5.1. Деформации и напряжения при сварке

Классификация деформаций и напряжений. Помимо напряжений и деформаций, возникающих в деталях под действием приложенных нагрузок, в них могут быть так называемые собственные напряжения и деформации, которые существуют в телах даже при отсутствии каких-либо внешних сил.

В зависимости от продолжительности существования собствен­ные напряжения и деформации при сварке разделяют на временные, т. е. существующие в период выполнения сварки или сопутствующих технологических операций, и на о с т а т о ч н ы е, т. е. устойчиво сохраняющиеся в течение длительного времени после сварки.

Различают собственные напряжения I рода, которые уравновешиваются в макро объемах тела, II рода—в пределах зерен, III рода в пределах кристаллической решетки.

В зависимости от характера напряженного состояния собственные напряжения могут быть одноосными — линейными, двухосными — плоскостными и трехосными — объемными.

Различают деформации в плоскости (рис.), проявляющиеся в изменении формы и размеров детали или конструкции в плоскости, например, в виде продольных и поперечных деформации деформации вне плоскости, например в виде угловых деформаций грибовидности, серповидности и т. д.

Некоторые виды сварочных де­формаций:

а — деформация пластины: укорочение по дли­не l, ширине b, прогиб на длине h, ширине с; b, в — угловые деформации: углового (б) и сты­кового (в) соединения

Деформации, которые изменяют размеры всего изделия, искажают его геометрические оси, называются общими. Деформации, относящиеся к отдельным элементам изделия в виде выпучин, хлопунов, называют местными.

Следует различать деформации непосредственно в зоне сварных соединений и деформации элементов конструкции в целом. Послед­ние являются следствием деформаций и напряжений в сварном соединении.

Образование сварочных деформаций и напряжений. Основными причинами образования собственных напряжений и деформаций в

сварных соединениях и кон­струкциях являются нерав­номерный нагрев и охлажде­ние металла при сварке, структурные и фазовые превращения, механическое (уп­рут- и пластическое) деформирование при сборке, монта­же и правке сварных узлов и конструкций.

Представление о причинах возникновения тепловых сва­рочных деформаций и напря­жений дает последователь­ное ознакомление с элементарным процессом нагрева и охлаждения стержня при разных условиях его заделки (закрепления).

Схема деформации стержня с

различными условиями закрепления при

нагреве

Представим себе металлический стержень со свободной длиной l, жестко закрепленный с одной стороны. Если его нагреть, то такой стержень удлинится на некоторую величину Δl_т= αlT, где α— температурный коэффициент расширения, l— длина cтержня, Т —температура нагрева. Если теперь охладить стержень до начальной температуры, то удлинение Δl_т исчезнет и стержень вновь будет иметь начальную длину l. Поскольку ничто не мешало удлинению и укорочению стержня, то в нем не возникнет никаких пи временных, ни остаточных напряжений.

Если точно на расстоянии l поставить жесткую преграду, препятствующую удлинению стержня, и вновь нагревать его, то при

расширении (рис. б) стержень будет давить на левую и правую

преграды, со стороны которых возникают противодействующие си­лы реакции на давление стержня R, которые по отношению к стерж­ню являются внешними сжимающими силами. В стержне возникнут напряжения σ сжатия, которые будут расти по мере роста температуры в соответствии с выражением σ=αЕТ, где произведение αТ равно относительному удлинению, а Е — модуль упругости. Если нагревать стержень до температур, вызывающих только упругое информирование, то при его охлаждении до исходной температуры в нем не возникнет никаких напряжений и остаточных деформаций, его длина останется неизменной

Распределение остаточных сва­рочных напряжений в стыковом соеди­нении

Если же температура нагрева стержня превысит величину, при которой напряжения превысят предел текучести материала, то в стержне помимо упругих, появятся пластические деформации, т. е. он начнет пластически сжиматься (подсаживаться). Если после такого обжатия охладить стержень до начальной температуры, то его длина окажется короче по сравнению с исходной на величину пластического обжатия Δl_пл.

При нагреве стального стержня выше 100°С в нем возможно появление пластических деформаций.

Рассмотрим, наконец, случай, когда стержень закреплен жестко с обоих концов (рис. б), закрепление препятствует как его удли­нению, так и укорочению.

После нагрева до температур, не вызывающих пластического деформирования (<100°С для стали), и последующего охлаждения в стержне не останется никаких напряжений, так как при нагреве стержень деформировался (сжимался) только упруго. На стадии нагрева в нем воз­никали сжимающие напря­жения.

Нагрев до температур, превышающих температуру достижения σ_т (>100°С), приводит к пластическому обжатию стержня и возник­новению напряжений сжатия σ_т. При остывании стержень бу­дет стремиться укоротиться на величину обжатия Δl_пл. Однако жесткое закрепление будет препятствовать сокращению. Реакция закрепления R вызовет появление в стержне растягивающих напря­жений. Эти остаточные напряжения растяжения не появились бы, если бы стержень при нагреве не претерпел пластического обжатия. Нагрев стержня из низкоуглеродистой стали при жестком его закреплении до температур >200⁰ С приводит к появлению в нем после остывания растягивающих напряжений, равных пределу те­кучести и даже к пластическим деформациям растяжения.

Процессами, происходящими при нагреве и охлаждении защем­ленного стержня, объясняется образование временных и остаточ­ных напряжений и деформаций, действующих в сварном шве и при­легающей зоне, где металл подвергается упругопластическому де­формированию при нагреве и охлаждении в процессе сварки. Зона нагрева при сварке ведет себя как защемленный нагреваемый стер­жень, а холодные участки металла как защемление.

Обязательным условием возникновения остаточных деформаций и напряжений является наличие пластической деформации при на­греве. Чем выше нагрев и больше его неравномерность, тем более вероятно появление при нагреве пластических деформаций, а следовательно, и остаточных напряжений и деформаций.

Величина остаточных напряжений для углеродистых сталей дос­тигает предела текучести, для сталей высоколегированных может превышать условный предел текучести, для титана, алюминия, ме­ди, и тугоплавких металлов, как правило, меньше предела текучести.

Характерное распределение остаточных сварочных напряжений при сварке встык пластины показано на рисунке.

При сварке закаливающихся сталей наряду с тепловыми де­формациями и напряжениями возникают структурные напряжения в связи с образованием закалочной, мартенситной структуры, так как образование мартенсита сопровождается увеличением объема по сравнению с объемом феррита и перлита.