Под кинетикой продольных сварочных деформаций и напряжений понимают процесс их образования и развития в течение всего периода нагрева и охлаждения изделия.

Рассмотрим образование продольных сварочных деформаций и на­пряжений при сварке простейшей балочной конструкции (балки-полос­ки) с центральным продольным швом (сварка встык двух узких плас­тин). Допустим, что материал пластин - малоуглеродистая сталь и что неравномерностью нагрева пластин по толщине можно пренебречь. Выделим двумя близкими сечениями аа и ЬЬ, перпендикулярными к оси шва, участок балки-полоски dx и отнесем его к единице длины, т. е. этот участок будет представлять полоску в направлении у[12] единичной ширины (рис. 16.1, а). Разделим ее продольными сечениями на ряд эле­ментов, каждый из которых будет представлять собою элементарную призму с сечением sdy и длиной, равной единице (рис. 16.1, б). Посколь­ку объем призмы бесконечно мал, можно считать, что в процессе нагре­ва и охлаждения балки температура каждой призмы одинакова по объе­му и изменяется во времени, как температура ее центра тяжести, т. е. по ТЦ точки, совпадающей с центром тяжести призмы.

При обычной жесткости свариваемых элементов относительные дей­ствительные деформации вдоль оси х, обусловливающие фактическое изменение длины призм, значительно меньше относительных темпера­турных деформаций. Поэтому в первом приближении действительны­ми продольными деформациями еу можно пренебречь и полагать, что длина призм в процессе сварочного нагрева и охлаждения не изменяет­ся, т. е. они находятся в условиях жесткого закрепления (бг = 0).

На рис. 16.1, б изображены кривые ТЦ для ряда точек, расположен­ных на разных расстояниях от оси шва. Очевидно, что путем изменения масштаба кривые ТЦ призм можно рассматривать как кривые их сво­бодных температурных деформаций, в частности, в продольном направ­лении =а T(t). т. е. длина призм, если бы они были свободны, изме­нялась бы при нагреве согласно этим кривым. Но сделанное выше допущение о неизменяемости длины призм в процессе сварочного на­грева и охлаждения предполагает:

• если отдельная призма нагревается, то она хочет увеличить свою длину, но так как это запрещено, в ней появляются упругие де­формации сжатия и соответствующие сжимающие напряжения;

• если же призма охлаждается, то она хочет уменьшить свою дли­ну, но так как это тоже запрещено, в ней появляются упругие де­формации растяжения и соответствующие растягивающие напря­жения. В случае, если призма была предварительно нагружена, например при нагреве сжимающими напряжениями, то при пос­ледующем охлаждении нагружению будет предшествовать упру­гая тепловая разгрузка.

Следует также отметить, что если в рассматриваемых призмах в про­цессе теплового нагружения получат свое развитие не только уп'ругие, но и пластические деформации (неизбежность их развития показана в примере подразд. 14.2), то для оценки конечного (остаточного) состоя­ния при сварочном нагреве и охлаждении следует проследить всю ис­торию теплового нагружения конкретных призм.

Проследим за развитием деформаций и напряжений в отдельных призмах в зависимости от их ТЦ (кривых свободных температурных деформаций) на совмещенных графиках (рис. 16.2): слева график zx-t, иллюстрирующий термодеформационный процесс во времени, спра­ва - диаграмма растяжения-сжатия а-є, совмещенная по масштабу от­носительных деформаций с левым графиком. На левом графике для последующих рассуждений фиксируется зеркальное отражение отно­сительно оси 0-£ кривой свободных температурных деформаций кон­кретных призм є*.

Начнем с призмы У, расположенной в зоне, где аГипх < єч (см. рис. 16.1, в, г). Изменение ее свободных температурных деформаций (только с другим знаком) характеризуется кривой 0а:Ь] (рис. 16.2, а). С повышением температуры в призме возникают упругие деформа­ции сжатия, равные по величине, но с другим знаком, свободным тем­пературным деформациям є у (у) = —аТ (у, J). В момент максимального нагрева tm упругие деформации сжатия достигают наибольшего зна­чения (точка а^), соответствующие сжимающие напряжения на диаг­рамме g-є (точка Лj). Последующее охлаждение обусловит упругую тепловую разгрузку, т. е. уменьшение величины упругих деформаций сжатия и соответствующих сжимающих напряжений. После полного охлаждения произойдет полная упругая разгрузка (точки b. и В] соот­ветственно). Таким образом, процесс теплового нагружения рассмат­риваемой призмы сопровождается развитием только временных уп­ругих деформаций сжатия - кривая 0а, Ъх (эпюра изменения упругих деформаций заштрихована), на совмещенной диаграмме а-є измене­ние временных сжимающих напряжений происходит по ломаной пря­мой О АВГ

а - в призме 1, расположенной в зове, где аТпых < єЛ;

6 - в призмо 2. расположен нон в зоне, где єЛ< а. Ттік < 2єл;
в - в призме 3, расположенной в зоне, где 2єЛ< а7'ІІИХ < аТ*;
s - в призме 3, расположенной в зоне, где a7'm;ix > a7*

Анализируя полученный результат, можно утверждать, что во всех периферийных призмах, у которых а Г пх < є, конечное (остаточное) со­стояние призм ничем не отличается от исходного, т. е. £lV0CT = 0.

Перейдем к призме 2, расположенной в зоне, где 8s < аГ 1ах < 2г (см. рис. 16.1, в, г). Изменение ее свободных температурных деформаций (с другим знаком) характеризуется кривой 0а, Ь,4 (рис. 16.2, б). Ана­логично, как и для призмы 1, с повышением температуры в рассмат­риваемой призме возникнут упругие деформации сжатия и соответ­ствующие сжимающие напряжения, но в какой-то момент нагрева а значения их достигнут предельных величин (-є - точка ах и - с - точка А] соответственно). Дальнейший нагрев призмы вызовет появление и развитие пластических деформаций сжатия по кривой а{Ь2 (на диаграмме о-є на участке А,52), величины же соответствен­но упругих деформаций сжатия и сжимающих напряжений остаются неизменными. В момент максимального нагрева tm пластические де­формации сжатия достигают наибольшей величины и характеризу­ются соответственно равными отрезками b. b2 и А. ВГ Поскольку пла­стические деформации необратимы, то при последующем охлажде­нии их величина остается неизменной, изменение же упругих деформаций и напряжений сопровождается вначале упругой тепло­вой разгрузкой (соответственно точки с, и С ), а затем - упругой теп­ловой загрузкой при охлаждении, т. е. появлением и развитием уп­ругих деформаций растяжения и соответствующих растягивающих напряжений. Упругая разгрузка и последующая загрузка характери­зуются кривой і, с Д, эквидестантной кривой температурных дефор­маций b.2d. Момент полного охлаждения характеризуется точками d] и Д соответственно, где величина остаточной упругой деформации соответствует отрезку ddv по величине равному отрезку bfir кото­рый в свою очередь характеризует величину максимальных пласти­ческих деформаций сжатия.

Таким образом, процесс теплового нагружения призмы 2 сопровож­дается развитием необратимых объемных изменений, обусловленных упругопластическим деформированием металла призмы в продольном направлении (эпюра изменения упругих деформаций заштрихована). Эти объемные изменения и определяют появление остаточных растя­гивающих напряжений, величина которых для рассматриваемой при­змы пропорциональна величине максимальных продольных пластичес­ких деформаций сжатия £у сж * со знаком минус:

Деформации сжатия, снимающие напряжения, по определению, отрицательны.

Анализируя полученный результат, можно утверждать, что во всех призмах, у которых г < 2Гп;іх < 2є,, конечное (остаточное) состояние отлично от исходного. Развитие необратимых объемных изменений, обусловленных пластическими деформациями одного знака (сжатия) в продольном направлении, определяет появление растягивающих на­пряжений: от avon = 0 для призмы, у которой а Гтах= є, до опп= а5 для призмы, у которой аГтах=2єл.

Процесс упругопластического деформирования призмы 3, располо­женной еще ближе к оси шва (в зоне, где 2бл < а Гпах < a Т* (см. рис. 16.1, в, г)), при нагреве по ее ТЦ до момента времени d (точка dx) не отлича­ется от рассмотренного выше (рис. 16.2, в). В этот момент упругие де­формации растяжения и соответствующие растягивающие напряжения достигают предельных значений соответственно es и as (точки d, и D,). Дальнейшее охлаждение приводит к повторному пластическому дефор­мированию с образованием и развитием пластических деформаций ра­стяжения є, наибольшая величина которых характеризуется отрезком е]е, г равным отрезку D. E, на диаграмме a-s.

После полного охлаждения величина остаточных продольных на­пряжений в рассматриваемой призме будет пропорциональна суммар­ной пластической деформации:

Анализируя полученный результат, можно утверждать, что во всех призмах, у которых 2єч < аГ)ах < aТ*, конечное (остаточное) состояние отлично от исходного. Развитие необратимых объемных изменений, обусловленных пластическими деформациями разных знаков в про­дольном направлении, причем значение суммарной пластической де­формации для любой призмы из этой зоны одинаково и равно - є, опре­деляет появление одинаковых остаточных растягивающих напряжений: а =о.

v ост л

Процесс развития упругопластических деформаций в призме 4, расположенной в непосредственной близости к оси шва (зоне, где a Т > а Г*, рис. 16.2, г), характерен тем, что с момента времени (точ­ка Ь) металл призмы нагрет выше температуры Г* и находится в разупрочненном состоянии. Этот период (до времени с,) сопровож­дается только развитием разных по знаку, но одинаковых по вели-

27 Заказ № 1398 417

чине пластических деформации. При охлаждении ниже температу­ры 7’* (время с.) металл призмы вновь обретает упругие своііства и происходит тепловое нагружение призмы при охлаждении. Конеч­ное состояние во всех призмах, у которых а Тщ х > а Г*, аналогично со­стоянию призм из предыдущей зоны: о.

Обобщая полученные результаты по конечному состоянию в отдель­ных призмах, следует отметить, что, если призма испытывает растяги­вающие напряжения, то она стремится укоротиться. Это общее стрем­ление всех призм, в которых произошли необратимые объемные изменения, укоротиться обусловливает появление сжимающей силы JV^ (подразд. 15.2):

• по величине, равной Л - {' = ЕЛсЛ, где Лгу = je'V/F - объем остаточ­ных продольных пластических деформаций или просто объем продольного укорочения сварного соединения балки единичной длины ( ггх - отрицательны);

• и приложенной в центре тяжести объема Ary.