книги из ГПНТБ / Талыпов Г.Б. Сварочные деформации и напряжения

Глава 7

О С Н О В Ы П Р И Б Л И Ж Е Н Н О Й Т Е О Р И И С В А Р О Ч Н Ы Х Д Е Ф О Р М А Ц И Й И Н А П Р Я Ж Е Н И Й

29. ОСНОВНЫЕ ДОПУЩЕНИЯ И ГИПОТЕЗЫ

Предлагаемая приближенная теория сварочных деформаций и напряжений для металлов рассматриваемого класса базируется на следующих допущениях и гипотезах.

1.Рассматривается металл, который резко теряет свою способ­ ность сопротивляться пластическим деформациям в определенном для него достаточно узком интервале температур. Для простоты принимается, что он теряет способность сопротивляться пласти­ ческим деформациям при определенной средней в этом интервале температуре Тк.

2.При сварке имеет место мощный сосредоточенный нагрев подвижным источником весьма ограниченной зоны изделия до тем­

ператур Т ^ Тк. *В каждом конкретном случае огибающая под­ вижной изотермической поверхности Тк предельного состояния нагрева может быть найдена опытом или же методом, разработан­ ным академиком Н. Н. Рыкалиным (гл. 2).

3.При установившемся режиме ручной и автоматической сварки ширина зоны термического влияния как линейного шва, так и любого из пересекающихся швов, а также механические характеристики металла этой зоны вдоль линий, параллельных оси шва, по длине шва остаются постоянными.

4.Структурные изменения основного металла, изменения его механических свойств, а также деформации (напряжения), возни­ кающие в результате мощного сосредоточенного нагрева элемента достаточной жесткости, свободного от макронапряжений, и его

ному по толщине нагреву неподвижным источником ограниченную внутреннюю часть достаточно большого плоского листа, имеющего начальную равномерную температуру Т0, так, чтобы температура

температуру Т 0 , вдоль некоторой линии L, сводится к определению деформаций и напряжений тела, получающегося в результате сшивания двух тел с равномерной температурой Т0. Одно из этих тел получается из исходного путем последовательного удаления от него всех элементов, оказавшихся внутри изотермической по­ верхности Тк предельного состояния нагрева при перемещении источника по линии L из начального положения А в -конечное положение В, а другое из них образовано элементами, оказав­

в тех направлениях, в которых температурные деформации на­ грева были несвободны. Если S — поверхность сшивания, v — нормаль к этой поверхности в некоторой ее точке с радиусом-век­

с направлением v ортогональную систему координат, то условиями сшивания указанных двух тел будут:

а ( 1 ) - а ( 2 ) -

в случае многосвязного тела. В случае нагрева в центре листа эти деформации и напряжения могут быть найдены путем сшивания

сравнению с теми размерами свариваемых элементов, которые обеспечивают их жесткость, стесняя температурное расширение зоны интенсивного нагрева. Применимость предлагаемой теории ограничена этим классом задач. Но указанное ограничение, если иметь в виду, что при сварке имеет место нагрев до Т ^ Тк весьма ограниченной зоны изделия, не суживает практическую примени­ мость этой теории. Действительно, при используемых на практике режимах сварки полуширина изотермы Тк не превосходит 3—4 си (см. стр. 79—83 в работе [103]),. а при больших скоростях сйарки (при автоматической сварке) она и того меньше, в то время как

длина изотермы Тк, при условии наличия жесткого металла спе­ реди и сзади, не может оказать влияния на сварочные деформации и напряжения.

Положение 1 является схематизацией общеизвестного опытного факта, а также используется и другими авторами [76, 83]. Такого рода схематизация нередко применяется в механике деформируе­ мого тела (например, схемы упруго или жестко-идеально пласти­ ческих тел) и себя оправдывает. Для рассматриваемой в настоящей работе стали типа СХЛ зависимости 0S, б, от температуры Т, полученные на основе проведенных нами опытов, даны на рис. 20. Положение 2 базируется

ний соответствующих размеров деталей до сварки и после сварки и вырезки.

Как указано выше (п. 29), эта гипотеза утверждает, что главное значение активной части' пластических деформаций при сосредо­ точенном равномерном по толщине нагреве ограниченной внутрен­

рение при нагреве было не свободно. При сосредоточенном равно­ мерном по ширине и толщине нагреве средней части длины полосы с жестко заделанными концами температурное расширение будет стеснено главным образом в направлении оси полосы. Деформа­ ции и напряжения, возникающие в направлении оси полосы после такого нагрева и остывания, можно рассматривать или как попе­ речные для короткой пластины с заделанными продольными кра­ ями, или как продольные для полосы с заделанными концами. При

сосредоточенном равномерном по толщине нагреве неподвижным источником ограниченной внутренней части большого плоского листа температурное расширение будет стеснено в радиальных направлениях. В результате такого нагрева и остывания возни­ кает плоское поле остаточных напряжений. Из этой гипотезы сле­ дует, что при подвижном источнике все элементы в момент их выхода из подвижной изотермической поверхности Тк будут иметь активную пластическую деформацию сжатия а (Тк — Т0) в тех направлениях, в которых температурное расширение при нагреве было не свободно.

В дальнейшем (гл. 8) основная гипотеза и предложенные спо­

для теоретического определения остаточных сварочных деформа­ ций и напряжений в сварных соединениях. Для ряда задач дается опытная проверка расчетных значений остаточных сварочных де­ формаций и напряжений, которая показывает, что приближенная теория дает удовлетворительные количественные результаты.

30. ОПЫТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНОЙ ГИПОТЕЗЫ

Деформации и напряжения однослойных полос с заделанными концами, подвергнутых сосредоточенному нагреву посередине длины,

после последующего остывания

Возьмем плоскую полоску толщиной б, шириной Ь и длиной / с жестко заделанными концами. При равномерном по ширине и

формации этого участка обратятся в деформации сжатия всей полосы. Если эти деформациисжатия упругие, то после после­ дующего остывания полоса будет свободна от напряжений.

При достижении температуры Т = Тк в более нагретой части этого участка длиной а1 температурные деформации как этой части полосы, так и всей остальной части обратятся в пластические деформации участка а1г и продольные напряжения в полосе будут отсутствовать. В этот момент пластическая деформация сжатия

будут повышать свою температуру смежные с ним части полосы, причем температурные деформации как более нагретых, так и менее нагретых частей полосы будут происходить за счет пласти­ ческих деформаций более нагретых частей, где Т ^ Тк. Обозначим через а ширину изотермы в этом состоянии. Обратные температур-

ные деформации остывания как более нагретых, так и менее на­ гретых частей полосы будут происходить за счет обратных пла­ стических деформаций более нагретой части без ее сопротивления до тех пор, пока температура в этой части не выравнится до Т = = Тк. Поэтому в предельном состоянии нагрева активная часть пластических деформаций зоны интенсивного нагрева определится соотношением

ная температурным расширением смежных с ним частей полосы. Если в этот момент участок а вырезать из остальной части полосы,

Рис. 21

то к моменту своего остывания до начальной температуры Т0 он получит относительное укорочение (7.1). Но с момента выравни­ вания температуры до Т = Тк материал этого участка приобретает способность сопротивляться деформациям и в силу несвободности последующих температурных деформаций к моменту полного осты­ вания пластическая деформация (7.-1) будет компенсирована за счет деформации растяжения всей полосы.

Примем далее, что величина а (Тк — Т0) составляет главную часть пластической деформации участка а к моменту выравнивания

При этих условиях, если принять металл полосы однородным, основная гипотеза при применении второго метода для относи­ тельного удлинения в точках полосы после ее полного остывания дает

ехх= а ( Г « - Г о ) «• (7-2) Для опытной проверки этого положения были подвергнуты сосре­

что можно объяснить влиянием начальных напряжений от при­ варки их концов к болванке и влиянием концентрации напряжений около болтового отверстия. Датчики охватывают почти всю длину полосы с двух сторон от зоны нагрева (рис. 21). Замеренные по показаниям этих датчиков деформации практически одинаковы по длине каждой из этих полос за исключением одной выпавшей точки у образца. Из этого следует, что принятый способ нагрева не вызвал изгиба этих полос. Опытные значения деформации у об­ разца 3 оказались несколько большими, чем у образца 4. Этот факт объясняется тем, что длина зоны нагрева до Т ^ Тк у об­ разца 3 была больше чем у образца 4.

Сталь 4С. Для опытов были взяты полосы I и 2 толщиной 5 мм, шириной 50 мм и длиной 500 мм. Концы полос прикреплялись к жесткой болванке в соответствии со схемой на рис. 21. Как по­ казали проведенные опыты [96], за температуру Тк этой стали можно принять Тк = 700° С. Нагрев средней части каждой из этих полос осуществлялся изложенным выше способом в соот­ ветствии с законом

графе МПО-2. Деформации полосы замерялись ранее описанным

Сравнивая последние с данными табл. 7, видим, что основная гипотеза для стали 4С дает удовлетворительный количественный результат.

Сталь 1Х18Н9Т. Опыты [96] показали, что за температуру Тк этой стали можно принять Тк н = 850° С. Нагрев полос 1 и 2, имеющих размеры 500 X 50 X 5 мм, осуществлялся изложенным выше способом в соответствии с законом (7.3) до Т = 850° С на расстоянии 10 мм от середины длины. Результаты опытов при­

случае основная гипотеза также дает удовлетворительные коли­ чественные результаты.

Сплав АМГ-6Т. Проведенные нами опыты показали, что за тем­ пературу Тк для этого сплава можно принять Тк = 375° С. На­ грев средней части длины полоски этого сплава, имеющей раз­ меры 500 X 50 X 6 мм, осуществлялся угольным электродом в соответствии с законом (7.3) до Т = 375° С на расстоянии 10 мм от середины длины. По показаниям датчиков сопротивления было

основная гипотеза для этого сплава также дает удовлетворитель­ ные количественные результаты.

Деформации и напряжения двухслойной полосы со свободными концами,

подвергнутой сосредоточенному нагреву посередине длины, после последующего остывания

Исследование остаточных сварочных напряжений (деформаций) в биметаллических балках на основе гипотезы плоских сечений дано в работе [56]. Приведенные в этой работе опытные значения прогибов значительно отличаются от расчетных. Насколько из­ вестно других опубликованных работ по исследованию сварочных деформаций (напряжений) в изделиях из биметаллов нет, но имеется ряд работ, посвященных разработке технологии сварки такого рода изделий.

Ниже дается теоретическое решение задачи на базе основной гипотезы и опытная проверка результатов.

Теоретическое решение. Пусть ан — среднее значение коэф­

при которой металл нержавеющего слоя теряет способность сопро­ тивляться пластическим деформациям; Ткс — та же температура для металла основного слоя. Обычно Тк,н > Тк с. Принятое здесь условие крепления концов при сосредоточенном нагреве средней части длины полосы обеспечивает свободу продольных темпера­ турных расширений. Обозначим: 2ах — ширина изотермы Ткн;

2а2 — ширина изотермы Тк.с. При остывании от Т > Тк.н до

Т= Тк.н температурное сужение в продольном направлении

также будет свободным. При остывании от Ткн до Ткс пластиче­ ское сжатие нагретой до Т ^ Ткс зоны основного слоя от сокра­ щения плакирующего в основном будет компенсировано пласти­ ческим растяжением зон — а 2 ^ х ==^ — а х , ах ^ х ^ а 2 основ­ ного слоя. Примем также, что деформации (напряжения) нагрева частей полосы х > а 2 , х < — а 2 будут компенсированы обратными деформациями тех же зон при остывании. При этих условиях к моменту полного остывания в биметаллической полосе возник­ нут деформации и напряжения взаимодействия слоев при охла­ ждении от Ткс до Т0 = О, обусловленные различием коэффи­ циентов линейного расширения. Ввиду симметрии рассмотрим лишь правую часть полосы. Полоса будет находиться в условиях плоского напряжения состояния, и в соответствии с (3.81) для

условия:

(0,0) = 0; и*1' (0,0) = 0;

dx х=у=0