1. схема пластины и график распределения температур;

2. Деформации при нагревании сваркой;

3. Деформации после остывания (остаточные)

Делим пластину условно на две полосы: полоса I нагрета до Т ≥ 600°С, когда =0, и находится в пластическом состоянии; полоса II – до температуры Т < 600°С и обладает упругими свойствами.

При наплавке шва полоса I получила бы длину , но ввиду сдерживания свободного удлинения ее холодной полосой II удлинения полосы I будут меньше и длина ее будет (рис. 15.4, б). Разность погашается пластическими деформациями полосы I как и в случае равномерного нагрева. Ввиду связи полосы II с полосой I первая получит деформации изгиба, подчиняющиеся гипотезе плоских сечений, т.к. полоса II работает в упругой среде.

Эпюра напряжений в пластине от нагрева аналогична фигуре, ограниченной кривой свободных тепловых деформаций и действительных удлинений , исходя из предложения поворота плоского сечения при изгибе.

При остывании (рис. 15.4, в), полоса I, будучи свободной, укоротилась бы до длины , но ввиду препятствия укорочениям полосы II, она получит длину , а полоса II изогнется в сторону противоположную при нагревании. Изменится в соответствии с этим и характер эпюры напряжений.

Из рассмотрения обеих эпюр (при нагревании и остывании) видно, что при наплавке зона сварки получает сжимающие напряжения, а прилегающий основой металл – растягивающее напряжения. После остывания знаки остаточных напряжений обратны предыдущим, т.е. зона шва всегда растянута, а околошовная зона основного металла всегда сжата.

Сварочные (остаточные) напряжения и деформации называют также «собственными», т.е. напряжениями и деформациями, существующими в элементе при отсутствии внешних сил. «Собственные деформации» – перемещение различных точек сварного изделия (укорочения, изгиба, поворот сеч. и др.), а не деформации металла, как это имеет место в теории упругости и пластичности.

Различают три вида собственных напряжений:

1. Собственные напряжения первого рода – уравновешивающиеся в макрообъемах;

2. Второго рода – уравновешивающиеся в пределах одного или нескольких зерен;

3. Третьего рода – отражающие искажения кристаллической решетки.

Остаточные напряжения могут быть одноосными (σ_х), двухосными (плоскостные σ_х и σ_у) и трехосные (объемные). Наиболее опасные двухосные и трехосные растягивающие остаточные напряжения, расположенные у основания концентраторов.

Величины остаточных напряжений от сварки определяют приближенным способом по методике В.А. Винокурова, изложенной М.М. Сахновским «Технологичность строительных сварных стальных конструкций» (К. 1970 г.), принимая ряд допущений:

1. гипотезу плоских сечений;

2. гипотезу одноосных напряжений;

3. применение упрощенной диаграммы зависимости σ_т от температуры;

4. упрочнение металла при пластической деформации не учитывается;

5. теплофизические постоянные принимают условно постоянными в широком диапазоне изменения температуры;

6. температура при толщине металла принимается постоянной.

Есть методики и других авторов.

Остаточные сварочные напряжения влияют на прочность и надежность эксплуатации сварных строительных конструкций. При наличии концентраторов сварочные напряжения способствуют образованию усталостных трещин при динамических нагрузках или хрупкому разрушению в условиях низких температур при статической нагрузке.

Остаточные сварочные напряжения влияют и на жесткость конструкции, понижая ее при наличии участков с напряжениями, равными пределу текучести (уменьшаются ЕF и EI).

В сжатых элементах сжимающие сварочные напряжения могут привести к преждевременной потере устойчивости.

При достижении растягивающих остаточных напряжений величины временного сопротивления могут произойти разрушения конструкций до приложения внешней нагрузки.

Поэтому швы нужно располагать и разрабатывать технологично их наложения таким образом, чтобы остаточные напряжения от сварки были минимальны.