Остаточные напряжения в сварных соединениях

При однопроходной сварке встык с полным проплавлением низкоуглеродистых и аустенитных сталей распределение продольных остаточных напряжений _х имеет характерный вид, представленный на рисунке

+

_S

+

+

_S



+





Симметричный шов Наплавка на кромку полосы

Максимальные растягивающие напряжения имеют место во шве и взоне разогрева до температур резкого падения предела текучести (более 600С). Для сталей, претерпевающих фазовые превращения при температурах выше 600С, они близки к пределу текучести. В титановых и алюминиевых сталях они составляют (0,5-0,8 )_S. Зона растягивающих напряжений приблизительно равна ширине зоны пластических деформаций. Такой же характер имеет распределение _х в сварных соединениях с многослойным швом.

Ф азовые и структурные превращения при термическом цикле сварки сопровождаются дополнительными деформациями и изменяют характер эпюры _х . Если превращения завершаются при высоких температурах, когда предел текучести близок к нулю, то они влияют только на временные напряжения. Для сталей перлитного класса эпюра остаточных напряжений не отличается от классической. При низкотемпературных мартенситных превращениях возможны значительные изменения эпюры вплоть до появления в шве напряжений сжатия.

Кроме продольных напряжений _х при сварке встык возникают поперечные напряжения _у . При однопроходной сварке свободных пластин _у незначительны. _у значительны при сварке швов в жестком контуре (подварка дефектов) за счет поперечной усадки.

При многопроходной сварке пластин встык в общем случае возникает трехосное напряженное состояние. Однако при толщинах до 40-80 мм сопротивление усадки в направлении толщины незначительно и _z0.

Формирование продольных напряжений _х при укладке каждого очередного валика многопроходных швов качественно подобно однопроходной сварке. Последующие валики незначительно изменяют _х (_x =_S ), а их распределение по толщине можно считать равномерным.

Формирование _у происходит вследствие поперечной усадки последующих валиков. Ниже лежащие участки оказывают сопротивление усадке последующих валиков и в них наводятся напряжения сжатия. Кроме того возникают деформации изгиба, вызывающие напряжения растяжения в корне шва. В результате эпюра _у приобретает сложный характер. На поверхности _у0,5_S . В корне шва вследствие жесткой системы нагружения _у может достигнуть величины предела прочности _b .

При сварке в жестком приспособлении, препятствующему поперечному изгибу, напряжения в корне шва будут сжимающими. При недостаточно жестком приспособлении возможна эпюра, имеющая промежуточный характер.

Деформации и перемещения при сварке

При воздействии термического цикла сварки в результате пластической деформации в сварном соединении происходит искажение исходной формы. При симметричном нагреве происходит продольное укорочение, при несимметричном – изгиб в двух или , в частном случае, в одной плоскостях , причем в нейтральном слое нпряжения от изгиба равны нулю.

Используя выведенные ранее формулы, рассмотрим продольные и поперечные перемещения бруса при произвольном распределении температурных деформаций.

Приращение относительного изменения длины бруса по нейтральному слою с номером i₀ составит

l₀ / l₀ = R_a / R₀ .

Номер нейтрального слоя определяется по формуле

i₀ = R₁ / R₀ .

Относительное изменение длины i - ого слоя

.

Приращение угла поворота поперечного сечения бруса составит

.

Приращение стрелы прогиба бруса определится из выражения

.

Для определения остаточных деформаций необходимо учитывать историю нагружения, т.е. вести расчет для нескольких стадий термического цикла.

Для ускоренной оценки перемещений вне зоны сварки остаточные напряжения и деформации могут быть рассчитаны методами сопротивления материалов с использованием понятия усадочной силы Ру, приложенной вдоль оси шва. В этом случае расчет ведется по формулам для внецентренного сжатия.

Существует ряд эмпирических формул для расчета Ру , учитывающих режим сварки и форму сварного соединения, например

,

q – эффективная тепловая мощность;

v_св – скорость сварки,

_р – расчетная толщина.

Р асширение зоны шва при сварке происходит также в направлении, перпендикулярном оси шва. Свободное расширение возможно только при достаточно большом зазоре. При малом зазоре тепловому поперечному расширению препятствуют закрепление детали и сваренная часть шва. В результате возникают поперечные усадки. В случае неравномерной усадки по толщине деталей возможно угловое перемещение.



