Зона структурных превращений шириной / на рис. 31 ограничена изотермой

с1 + сз определяющей зону структурных превращений при нагреве,

и изотермами и Тк,

соответствующими температуре начала и конца структурного превращения при охлаждении. При расположении зоны превращений на расстоянии /?с ниже середины заваренного участка шва О зазор закрывается, а при расположении ее выше О - открывается. Численное определение приведено в работе [5].

Для определения изгиба узких полос от неравномерного нагрева расчетных формул и номограмм не имеется. Для устранения этого вида перемещений свариваемые

0,002 0,006 0,010 0,016 dvjCM/c

Рис. 33. Номограмма для определения теплоотдачи -~

в низкоуглеродистых и низколегированных сталях

пластины следует скреплять между собой на конце, чтобы предотвратить расхождение концов.

Изгиб и укорочение балок Перемещения в балках от продольных и поперечных швов определяют раздельно.

1ч 2.

Рис. 34. Сварная балка таврового профиля под действием усадочной силы Рус, вызывающей изгиб и укорочение

Продольные швы / (рис. 34, о) создают усадочную силу Рус. которая вы зывает изгиб и укорочение балки. Максимальный прогиб

угловой поворот концов

8£У EJ ♦

(46) (47)

продольное укорочение

Ру£

Anp=-F], (48)

yVf-Pyci. (49)

Величину усадочной силы определяют по формуле (19) в соответствии с рекомендациями, которые изложены в работе [5]. Эксцентриситет Ci силы Яу относительно оси /-проходящей через центр тяжести сечения балки (рис. 34, б), находится из условия, что сила Рус приложена примерно на стыке стенки и пояса. В формулах (46)-(48) / - момент инерции сечения относительно оси 1-1; F - площадь поперечного сечения.

При последующей укладке продольных швов , например для. присоединения еще одной полки к тавру с целью образования двутавра (рис. 34, в), прогибы и укорочения от швов определяют отдельно, находя новые эксцентриситет е, момент инерции сечения J относительно оси 2-2 и площадь поперечного

Рис. 35. Схемы изгиба балки вследствие поперечной усадки поперечных швов

сечения двутавра F. Прогибы суммируют с учетом их знака: в данном примере они направлены противоположно, В случае, если балка, состоящая из нескольких элементов (рис.34, в), вначалесобрана на прихватках,а затем сваривается швами / я II, то при вычислении прогибов и укорочений предполагают, что швы обеспечивают достаточно жесткую связь между элементами, и в расчет вводят момент инерции / и площадь F всего поперечного сечения, а также эксцентриситет е для усадочной силы от швов / и эксцентриситет для усадочной силы от швов .

Иногда в расчетах во внимание принимают последовательность укладки, чтобы учесть влияние напряженного состояния металла на усадочную силу. В этом случае необходимо использовать формулу (34) для определения усадочной силы.

Поперечные швы, расположенные перпендикулярно к продольной оси балки и присоединяющие различные элементы, вызывают укорочение балок и, если они смещены относительно центра тяжести поперечного сечения балки, их изгиб. Для определения перемещений балки вначале необходимо определить усадку Д,1оп в зоне уложенного шва. На рис. 35, а и б показан простейший пример приварки полосы угловыми швами J и 2. От шва / усадку в направлении л: - х испытывает верхний пояс на участке площадью f g = ln (рис 35, б). Величина Д о11 может быть определена по формуле (38) с учетом тепла, вводимого в полку, по формуле (39). Если поперечный шов пересекает участки, к которым приварены стенки, как это показано на рис. 34, в, то средняя поперечная усадка Доп. ср должна быть определена по формулам (40) или (41) с учетом разъяснений, данных к рис. 21.

После определения средней поперечной усадки находят продольное укорочение балки от одного шва

Дпр= Апоп.ср, (50)

где Fs - площадь поперечного сечения части элемента, где расположен шов, равкая /бп на рис. 35, б или на рис. 35, в, см; F - площадь поперечного сечения балки, см.

Продольные укорочения балки от отдельных швов суммируются.

Для определения прогиба балки от поперечных швов необходимо найти угол поворота двух частей балки относительно друг друга от каждого шва в отдельности (рис. 35, г) по следующей формуле:

9 = Anon.cp-J, (51)

где ф - угол поворота, радианы; S - статический момент части сечения, где расположено сварное соединение, см; для случая на рис. 3S, б S - (i Ь ) п

на рис. 35, е S = ej относительно оси Y-Y, см*. L L С L L L

/пбп; J - момент инерции всего сечения балки

L L L t

(р ч? <F

а) S) д)

Рис. 36. Схемы изгиба балки, имеющей ребра, приваренные к вертикальной стенке и верхнему поясу

На рис. 35, г показаны угол % от шва / и угол Фа от шва 2. Зная угол фа и плечо La, можно определить прогиб /.

Если балка имеет большое число поперечных швов (рис. 36, а, б), то ее прогиб определяется с учетом углов ф (рис. 36, в) от отдельных швов и длин участков между швами. Методика расчета укорочения и изгиба балки от усадки сварных соединений, находящихся на вертикальных стенках, остается той же самой (рис. 36). В формулах (50) и (51) необходимо использовать F = 1вс и 5 = е/дбс, т. е. Рэ и для того участка вертикальной стенки, который испытал поперечную усадку. Суммарный прогиб f должен находиться с учетом характера изгиба, представленного на рис. 36, в.

Скручивание балок. Причины закручивания балок изучены недостаточно. При сварке балок с тонкостенными открытыми профилями, таких как двутавровые, Н-образные, П-образные и др., скручивание возникает вследствие неодновременной поперечной усадки углового шва по его длине (рис. 37, а). Например, шов У на рис. 37, а по мере его заварки и усадки закручивает верхний пояс, а шов 2 - нижний. Швы 3 и 4 не могут компенсировать перемещений ввиду жесткости швов 1 и 2. Сборка на прихватках или в кондукторах позволяет избежать закручивания данного вида. Возможна крутильная форма потери устойчивости. Например, крестообразная балка на рис. 37, б вследствие действия усадочной силы и появления сжатия в листовых элементах закручивается в результате потери устойчивости.

Балки коробчатого профиля, собранные на прихватках (рис 37, в), закручиваются после сварки вследствие продольного смещения при выполнении продольного шва (рис. 37, г). Такое смещение по своему действию равносильно приложению фиктивных крутящих моментов М (рис. 37, д). Угол закручивания балки

фМ, (52)

где L - длина балки; ©к - удвоенная площадь, охватываемая средней линией тонкостенного сечения, например, сечение, представленное на рис. 37, в, имеет Wk 2 30 40 = 2400 см*.

Если швы 1 и 4 сварены в одном направлении, а швы 2 и 5 - в противоположном (рис. 37, в), то закручивание суммируется от всех четырех швов.

Рис. 37. Закручивание сварных балок

Значительному закручиванию могут подвергаться элементы, у которых ©к мало, а также конструкции с большой длиной L.

Искривление поверхностей вследствие угловых перемещений р. Поверхности, образованные листовыми элементами, могут искривляться вследствие неравномерной поперечной усадки, вызывающей появление угловых перемещений р. Примером является приварка набора (рис, 38, а) к обшивке корабля. Аналогичный характер искривления возникает при сварке встык закрепленных по контуру листов (рис. 38, б). В простейших случаях характер искривления и прогибы

г; Р

Рис. 38. Схемы для определения перемещений в листах, имеющих угловое перемещение Р

могут быть определены расчетом. Зону шва заменяют шарниром (рис. 38, в и г), ь затем прикладывают моменты и силы, которые находят из двух условий:

I, Сумма угловых поворотов слева и справа от шарнира (рис. 38, г) должна быть равна угловому перемещению Р;

1ф1Ц-ф2 = Р- (53)

и. Перемещения слееа и справа от шарнира равны;

/i=/a- (54)

-jf.- /

Рис. 39, Примеры потери устойчивости листовых элементов в сварных конструкциях:

а, б, в - балка; г - крышка; д - лист с вваренным элементом; е - плоское йннще в сосуде; ж - лист, сваренный встык

Wmax

Рис. 40. Определение максимального прогиба стенки, потерявшей устойчивость под действием сжимающих напряжений

В случае пересекающихся элементов набора и швов искривления имеют сложный характер. Эти случаи подробно описаны в работе [10].

Потеря устойчивости листовых элементов. Потеря устойчивости возникает в результате действия остаточных напряжений сжатия, вызванных усадкой металла в зоне сварных соединений.

Для определения возможности потери устойчивости необходимо найти действующие усадочные силы и напряжения, условия закрепления рассматриваемых элементов по контуру, вычислить критические силы и сравнить их с действующими. На рис. 39, а показана двутавровая сварная балка, вертикальный лист которой и пояса испытывают продольные сжимающие напряжения

(55)

Осж =

где 2Рус - усадочные силы от поясных швов; - площадь поперечного сечения балки.

Вертикальную стенку можно рассматривать как полосу, заделанную по двум длинным сторонам (рис. 39, б), а пояс - как полосу, один край которой свободен, а другой заделан (рис. 39, в).

Критическое напряжение для стенки

7я2£ /бс\2

а для пояса (см. рис. 38, в)

(56)

1,33л2£ /2б \а В

<P-I2(l ji2)

(57)

Если Осж > Окр, то произойдет потеря устойчивости.

Потеря устойчивости нередко происходит при приварке листа по контуру (рис. 39, г), когда создается двухосное сжатие; в случае вварки в лист какого-либо элемента, когда возникают окружные сжимающие напряжения 09 (рис. 39, д)\ при вварке плоского днища (рис, 39, е), а также при сварке листов между собой (рис. 39, ж).

Определение перемещений w после потери устойчивости рассмотрим на

примере стенки двутавровой балки (рис. 40, а). В закритической области после потери устойчивости стенки возникнет некоторое укорочение балки Др. На рис. 40, б Дпр отложено по горизонтальной оси. При этом сила воспринимаемая поясами, будет изменяться линейно, а сила Р, воспринимаемая стенкой, после потери устойчивости в точке А изменяется нелинейно. Для решения рассматриваемой задачи необходимо располагать нелинейной зависимостью от Дпр. В точке В, соответствующей равновесию сил, сумма Pj, = Р -f- равна усадочным силам 2Рус. На рис. 40, б показана зависимость w от Д, которой также необходимо располагать для решения задачи. В более сложных случаях потери устойчивости для расчетов могут быть применены энергетические методы [5].

Перемеиния в оболочках. Наиболее распространенными сварными соединениями в оболочках являются кольцевые, продольные и круговые швы (рис. 41).

В процессе выполнения однопроходного кольцевого шва электрошлаковым способом свариваемые оболочки поворачиваются относительно друг друга и сближаются, в результате чего происходят сложные изменения сварочного зазора [4] и возникает излом продольной оси оболочек. В тонкостенных оболочках из сталей и титановых сплавов вследствие окружной усадки зоны пластических деформаций кольцевых швов периметр уменьшается (рис. 42) в зоне протяженностью l = JL-XU=. Радиальное перемещение может достигать величины, 4 {3(1-ji)