Деформации и напряжения при сварке стыковых соединений

Применение ранее рассмотренных условий обра­зования напряжений и деформаций при наплавке валика на кромку полосы к случаю сварки двух полос встык позволяет установить общие закономерности возникнове­ния напряжений и деформаций при сварке стыковых сое­динений. При выполнении стыковых соединений возни­кают как деформации в плоскости свариваемых листов, так и деформации из плоскости соединяемых элементов. Рассмотрим сначала деформации в плоскости сваривае­мых листов. Для этого полагаем, что на соединяемые встык кромки действует линейный источник теплоты, характеризуемый тем, что листы прогреваются по всей толщине равномерно. Для упрощения считаем, что сварка соединения производится быстродвижущим источником теплоты и поэтому с небольшой погрешностью можно принять, что шов по длине охлаждается равномерно. Принятые допущения позволяют нам полнее применить процессы, наблюдаемые при наплавке валика на кромку полосы, к случаям сварки стыковых соединений.

Значения и характер напряжений и деформаций в пло­скости свариваемых встык листов будут прежде всего зависеть от соотношения ширины свариваемых листов.

Если ширина одного листа равна /г, а второго листа нулю, то напряжения и деформации в таком элементе будут такими же, как в случае наплавки валика на кромку.

Если совместить между собой две эпюры для случая наплавки валика на кромку полосы шириной h (рис. 78, а), то увидим, что полученная совмещенная эпюра продоль­ных напряжений в какой-то мере отражает напряжения при сварке встык двух полос при вышеприпятых допу­щениях. На внутренних кромках и в шве будут напряже­ния растяжения, равные пределу текучести, и пластиче­ские деформации растяжения, а также наблюдается уко­рочение кромок вследствие пластических деформаций сжатия при нагреве от сварки. Напряжения на наружных кромках будут зависеть от таких факторов, как погонная энергия и жесткость системы, в данном случае зависящая от ширины полос.

При сварке встык двух полос равной ширины эпюра продольных напряжений примет вид (рис. 78, б). При этом на внутренних кромках и в шве будут напряжения растяжения, равные пределу текучести при более высоких пластических деформациях растяжения, чем в случае наплавки валика на кромку (вследствие болшюй жест­кости системы).

При увеличении ширины полос, соединяемых встык, эпюра продольных напряжений изменится. Пластические деформации растяжения еще более возрастут, а сжимаю­щие напряжения уменьшатся и будут распределены почти равномерно по ширине (рис. 78, в).

Дальнейшее увеличение ширины листов с увеличением при этом скорости перемещения источника теплоты приве­дет к относительному уменьшению ширины зоны пласти­ческих деформаций растяжения, а напряжения сжатия будут уменьшаться к наружным кромкам и на кромках могут быть равными нулю (рис. 78, г).

В случае сварки встык двух полос разной ширины деформации широкого листа будут в определенной мере подобны деформациям при наплавке валика на его кром­ку, но нз-за противодействия узкой полосы ось шва ис­кривится. Эпюры продольных напряжений для этого случая приведены на рис. 78, д. Чем больше разница в ши­рине свариваемых полос, тем больше напряжения в широ­кой полосе приближаются к эпюре при наплавке валика на кромку. Напряжения в узкой полосе сопровождаются пластическими деформациями растяжения на внутренней кромке и сжатия на наружной. Чем меньше разница в ширине свариваемых полос, тем больше эпюра прибли­жается к случаю сварки встык двух полос равной ши­рины.

Деформация и напряжения при сварке тавровых сечений

При изготовлении сварных тавров, состоящих из двух листов, вследствие продольных и поперечных напряжений, а также укорочений возникают деформации стенки и пояса тавра.

Деформации сварного тавра, как и стыкового соедине­ния, зависят от многих факторов:

1) от соотношения размеров стенки и пояса;

2) от последовательности наложения швов;

3) от погонной энергии и др.

Схема деформации сварного тавра показана на рис. 79, из которого видно, что деформация стенки тавра подобна
деформации полосы, на кромку которой наплавляется валик. Эти деформации по существу и определяют напра­вление изгиба и общие деформации стенки и пояса, кото­рый, кроме того, получает деформацию из своей плоскости.

Для упрощения из всех возможных деформаций свар­ных тавров рассмотрим только продольные напряжения и деформации в вертикальной плоскости, пользуясь из­вестной методикой определения продольных напряжений

ю

Рис. 80. Эпюры продольных напряже­ний в тавровых сечениях

Продольные напряжения при сварке встык двух полос разной ширины зависят от соотношения ширин сваривае­мых листов, а продольные напряжения в сварных таврах — от соотношения размеров стенки и пояса тавра. Чем больше ширина вертикальной стешш..и тоньше пояс, тем больше эпюра продольных напряжений сварного тавра прибли­жается к эпюре, получающейся при наплавке валика на кромку полосы. Чем больше толщина пояса или меньше высота стенки тавра, тем больше эпюра продольных напряжений сварного тавра приближается к эпюре для случая сварки встык двух полос равной ширины (рис. 78,6).

Руководствуясь изложенным, построим эпюры про­дольных напряжения для двух сварных тавров, в одном случае для тавра с высокой стенкой и тонким поясом, в другом — для тавра с низкой стенкой и толстым поясом (рис. 80). В первом случае (рис. 80, а) прогиб вертикаль­ной стенки такой, что наружная кромка имеет выпук­лость и продольные напряжения растяжения.. Наружная поверхность пояса имеет напряжения* сжатия, а в зоне шва напряжения равны пределу текучести растяжения и имеются пластические деформации растяжения. Во вто­ром случае (рис. 78, б) наружная кромка стенки полу­чает вогнутость и продольные напряжения сжатия. При-

легающая к наружной поверхности часть сечения пояса также имеет напряжения сжатия, а в зоне шва, как и в первом случае, напряжения равны пределу текучести растяжения, и пластические деформации вследствие боль­шой жесткости системы больше, чем в первом случае. Но вследствие относительно больших пластических дефор­маций сжатия при нагреве, при охлаждении длина балок после их сварки и охлаждения будет меньше начальной длины.

Следует указать, что применение методики для опре­деления продольных напряжений при сварке встык полос равной или разной ширины, а также для определения продольных напряжений и деформаций в тавровых сече­ниях показало универсальность этой методики, в даль­нейшем будем пользоваться ею для установления вероят­ных деформаций как отдельных элементов, так и более сложных конструкций.