44. Деформации и напряжения при наплавке валика на плоскость

Вели на поверхность тонкой пластины весьма больших раз­меров по длине и ширине наплавляется валик, то возникающие при этом деформации будут ограничены относительно неболь­шой зоной вблизи шва. Деформации и напряжения, направлен­ные вдоль оси шва, могут быть приближенно определены следую­щим образом.

Если в процессе наплавки в некоторый момент времени сва­рочная дуга находится в точке О (рис. 147,6), то в сечении / — /, перпендикулярном оси шва, распределение относительных тепло­вых продольных удлинений (в предположении отсутствия связи между волокнами) представится в соответствии с рис. 147, а. При этом часть сечения у шва, как это видно из приведенных изотерм, нагрета свыше 600° и находится в пластическом со­стоянии. Так как все волокна пластины представляют одно связанное целое, то действительные деформации могут быть лишь такие, какие возможны для всей пластины в целом. В рассматриваемом случае широкой и длинной пластины дефор­мации изгиба произойти не могут, возможны лишь продольные деформации, равномерно распределенные по всему сечению. В данном случае условия развития деформации аналогичны тем, которые имеют место при закрепленных полосах, в. случаях наплавки на их кромку или сварки встык. Поэтому действительные деформации А (рис. 147, а) представятся прямой, параллель­ной оси у. Величина действительных деформаций А будет те’м меньше, чем шире пластина. Положение прямой А определит ширину &'зоны пластических деформаций сжатия для данного момента времени. В последующие моменты времени эта ширина может несколько увеличиться. Пластические деформации сжа­тия, в свою очередь, определяют пластические деформации растяжения для конечного момента времени, соответствующего полному остыванию после наплавки (рис. 147, в). И в этом слу­чае действительные деформации А' будут весьма малы (при широких пластинах).

Таким образом, наложение валика на поверхности широкой и длинной пластины не вызовет ощутимых общих продольных дефор­маций, но создает в зоне вдоль шва область растягивающих напря­жений, равных пределу текучести. Ширина d этой области рас­тяжения зависит от режима наплавки, и может быть определена на основании ' расчета по указанному выше методу. Для самых грубых приближенных рас­четов можно, для средних режимов руч­ной сварки, принять ширину зоны пла­стических деформаций вдоль шва рав­ной

л л

Рис. 147. Деформации при наплавке на плоскость.

d — 13 • а,

где а — ширина валика.

Поперечные деформации и напряже­ния при наплавке на поверхность пла­стины определятся той же зоной пла­стических деформаций растяжения ши­риною Ь. В процессе наплавки на пла­стины достаточно больших размеров никаких поперечных деформаций не произойдет, но возникнут напряжения, равные пределу текучести, равномер­ные по толщине листа при малой тол­щине пластины h (рис. 147, г) и неравно­мерные по толщине при толщине пла­стин hx и /г., — больших толщины h (рис. 147, е и ж).

При малых толщинах нагреваемый металл, не имея возможности расши­риться в продольном или поперечном направлении в области, где он нахо­дится в пластическом состоянии, выда­вливается за пределы поверхности, про­тивоположной той, на которую произво­дится наплавка (рис. 147, д). В резуль­тате на поверхности листа со стороны, противоположной наплавке, появляется выступ. При больших толщинах этот выступ уменьшается, а затем и совсем пропадает, так как лист не прогре­вается до высоких температур на всю толщину. Неравномер­ность нагрева приводит к появлению угловых деформаций, по­добно появляющимся при сварке встык или при угловых швах (рис. 147, е). Наплавка на еще более толстые листы равносильна наплавке последнего слоя в многослойном шве, когде нижележа-г щие слои достаточно жестки для того, чтобы оказать сопроти­вление угловым деформациям.

Таким образом, при наплавке валика на пластину весьма больших размеров в ней возникают вдоль по шву продольные и поперечные напряжения, которые схематично представлены на рис. 148.

В пластине конечных размеров возникнут как продольные, так и поперечные деформации. Продольное укорочение пластины может быть приближенно выражено следующей формулой (рис. 149, а):

d £ = 0,00114

li B-d

B-ii

Рис. 149. Продольные дефор­мации пластин при наплавке на их плоскость.

При достаточно широких ли­стах закон плоских сечений, пред­полагавшийся во всех предыдущих рассуждениях, не оправдывается, а потому вместо общего укороче-

AL = ^L

Л-

V - ♦ !*

«г

>lL

V

И

♦К

-*it-

4

X

1
в-	Ав

-"'•Л'Г1 і Рис. 148. Схема усилий п случае наплавки на бесконечную плоскость.

В

Рис. 150. Поперечные деформации при узких полосах.

ния пластины по всей ширине (рис. 149,6) будет существовать местное укорочение лишь в непосредственной близости от шва (рис. 149, б); оно может быть определено в соответствии с ука­заниями следующего параграфа.

Поперечные деформации в пластине конечных размеров будут зависеть главным образом от длины наплавленного валика, т. е. от размера пластины по длине шва (рассматривая случай, когда валик наплавлен от кромки до кромки пластины). При коротких валиках (наплавка валика поперек узкой полосы —

рис. 150) время наплавки столь незначительно, что остывание нагретого металла в районе шва будет происходить одновре­менно по всей длине, вследствие, чего укорочение поперек шва может произойти без какого-либо сопротивления, а потому зона, нагретая свыше 600°, сможет укоротиться в соответствии с полным перепадом температуры при остывании, т. е.

В — а. Т-Ь = 0,0088 • Ь,

где Ь~а + 2 • 1,75а = 4,5 • а (а — ширина валика).

При значительной длине валика (при большей ширине полосы) одновременность остывания по всей длине валика не имеет места, появляются пластические деформации в соответствии с жесткостью пластины, и укорочение определится не полными тепловыми деформациями, а только их частью. При весьма длин­ных валиках (широких полосах) полные поперечные деформа­ции определятся только величиной упругих деформаций на

длине, равной ширине d зоны пластиче­

ских деформаций:

Д B = ssd,

где d ax 13 • а.

Таким образом, поперечные укороче­ния составляют от 0,041 • а — при корот­ких швах, до 0,015 • а—при длинных швах.

Так, например, при наплавке двухсто­роннего поперечного валика шириною Рис. 151. Соединения 8 мм на полосу 120X10 мм поперечное

ребер с полосой. укорочение составит:

ДВ = 0,041 -8 = 0,33 мм.

По данным опытов, выполненных фирмой Стефенс и Нолле [37], при наплавке девяти валиков полоса 120ХЮ мм длиною 1000 мм укоротилась на 2,6 мм, т. е. от одной пары валиков

на: -£ = 0,29 мм.

При приварке двухсторонних ребер четырьмя угловыми швами с катетом 4 мм укорочение полосы составило (на 9 нар ребер) — 2,5 мм или на одну пару ребер—0,28 мм.

При определении по приведенной выше формуле:

ДБ = 0,0088 • b применительно к данному случаю (рис. 151)

6 = 2-а+ 2*1,75 • а + о = 5,5а + 3 = 32 мм.

Следовательно:

дВ = 0,0088 • 32 = 0,28 мм.

Увеличение катета швов до 8 мм должно было бы увеличить ширину зоны нагрева b до:

& = 5,5*8 +10 = 54 мм,

и, следовательно, поперечное укорочение должно на девяти парах ребер составить:

ЬВ = 9 ■ 0,0088-54 = 4,3 мм.

По опытным данным [37], это укорочение составило 4,5 мм.

Здесь попутно можно отметить нецелесообразность смещении ребер жесткости друг относительно друга, так как при этом увеличивается ширина зоны Ь и поперечное укорочение возра­стает почти вдвое.

По тем же данным [37], укорочение полосы 120X10 мм от продольного двухстороннего валика шириною 8 мм составило на 1 м длины полосы 0,4 мм.

Если подсчитать укорочение по приведенной выше формуле, то оно составит:

Ы = е, -±-ьL = 0,00114-|^5.8 • 1000 = 0,49 мм.

Подобно наплавке валика на плоскость можно рассматри­вать и наложения следующих слоев многослойного стыкового шва. В этомслучае наплавка производится на предварительно напря­женную пластину, поэтому, казалось бы, при нагреве во время наложении второго слоя можно было бы снять напряжения и деформации, вызванные первым слоем. Однако этого сделать не удается, так как общие деформации удерживаются неизмен­ными, вследствие того, что в каждый данный момент нагретой до пластического состояния оказывается очень небольшая часть общей длины шва. Поэтому, хотя в этой части напряжения и снимаются, но это не меняет общего характера напряжений и деформаций во всей пластине. В связи с тем, что наложение второго слоя приводит к увеличению части ширины основ­ного металла, находящейся под наплавкой, а следовательно, и к увеличению ширины зоны разогрева основного металла, второй и последующие слои накладывают дополнительные про­дольные и поперечные деформации, определяемые так же, как и в случае наплавки на поверхность пластины.