13. Поперечная усадка при неполном проплавлении

Обычно полное проплавление сечения за один проход достигается только при небольшой толщине. При многопроходной сварке, а также при приварке деталей втавр или внахлестку сечение расплавляется не на всю толщину. В таком сварном соединении можно выделить несколько характерных зон (рис. 24).

Поперечные деформации пластины в этом случае аналогичны деформациям балки с наложенным на часть ее сечения поперечным швом. Всю толщину сечения можно разбить на 2 слоя: активный, в котором происходит поперечная усадка, как в пластине при полном проплавлении, и пассивный, препятствующий этой усадке. Как и в случае с балкой, можно вырезать до сварки заштрихованный фрагмент, устранить возникшую в нем поперечную усадку с помощью фиктивных сил P, вклеить фрагмент на прежнее место и снять фиктивные силы.

Рис.24. Сечение шва и схема поперечной усадки при неполном проплавлении: 1 – упругая зона, 2 – зона пластических деформаций, 3- высокотемпературная зона, 4 – шов.

Таким образом, поперечная усадка сварного соединения с неполным проплавлением

, (31)

где поперечная усадка активной зоны Δ_а определяется так же, как при полном проплавлении.

На рис. 25 показаны результаты экспериментального определения поперечной усадки при наплавке валиков на различных режимах и на пластины различной толщины. Представлена зависимость коэффициента поперечной усадки A (см. формулу 27) от удельной погонной энергии сварки q₀.

Рис.25. Коэффициент поперечной усадки при сварке в CO₂ (1) и под флюсом (2)

Судя по этим данным, при полном проплавлении коэффициент A ≈ 1 не зависит от q₀ (горизонтальные участки диаграмм на рис. 25). При уменьшении погонной энергии проплавление становится неполным и, согласно (31), поперечная усадка снижается, что соответствует наклонным участкам диаграмм на рис. 25. Сварка в CO₂ дает более глубокое и узкую форму проплавления, поэтому горизонтальный участок диаграммы начинается при меньшем значении q₀. Наклонные участки диаграмм можно описать формулой

, (32)

где для сварки в CO₂ A₀ = 0,12; q₂ = 171 Дж/мм²; для сварки под флюсом A₀ = 0,1; q₂ = 368 Дж/мм².

Формулу (31) неудобно применять в расчетах, так как сложно определить толщину активной зоны s_а. Для расчета усадки при неполном проплавлении удобнее пользоваться формулой (27), подставляя в нее значение A из формулы (32).

Кроме поперечной усадки возникает также взаимный поворот свариваемых пластин на угол β (угловая деформация), поскольку усадка со стороны сварки больше, чем с непроваренной обратной стороны пластины (см. рис. 4). Расчет проводится аналогично формуле (30):

, где ℓ – длина шва.

Подставив значение s_а из формулы (31), получим

. (33)

Эксцентриситет активного слоя y_а зависит от введенной при сварке теплоты q₀. При большой толщине и малой мощности источника глубина проплавления мала и эксцентриситет близок к половине толщины пластины y_а ≈ s/2. По мере роста q₀ растут поперечная усадка Δ_поп и угловая деформация β. Однако при дальнейшем росте q₀ глубина проплавления приближается к толщине сечения, что приводит к уменьшению y_а. В результате вначале рост β замедляется, а когда проплавление превышает половину толщины пластины, начинается снижение β. Однако y_а и β не уменьшаются до нуля даже при полном проплавлении, так как нагрев и поперечная усадка со стороны сварки всегда больше, чем с обратной стороны пластины (см. рис. 4). На рис. 26 приведена зависимость отношения y_а/s от параметра ,построенная по экспериментальным данным. Она может быть описана приближенной формулой

. (34)

Рис. 26. Относительный эксцентриситет поперечной усадки

Формулы (27) и (33) применимы и для случая однопроходной сварки с разделкой кромок. Однако необходимы зависимости параметров A и y_а/s от формы разделки. Такие зависимости могут быть получены экспериментально или на основе расчетов МКЭ.

Важным для практики является случай, когда к пластине приваривают втавр ребро двумя угловыми швами. Угловая деформация пластины происходит как за счет усадки самой пластины от неполного проплавления при укладке каждого шва, так и от усадки последнего из двух уложенных швов. Характер зависимости угла β от катета швов k такой же, как при проплавлении пластины: угол вначале растет, затем убывает. На участке роста β зависимость может быть описана приближенной эмпирической формулой: , где угол β выражен в радианах.