Остаточные напряжения в соединениях

С круговыми швами

Весьма многочисленную группу составляют соединения с круговыми швами, типичными представителями которых являются изображенные на рис. 2.12.

Отметим, что шов 2 на рис 2.12, г по характеру образования остаточных напряжений близок к кольцевым швам при сварке труб. Это предопределяет необходимость выделения таких швов в отдельную группу.

Рис. 2.12

Рис. 2.13

Из за неодновременной заварки шва и наложения температурных полей следовало бы ожидать неодинакового распределения напряжений в соединении по длине шва. Однако практически значимые отличия в распределении напряжений наблюдаются лишь в зоне встречи начала и конца шва. В остальных точках распределение напряжений осесимметричное, особенно если диаметр кругового шва достаточно большой.

В круговом соединении целесообразно выделить три зоны: внутреннюю 1, среднюю 2 и внешнюю 3. В зоне 2, как и в обычном прямолинейном шве наблюдаются высокие продольные растягивающие напряжения. Они в данном случае будут окружными, то есть направленными по касательной к окружности соответствующего радиуса (от r₁ до r₂), и обозначаются σ _t. Если следовать по радиусу из зоны 2 в зону 3, то очевидно окружные напряжения будут оставаться растягивающими и с увеличением радиуса снижаться до нуля.

Радиальные напряжения в зоне 1 могут быть сжимающими, растягивающими и знакопеременными. Величина этих напряжений в каждом случае зависит от соотношения жесткости элементов в зонах 1 и 3, от радиуса шва и соотношения между величиной поперечной усадки при сварке и шириной зоны продольных пластических деформаций b_п. Количественные соотношения в каждом случае будут различны. Однако в любом случае наблюдается следующая тенденция: поперечная усадка соединения вызывает и в зоне 1 и в зоне 3 растягивающие радиальные напряжения σ _r, продольная усадка (в данном случае окружная) вызывает (в связи с уменьшением радиуса шва) в зоне 1 сжимающие напряжения σ _r а в зоне 3 - растягивающие. Радиальные напряжения на радиусе r₂ всегда больше, чем на радиусе r₁. Это происходит оттого, что на радиусе r₂ и окружная усадка и поперечная способствуют растяжению, а на радиусе r₁; окружная и поперечная усадки действуют в противоположные стороны.

После рассуждений на качественном уровне целесообразно проанализировать результаты экспериментальных исследований напряжений в круговых швах (рис. 2.13, 6). На рисунке показаны радиальные и окружные напряжения в тонких круглых дисках из титанового сплава наружного диаметра 130 мм, в которых были выполнены швы диаметром 40 и 80 мм. Несимметричность экспериментальных кривых σ _t и σ _r обусловлена неодновременностью укладки шва и погрешностью замеров, на ходе кривых сказался и сравнительно небольшой диаметр пластины. По мере увеличения диаметра шва растягивающие напряжения в центре переходят в сжимающие. В самом шве напряжения сохраняются растягивающими, но окружные напряжения σ _t преобладают над радиальными σ _r.