, как правило, являются деформациями укорочения, но в случае структурных превращений при невысоких температурах (обычно ниже 400° С) могут оказаться деформациями удлинения. На рис, 15, а показана эпюра ej,. OCT) типичная для низкоуглеродистой стали, а на рис, 15, б-для легированной стали.