Влияние остаточных напряжений на качество сварных конструкций

Остаточные напряжения создают в металле запас энергии, который может способствовать его разрушению. Они также способствуют ускорению коррозионных процессов. Связанные с ними пластические деформации приводят к уменьшению пластичности сварных соединений. Складываясь с рабочими напряжениями, остаточные напряжения ухудшают работоспособность конструкции, т.к. сжатые элементы могут потерять устойчивость, в элементах работающих при переменных нагрузках снижается предел выносливости, в элементах работающих на изгиб, уменьшается жесткость сечения за счет перехода части сечения в пластическое состояние.

Остаточные напряжения существенно влияют на точность и стабильность размеров свариваемых деталей. Изменение форм и размеров сварных конструкций может произойти при их механической обработке. Под действием остаточных напряжений могут происходить деформации ползучести, особенно при повышенных температурах. Искажения, вызванные наложением сварных швов, ухудшают внешний вид. В листовых конструкциях появляются угловые деформации. Балки от наложения швов испытывают укорочение, изгиб и закручивание.

При электрошлаковой сварке усадка составляет несколько мм., а шов до нескольких метров, перемещения кромок свариваемых пластин столь велики, что могут привести либо к прекращению процесса сварки за счет увеличения зазора и вытекания сварочной ванны, либо за счет полного закрывания зазора и невозможности подачи проволоки. Если не происходит прекращения процесса сварки, то существенно меняется качество сварки , т.к. меняются состав и свойства шва за счет изменения соотношения основного и присадочного металла в сварочной ванне .

При дуговой сварке возможно появление непроваров и натеков металла в корне шва вследствие перемещения кромок. Продольная усадка часто вызывает искривление сварных пластин – серповидность и потерю устойчивости .

Расчетные методы определения деформаций, напряжений и перемещений

Расчет сварочных деформаций и напряжений состоит из определения:

температурных полей при сварке;

свободных температурных деформаций и деформаций от структурных превращений;

механических свойств материала, зависящих от температуры;

собственных деформаций и перемещений;

В простейших случаях сварочные напряжения могут быть вычислены графическим методом Николаева-Окерблона. В этом методе приняты следующие допущения.

1. Рассматривают только продольные напряжения _x , поперечные _y и касательные _xy считают равными нулю.

2. Поперечные сечения металла плоские, но могут смещаться не искривляясь.

3. Зависимость предела текучести от температуры соответствует идеальному упругопластическому материалу.

4. Материал упруго-пластический

5. Модуль Е не зависит от температуры.

Рисунок 27. Распределение температуры нагрева

6. Свариваемые пластины считают длинными, т.е. используется квазистационарное распределение температур. Температура по толщине распределяется равномерно.

Рассмотрим напряжение и деформации при сварке двух пластин, собираемых на прихватках, так, что они не поворачиваются друг относительно друга. В результате нагрева в сечении 1-1 возникли деформации, описываемые уравнением.

_пл.0-пластические деформации от предшествующего температурного воздействия. Считаем, что перед сваркой _пл.0=0, тогда

Рисунок 28. Зоны упругих и пластических деформаций при нагреве (сечение 1-1)

Это уравнение решается графически. Для этого рассмотрим сечение 1`-1` находящееся от сечения 1-1 на расстоянии равном единице. Температурные деформации выделенной полосы металла между сечениями 1-1 и 1`-1` в направлении оси х равна =Т. Отложим на графике -Т в виде кривой. Требуется определить _н. Согласно допущению 2, поперечные сечения не искривляются, поэтому величина _н будет постоянной по всей ширине полоски. Положение линии m-m` определяющей <sub>н</sub> проводится методом подбора из условия взаимного уравновешивания собственных напряжений. Далее от линии m-m` откладывают величину предельно возможных упругих деформаций _упр =Т/Е и проводят линию значения Т=500, от 500до 600 _т убывает до 0 и при Т600 упругих деформации нет. Если она уравновешена, т.е. , то положение линии m-m` выбрано удачно, если нет, то вновь проводится m-m` и построения повторяются. Зону b₂ испытывают только упругие деформации, зона b₂ и b₃ упругие и пластические, а зона b₄ только пластические деформации.

Для определения остаточных деформаций нужно рассмотреть стадию остывания т.е. от распределительных деформаций в сечения 1-1 к распределительным деформациям в сечении 2-2 , условно находящихся при t=0. Для этого воспользуемся уравнением

Рисунок 29. Зоны упругих и пластических деформаций при остывании (сечение 2-2)

Здесь _пл.0 равны величине пластических деформаций найденных в сечении 1-1. После полного остывания T=0° и _=0. Отложим эпюру -_пл из предыдущего рисунка. Искомая деформации _н2 будет одинакова по всей ширине В пластины предполагаем, что она определяется линией n-n`, отложим от нее величину <sub>т</sub>/Е , если , то n-n` выбрана удачно и тогда

.

Зная величину остаточных пластических деформаций можно вычислить величину усадочной силы

- толщина пластины.

На практике пользуются приближенной формулой

В методе Окерблома определение деформаций и напряжений производится в нескольких последовательно расположенных сечениях, что позволяет проследить изменение упругих и пластических деформаций в процессе сварки. Начальная пластическая деформация представляется как сумма деформаций накопленных на предыдущих этапах.

Для проведения расчета необходимы следующие исходные данные:

1. Характеристики сварочного источника нагрева, условия теплоотвода и теплофизические свойства материалов

2. Дилатометрические характеристики материалов. В материалах не испытывающих структурных превращений (аустенитная сталь) изменение размеров происходит монотонно используют =/Т. В материалах со структурным превращением график имеет сложный характер. При охлаждении металла сначала идет его монотонное сокращение, а затем в некоторой точнее, несмотря на снижение температур происходит удлинение за счет структурных превращений. Для перлитных сталей структурные превращения завершаются при высоких температурах Т=700, а для мартенситных сталей при более низких Т=300. В таких случаях используют мгновенное значение =d/dT.

3. Зависимости модулей упругости и пределов текучести от температуры

Точное определение напряжений и деформаций производят методом теории пластичности с и пользованием МКЭ. Вся пластина разбивается на КЭ (конечные элементы), мелкие в зоне нагрева и более крупные в мало нагретых частях пластины. Процесс сварки разбивается на небольшие промежутки времени. За время первого отрезка времени определяется распространение тепла и связанных с ним напряжений и деформаций. После этого вычисляются поля пластической деформации в конце t2. Затем наращивают время на некоторую величину и вычисляют изменение температурных полей и приращение температурной деформации. В конце отрезка t2 определяют упругие и пластические деформации. Решение продолжается до получения установившегося характера напряжений. Метод позволяет учитывать любые изменения свойств металла при изменении температуры.