Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

Средние деформации связаны со средними напряжениями Оо через объемный модуль упругости К:

Часть деформации, не вызывающая изменения объема, на­ зывается деформацией изменения формы, или девиатором де­ формации. Компоненты девиатора деформации ец и девиатора напряжения Su определяются по формулам:

где 6jj — коэффициент, равный 1 для нормальных компонент (при i= j) и равный 0 для компонент сдвига (при i ^ j ) . Ком­ поненты девиатора упругой деформации еупр;/ связаны с соот­ ветствующими компонентами девиатора напряжения S,j через модуль сдвига G:

Пластические деформации происходят без изменения объ­ ема, только за счет изменения формы:

всего принимается модель идеального упругопластического ма­ териала без упрочнения.

Так как у идеального упругопластического материала в пла­ стической области о, не зависит от епл/, то пластические де­ формации целиком определяются деформациями окружающей упругой зоны и условиями закрепления детали. По известным компонентам деформации можно определить компоненты на­ пряжений. Процесс образования напряжений при сварке, как правило, нельзя считать простым нагружением, так как соот­ ношения компонент деформации и напряжения в ходе нагру­ жения существенно изменяются. Поэтому для расчета напря-

жений в упругопластическом теле необходимо весь процесс де­ формирования разбить на отдельные шаги по времени. Напря­ жения в конце каждого шага зависят от напряжений в на­ чале шага Oij' и приращений деформаций за шаг Аец = гц—е//. При этом изменение объема происходит по закону Гука:

а0 —°0 + (^е0—^8а)^* Девиатор напряжения в конце шага определяется по фор­

методы расчета являются приближенными, т. е. опираются на ту или иную модель процесса. Упрощения могут касаться как схемы напряженно-деформированного состояния, так и модели поведения материала.

Наиболее простыми являются методы расчета по одноосной схеме [1]. Для упрощения расчета предполагают, что все точки шва одновременно нагреваются, затем одновременно остывают. При этом в незакрепленной пластине перемещения поперек шва происходят свободно, а напряжения возникают только вдоль шва (оц) из-за неравномерного по ширине нагрева пластины. В действительности нагрев различных поперечных сечений пла­ стины происходит неодновременно, поэтому образуются также компоненты напряжения а22 и ai2. Точность расчетов по одно­ осной схеме невысока, однако она обладает простотой и дает на­ глядную и качественно верную картину образования напряже­ ний в пластине во время и после сварки.

При сварке пластин небольшой толщины компонентами на­ пряжения в направлении толщины пластины можно пренебречь и проводить расчеты по двухосной схеме (плоского напряжен­ ного состояния), учитывая только компоненты вдоль осей JC, и х2 (см. рис. 4.12). Толщину пластины следует оценивать по

отношению к шцрцне зоны термического влияния шва. Для ду­ говой сварки небольшой следует считать толщину до 20 мм, для

процедура расчета существенно усложняется. Существует ряд аналитических решений по теории упругости и теории пластич­ ности [1]. Однако наиболее универсальными являются методы расчета на ЭВМ, например метод конечных элементов [4], ко­ торый не требует упрощения формы детали и используемых в расчете диаграмм свойств материала.

на упрощении схемы напряженно-деформированного состояния и свойств материала, дают существенную погрешность при оп­ ределении временных напряжений и приемлемую точность при оценке остаточных напряжений. В наиболее ответственных слу­ чаях результаты расчета следует сопоставить с данными экспе­ риментального измерения деформаций, напряжений и переме­ щений. Методики таких измерений описаны в 4.3.2.

4.3.1.4. Расчет перемещений. Для точного расчета перемеще­ ний в свариваемых деталях вблизи шва необходимо применять методы теории пластичности и ползучести, учитывать зависи­ мость сцойств материала от температуры. Целесообразно ис­ пользовать численные методы, рассмотренные в 4.3.1.1.

Для оценки перемещений вне зоны шва можно использовать более простые методы. Продольные остаточные перемещения в сваренной детали могут быть рассчитаны методами сопротив­ ления материалов, если приложить к детали усадочную силу, действующую вдоль оси шва (см. рис. 4.1). Усадочная сила Рус пропорциональна величине остаточных пластических деформа^ ций в зоне шва:

где А — коэффициент, зависящий от способа и условий сварки. Усадка увеличивается, если на стадии нагрева полностью ис­ ключить раздвигание от оси шва свариваемых пластин при рас­ ширении металла, а на стадии остывания устранить все препят­ ствия для сближения пластин в направлении к оси шва. При

сварке А «1,6. При дуговой сварке встык с полным проплавле­

Вслучае неполного проплавления (например, при приварке

кпластине других элементов угловыми швами) поперечная усадка уменьшается (табл. 4.3).

4.3.2. Экспериментальные методы

Существуют различные физические методы измерения остаточ­ ных напряжений — рентгеновский, магнитный, ультразвуковой, однако наиболее распространенными являются механические Методы, основанные на измерении деформаций и перемещений При разрезке Металла и освобождении его от напряжений [1]. В простейшем случае остаточные напряжения предполагаются одноосными. В этом случае размер базы измерения выбирается большой — до 100 мм (рис. 4.13,6). После начальных замеров с двух сторон пластины ее разрезают на полоски, ширина кото-