Рассмотрим, как и в предыдущем подразделе, простейшую балочную конструкцию (балку-полоску) с центральным сварным швом, полагая, что неравномерностью нагрева по толщине свариваемых элементов мож­но пренебречь. На рис. 16.5, а представлен момент, когда сварочная дуга находится на каком-то участке балки в точке 0 подвижной системы коор­динат хуг, связанной с источником. Выделим в балке-полоске в подвиж­ной системе координат три области:

1 - область, нагретую выше температуры полного разупрочнения

металла Т* (ограниченную изотермой Г*);

2 - область нагретого металла, ограниченную изотермой Т{) (Г0- исходная или начальная температура металла балки);

3 - область холодного металла, имеющего температуру Т().

Заметим, что область холодного металла охватывает нагретую об­ласть с трех сторон и создает для нее жесткий подковообразный кон­тур.

Выделим двумя близкими сечениями аа и bb, перпендикулярными к оси шва, участок балки dx и отнесем его к единице длины. Продоль­ными сечениями разделим этот участок на ряд элементарных призм се­чением s - dy и длиной, равной единице (рис. 16.5, б).

Оговорим предварительно условия возможного протекания дефор­мационных процессов в призмах в поперечном направлении. На осно­вании сделанного ранее принципиального допущения об одномерно­сти напряженного состояния (см. подразд. 16.1), при тепловом нагружении любой призмы по ее ТЦ в поперечном направлении воз­можно развитие только свободных температурных деформации, так как принципиально ничто не ограничивает изменение линейных раз­меров призм в поперечном направлении (поперечные напряжения о, в процессе нагрева и охлаждения призмы равны нулю). В то же время при определенных условиях нельзя исключить возможное пластичес­кое деформирование отдельных призм в поперечном направлении, ме­талл которых находится в полностью разунрочненном состоянии. В предположении, что в поперечном направлении возможны объем­ные изменения, обусловленные пластическим деформированием, для оценки конечного состояния в призмах следует проследить всю исто­рию их теплового нагружения.

Возможны два подхода рассмотрения истории теплового нагруже­ния призм выделенного участка балки:

• выделенный участок балки единичной длины неподвижен и на­ходится в каком-то сечении балки; в какой-то момент времени, принимаемый обычно за нулевой момент, температурное поле предельного состояния, связанное с источником, пересекает этот участок, вызывая при этом различные температурные ситуации, вплоть до полного выравнивания температуры по ширине участ­ка балки и последующего охлаждения до исходной температуры;

• температурное поле зафиксировано, а различное положение вы­деленного участка балки позади источника определяет разные моменты времени выравнивания температуры по ширине участ­ка балки.

Оба этих подхода равнозначны. В нашем случае второй подход бо­лее удобен.

Рассмотрим малый момент времени Г*, когда выделенный учас­ток балки пересекает область / в ее самом широком месте: это поло­жение участка балки и зафиксировано на рис. 16.5, а. Распределение температуры Т(у, t*) в момент t* в его сечении показано на рис. 16.5, в, с выделением областей /, 2, 3. В соответствии с этим рас­пределением температур участок балки в поперечном направлении должен изменить свою ширину, но это свободное расширение невоз­можно, так как он находится в условиях жесткого закрепления по торцам участка за счет подковообразного холодного контура (область 3 - сечения kk и // зафиксированы). В то же время удлинение призм области 2 в поперечном направлении должно быть реализовано, так как металл этих призм не потерял упругих свойств. И это стремле­ние призм области 2 удлиниться реализуется смещением сечений mm и пп внутрь к оси шва (сечения m'm' и п'п'), причем без возникнове­ния силовой ситуации, за счет пластического обжатия в поперечном

направлении призм области С металл которых находится в разун­рочненном состоянии (рис. 16.5, /).

В последующие моменты времени при рассмотрении положения участка балки за пределами области 7, когда металлу участка по всей ширине вернулись упругие свойства, то, что происходит в призмах, не представляет интереса. Происходят свободные температурные измене­ния линейных размеров призм в поперечном направлении. Можно сра­зу перейти ко времени полного охлаждения участка балки Г —> ос, при нашем подходе находящегося далеко позади источника.

Поскольку пластические деформации необратимы, призмы облас­ти 1 не восстанавливают при полном охлаждении свои исходные раз­меры, они так и остаются обжатыми. В районе этих призм наблюдается выпучивание металла, а призмы областей 2 и 3 восстанавливают свои исходные размеры, в результате чего ширина выделенного участка бал­ки становится меньше на величину Л В (рис. 16.5, д).

Если же говорить о ширине всей балки по длине, то после сварки она становится меньше также на величину А В.