Образование собственных напряжений в результате литейной усадки сварного шва.

В результате остывания и затвердевания жидкого металла сварного шва происходит его усадка. Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании металл становится более плотным, в результате чего объем его уменьшается. Ввиду того, что металл шва жёстко связан с более холодным основным металлом, остающимся в неизменном объёме и противодействующим этой усадке, в сварном шве возникают собственные напряжения. При этом, чем меньше количество расплавленного металла, тем меньше значения возникающих напряжений.

Механизм образования собственных напряжений (рис. 35С)

Рис. 35. Образования собственных напряжений в результате неравномерного нагрева металла при сварке и литейной усадки сварного шва

а - сварное соединение; б – заготовки и сварной шов, условно представленные раздельно; в – укорочение l₁ шва при свободном сокращении; г – совместное сокращение l₂ сварного соединения (заготовок и жестко связанного с ними сварного шва); В – ширина сварного шва.

1 – свариваемые заготовки; 2 – сварной шов.

1. Укорочение (усадка) сварного соединения вдоль оси Х

Условно представим показанные в плане заготовку 1 (рис. 35С, б) и накладываемый на неё по всей длине продольный сварной шов 2 в виде двух раздельных объектов. Заготовка 1 в исходном состоянии не нагрета, т.е. имеет комнатную температуру. В отличие от неё сварной шов 2 в процессе получения был расплавлен, т.е. в начальный момент своего образования имеет очень высокую температуру. Из сопротивления материалов известно, что приращение длины l любого тела, обусловленное температурным воздействием, определяется формулой , l = t  l  где  – коэффициент температурного расширения материала, t – приращение температуры, l – начальная длина нагреваемого участка тела в направлении температурной деформации.

Поскольку температура шва в результате остывания начнёт уменьшаться, то приращение температуры t и, соответственно, приращение длины l будут отрицательными, т.е. шов начнёт укорачиваться. Поскольку условно принято, что шов является отдельным объектом, температурному сокращению которого ничто не препятствует, то при полном охлаждении до комнатной температуры он сократится на величину l₁ (рис. 35 в) и при этом никаких напряжений внутри шва не возникнет, поскольку отсутствуют силы противодействия.

Однако в реальных условиях, шов в момент окончания своего образования неразрывно связан с заготовкой (рис. 35 г). В этом случае не нагретая заготовка будет препятствовать сокращения шва, в результате чего после полного остывания он сможет уменьшиться не на величину свободного сокращения l₁, а на значительно меньшую величину l₂ (рис. 35 г). В сварном соединении возникнут собственные напряжения. Величина l₂ окажется тем меньше, чем больше сопротивления окажет сокращению шва заготовка, т.е. чем она будет жёстче. Соответственно, чем жёстче будет заготовка, тем большую величину будут иметь собственные сварочные напряжения.

2. Укорочение сварного соединения вдоль оси Y происходит аналогично усадке вдоль оси Х.

3. Укорочение сварного соединения вдоль оси Z происходит аналогично усадке вдоль осей Х и У.

Т.к. при сварке стремятся обеспечить полное проплавление по толщине соединяемых элементов, распределение температур по оси Z будет более равномерным, особенно в случае обеспечения одинаковой ширины шва В по толщине сварного соединения. Вследствие этого уровень собственных напряжений по толщине металла будет меньше, по сравнению с уровнем напряжений, действующих вдоль осей Х и У, и поэтому ими можно пренебречь.