Деформации продольного укорочения

Продольное укорочение проявляется в изменении первоначальных размеров свариваемых элементов в направлении продольной оси шва. Оно вызвано остаточными продольными пластическими деформациями укорочения.

Необходимо помнить, что структурные превращения металла могут существенно влиять на характер остаточных продольных деформаций вызывая иногда, если превращения происходят с разуплотнением структуры, удлинение сварного соединения. В большинстве же случаев в продольном направлении происходит усадка.

При рассмотрении вопроса образования напряжений и деформаций в сварной пластине из низкоуглеродистой стали (см. подраздел 2.3) продольные остаточные пластические деформации ε _{пр. ост.}, создающие продольную усадку, были сжимающими и изображены на верхней эпюре рис. 2.5, 6. Продольная усадка или укорочение пластины на том же рисунке показана перемещениями верхнего торца пластины из положения 1-1 в положение 1^//-1^//. Для теоретического определения величины продольного укорочения вводится понятие усадочной силы Р_ус.

Усадочная сила - понятие фиктивное, на самом деле она не существует. За величину Р_ус принимают такую сосредоточенную силу, которая эквивалентна распределенной по площади поперечного сечения зоны пластических деформаций силе и способна ликвидировать эти пластические деформации, сделать их равными нулю. Если бы по всей ширине зоны пластических деформаций величина ε _{пр. ост.} была неизменной, то усадочную силу можно было бы определить как произведение ε _{пр. ост.}·Е умноженное на площадь поперечного сечения зоны пластических деформаций b_п·δ. В связи с неравномерностью ε _{пр. ост.} по ширине зоны пластического деформирования усадочную силу определяют путем интегрирования, приняв за элемент ширины зоны пластических деформаций dy:

.

Продольное укорочение определяется как решение задачи нагружения свободного от внутренних сил тела сосредоточенной внешней сжимающей силой Р_ус. Тогда по закону Гука продольное укорочение пластины можно найти по формуле:

,

где В - ширина сваренной пластины, L - длина пластины, δ - толщина.

Величина Р_ус зависит от жесткости свариваемой конструкции и удельной погонной энергии сварки. Точных аналитических зависимостей для ее определения не существует. Из многочисленных экспериментальных формул следует выделить следующую:

,

где q – эффективная мощность, Дж/с; υ _св – скорость сварки, см/с; q₀ – удельная погонная энергия сварки, Дж/см².

Удельную погонную энергию сварки определяют по формуле:

,

где δ _расч - расчетная толщина металла, при сварке встык двух пластин разной толщины определяемая по формуле:

,

при сварке втавр полки толщиной δ _п и стенки толщиной δ _с расчетная толщина

.

Усадочную силу по данной формуле получают в ньютонах. Формулу следует рассматривать как частную, справедливую для условий, в которых она получена, то есть только для низкоуглеродистых и низколегированных сталей с σ _т =300...350 МПа при однопроходной дуговой сварке под флюсом или в среде защитного газа. Конструкции, при сварке которых экспериментально получена эта формула, были предельно жесткими. Формула дает удовлетворительную сходимость с экспериментом для диапазона q₀ от 4000 до 38000 Дж/см².

С учетом конкретного материала (значения его предела текучести), а также геометрических характеристик (рис. 3.1) и расположения шва (моментов инерции и места приложения усадочной силы) можно найти уточненное значение усадочной силы. При этом значение Р_ус, найденное по предшествующей формуле, используется для получения уточненного значения Р_ус.у и считается усадочной силой абсолютно жесткой конструкции Р_{ус а.ж-}:

,

Рис. 3.1

Усадочная сила зависит от начальных напряжений в свариваемом металле в направлении движения источника теплоты. В исходном листовом и профильном прокате металлов остаточные напряжения присутствуют, но их влияние не учитывают ввиду неопределенности величины и характера распределения этих напряжений. Если производится сварка многослойным швом, то зона пластических деформаций от первого шва частично перекрывается такими же зонами от второго и последующих швов. В этом случае усадочные силы от второго и последующих швов уменьшаются.

Для определения усадочных сил при сварке цветных металлов, а также аустенитных сталей и сталей, испытывающих при сварке структурные превращения в области низких температур, формулы пока не разработаны.