14. Влияние начальных напряжений на поперечную усадку

Когда сварочный источник прогревает всю толщину пластины до высокой температуры, предел текучести металла падает, и сварной шов без сопротивления деформируется под действием приложенных поперечных нагрузок. Поэтому приложенные до начала сварки начальные сжимающие поперечные напряжения σ_нач<0 неограниченно увеличивают Δ_поп, а растягивающие σ_нач>0 уменьшают (вплоть до Δ_поп < 0). Все же очень большие Δ_поп под действием начальных напряжений обычно не возникают по 2 причинам:

1) Нагрузку принимают на себя соседние, менее нагретые участки шва, а также зажимные приспособления и прихватки.

2) В качестве σ_нач, как правило, действуют остаточные напряжения σ_ост от усадки соседних ранее уложенных швов. В этом случае по мере деформации происходит разгрузка, и σ_нач снижаются.

Поперечные σ_нач перед сваркой возникают по следующим причинам:

1. от внешних нагрузок;

2. поперечные σ_ост от параллельных предыдущих швов;

3. продольные σ_ост от перпендикулярных предыдущих швов.

Кроме того, поперечные напряжения возникают в процессе сварки шва:

1. от поперечных закреплений краев пластины;

2. от продольной усадки (у концов шва, см. рис.27).

При укладке шва на край полосы она искривляется от продольной усадки шва. При сварке встык двух полос они остаются прямыми за счет растягивающих поперечных напряжений в средней части шва и сжимающих – на концах (см. рис.27). При сварке длинного шва поперечные напряжения возникают только у его концов, в средней части шва они невелики.

Рис.27. Схема образования поперечных напряжений от продольной усадки шва

Если перед сваркой короткого шва в пластине действуют σ_нач, то при укладке шва наибольшее изменение поперечной усадки возникают в начале шва. Затем нагрев от сварки уменьшает σ_нач, и в конце шва поперечная усадка практически такая же, как при их отсутствии. Если эпюра σ_нач такая, как показана на рис. 27, то сжимающие σ_нач<0 приведут к резкому увеличению Δ_поп в начале шва. Затем σ_нач снизятся от нагрева, поэтому снижение Δ_поп в середине шва и еще повышение Δ_поп в конце шва будет незначительным. Чтобы избежать накопления Δ_поп в начале шва, при многопроходной сварке коротких швов рекомендуется чередовать направления проходов.

15. Поперечная усадка при многопроходной сварке

Деформационные процессы при многопроходной сварке, в основном, те же, что при однопроходной сварке с неполным проплавлением. Дополнительно необходимо учитывать влияние остаточных напряжений от предыдущих проходов, которые являются начальными для очередного прохода, а также суммирование деформаций от всех проходов. Как уже отмечено в §11, в отличие от продольной усадки, заметная поперечная усадка происходит при каждом добавляемом проходе. Расчетная схема показана на рис. 28.

Рис.28. Схема поперечной усадки при многопроходной сварке

Порядок расчета.

1. Рассматриваем только слой пластины толщиной s_i (включая очередной проход под номером i и ранее уложенные проходы). Теплота, попавшая за пределы этого слоя, не влияет на поперечную усадку.

2. Определяем усадку этого слоя от очередного прохода, как для пластины толщиной s_i при неполном проплавлении (см. формулу 27):

, (35)

где A_i находим по рис. 25 и формуле (32).

3. Определяем эксцентриситет очередного прохода y_i/ s_i по рис. 26 или формуле (34), где .

4. Рассчитываем угловую деформацию (знак β_i совпадает со знаком y_i):

. (36)

5) Поперечная усадка от всех проходов (с учетом знаков β_i):

. (37)

6) Угловая деформация от всех проходов (с учетом знаков β_i):

. (38)

При расчетах угловой деформацией от первого прохода пренебрегают, принимая .

Поперечные остаточные напряжения при многопроходной сварке существенно зависят от условий закрепления свариваемых пластин. Если зажимные приспособления препятствуют повороту пластин, то к концу сварки в корне шва возникает сжатие (рис. 29,б), а после снятия закреплений происходит разгрузка и напряжения снижаются (рис. 29,в). Если закрепления не препятствуют повороту, то при односторонней сварке в корне шва при каждом проходе растут растягивающие напряжения (рис. 29, г).

Рис.29. Поперечные напряжения σ_yy при многопроходной сварке: а - схема сварки; б, в – σ_yy в конце сварки в зажимном приспособлении и σ_{yy ост} после снятия закреплений; г – напряжения σ_{yy ост} после сварки незакрепленных пластин

Чтобы избежать накопления Δ_поп в начале многопроходного шва (см. §14), при сварке коротких швов рекомендуется чередовать направления проходов.