МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ,

МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ПРИРОДООХРАННОГО

И КУРОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы №13

по сварке металлов

ИЗУЧЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Симферополь, НАПКС 2011г.

Методические указания к выполнению лабораторной работы №13 по сварке металлов и пластика «Изучение напряжений и деформаций в сварных соединениях» по дисциплине «Металловедение и сварка» для студентов строительных специальностей / составители: Корохов В.Г., Бусарова Н.Я. – Симферополь: НАПКС, 2011г. – 32стр.

Методические указания к выполнению лабораторной работы разработаны в соответствии с программой курса для строительных специальностей и рекомендациями Московского, Киевского и Днепропетровского инженерно-строительных институтов, а также Московского института стали и сплавов по методике подготовки, проведения и обработки результатов лабораторного практикума.

Одобрено и рекомендовано к печати на заседании учебно-методической комиссии АСФ 20 мая 2011 года, протокол № 9.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Металлические и деревянные конструкции» 18 мая 2011г., протокол №8.

Составители: В.Г. Корохов, к.т.н., профессор НАПКС

Н.Я. Бусарова, преподаватель.

Рецензент: И.В. Головченко, к.т.н., доцент

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой «Металлические и деревянные конструкции» Морозов А.Д., кандидат технических наук, профессор.

Лабораторная работа №13.

«Изучение напряжений и деформаций

в сварных соединениях»

1. Цель работы.

Изучить причины возникновения напряжений и деформаций в сварных соединениях для их минимизации и снижения влияния на качество сварных конструкций – на изменение геометрической формы, трещинообразование, остаточные напряжения.

2. Краткие теоретические сведения.

2.1. Понятия о напряжениях и деформациях.

Сварку широко применяют в строительстве при изготовлении металлоконструкций, соединении арматуры, прокладке трубопроводов, в том числе магистральных линий в машиностроении и при ремонтных работах.

Сварка металлических конструкций, сопровождается нагревом кромок соединяемых заготовок с расплавлением в них металла и последующим охлаждением; шов в состоянии кристаллизации имеет температуру около 1500°С, а околошовная зона заготовки, которая не расплавлялась – нагрета до меньших температур – от 1200°С с понижением температуры в направлении удаления от шва. После завершения сварки шов и околошовная зона охлаждаются до единой температуры окружающей среды и при этом уменьшаются в объеме по-разному: шов – больше, а заготовки – меньше, так как охлаждены от разных начальных температур. После сварки заготовка и шов представляют собой единую цельную конструкцию, в которой разные участки металла сокращаются по-разному. Это и вызывает в конструкциях внутренние напряжения. Эти напряжения называются собственными напряжениями, так как возникают в изделии без приложения внешних сил. Собственные напряжения различаются по времени существования, характеру распределения, объему изделия и расположению в пространстве.

Собственные напряжения возникают в изделии при неодинаковом нагревании разных его участков. В случае одинакового нагрева всех зон изделия происходило бы его свободное расширение и сужение при охлаждении без возникновения напряжений. При неодинаковом нагреве изделия связи нагретых участков с менее нагретыми, препятствуют свободному неодинаковому температурному расширению и сужению этих участков изделия, вследствие чего возникают температурные собственные напряжения при отсутствии воздействия внешних сил.

Температурные напряжения, возникающие в процессе сварки, принято называть временными напряжениями, они происходят на всех стадиях нагрева, выравнивания температур и охлаждения изделия. Если при этом напряжения в любом объеме изделия не превысят предела упругости, то они исчезают после охлаждения изделия.

Неодинаковый нагрев и изменение объема металла вследствие температурного расширения, фазовых или структурных превращений приводят к возникновению упругих и пластических деформаций.

Деформация – это изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением, сопровождается изменением геометрической формы или размеров тела. Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления, вызвавшей ее нагрузки и пластической, если она после снятия нагрузки не исчезает.

Коробление – это искажение геометрической формы, связанное с изменением размеров участков изделия после пластической деформации.

Условия, вызывающие изменение геометрических размеров и деформацию коробления связаны зависимостью: σ = К · Е,

где:

σ – напряжения, возникающие в изделии;

К – величина деформации; К= ∆l₀ /l₀;

Е – модуль упругости;

l₀ – длина изделия;

∆l₀ – приращение длины изделия, которое оно получает

при свободном удлинении, ∆l₀ =l₀ · α · Т;

α – коэффициент линейного расширения;

Т – температура нагрева.

Подставив преобразованное значение:

К = ∆l₀ / l₀ = l₀ · α · Т/ l₀ = α · Т, получим: σ = Е · α · Т.

Так как модуль упругости для каждого металла величина постоянная, то напряжение зависит от коэффициента линейного расширения (α) и температуры нагрева (Т).

В результате пластических деформаций в сварных элементах после полного охлаждения остаются собственные напряжения, которые называются остаточными напряжениями. Эти напряжения возникают при сварке, вследствие неодинакового нагрева изделия. Напряжения, возникающие при сварке, иногда достигают или превосходят величину предела текучести, вследствие этого в сварной конструкции еще до приложения к ней внешней нагрузки могут возникнуть напряжения, превышающие допускаемые. В этом случае, если внутренние напряжения по знаку (по направлению) совпадут с напряжениями от внешней нагрузки, то они сложатся и может произойти разрушение конструкции при нагрузке меньше, чем расчетная. Вместе с тем прочность сварной конструкции может оказаться и выше расчетной, когда остаточные сварочные напряжения и рабочие напряжения будут разного направления и поэтому они взаимно компенсируются. При этом остаточные сварочные напряжения в данном случае являются резервом повышения прочности сварной конструкции. На величину остаточных напряжений оказывают влияние форма детали, размеры и расположение сварных швов.

Если металл обладает достаточной пластичностью и работает при статических нагрузках, то остаточные напряжения практически не влияют на прочность изделия.

Собственные напряжения, как временные, так и остаточные, в зависимости от объема (детали, конструкции) в пределах которого они взаимно уравновешены, классифицируются на:

– Напряжения первого рода, которые уравновешиваются в макрообъеме, соизмеримым с целым изделием. Величина напряжений первого рода может быть определена расчетным путем или экспериментально, причем последний способ более предпочтителен. Особенности этих напряжений, механизм их возникновения и влияние на прочность сварных конструкций изучены достаточно полно, поэтому в дальнейшем при рассмотрении вопросов сварочных напряжений речь будет идти только о напряжениях первого рода.

– Напряжения второго рода, уравновешиваются в микрообъемах тела, соизмеримых с размерами одного или нескольких зерен. Такие напряжения не имеют определенной ориентировки и не зависят от формы изделия. Величину этих напряжений можно определить рентгенографическим способом.

– Напряжения третьего рода связаны с искажением кристаллических решеток и уравновешиваются в крайне малых объемах. Эти напряжения не ориентированы определенным образом и не зависят от формы и размеров изделия. Величину напряжений этого рода также определяют рентгенографическим способом.

Собственные сварочные напряжения всегда являются объемными. Однако в большинстве случаев, составляющие собственных объемных напряжений, действующие по одной или двум осям малы по величине и ими пренебрегают. Поэтому, условно, по направлению в пространстве собственные напряжения подразделяют на:

– одноосные – линейные в конструкциях простой геометрической формы, сваренных одним или несколькими параллельными швами, например, сваренные стержни;

– двухосные – плоскостные напряжения, например, при сварке листовой конструкции непараллельными швами (характерный случай – перпендикулярно расположенными швами);

– трехосные – объемные напряжения в конструкциях сложной геометрической формы, например, в бункерах с ребрами жесткости и стойками.

Напряжения, действующие вдоль сварного шва, называются продольными напряжениями, а действующие перпендикулярно к продольной оси шва в плоскости свариваемых элементов – поперечными напряжениями.

Независимо от характера распределения, собственные остаточные напряжения в любом сечении изделия, полностью пересекающем тело, всегда уравновешены силами упругости материала.

Собственные сварочные напряжения очень вредны, поскольку при значительной величине деформируют конструкцию, усложняя условия ее монтажа и последующей эксплуатации, приводят к появлению трещин в местах сварки, а такие к снижению несущей способности конструкций, особенно в тех случаях, когда напряжения, вызываемые внешними усилиями, совпадают по знаку и складываются с собственными напряжениями. При этом усилия, действующие на сварную конструкцию, могут оказаться значительно больше, расчетных. Поэтому для повышения надежности создаваемых сварных конструкций необходимо стремиться исключать возникновение в них сварочных собственных напряжений и вызываемых ими деформаций или свести их к минимуму. Это достигается и грамотным проектированием конструкций, и рациональным технологическим процессом сборки и сварки, что необходимо неукоснительно соблюдать; в некоторых же случаях это достигается и соответствующей термообработкой конструкций уже после сварки.

В дополнение к напряжениям и деформациям, создаваемых в металлоконструкциях внешними нагрузками, температурным расширением и сужением металла в результате сварки, в ряде случаев возникают собственные внутренние напряжения и в структуре кристаллов – в микрообъемах свариваемого металла. Это происходит в результате структурных превращений в сталях, склонных к закалке (особенно легированных сталей) при нагреве и охлаждении, так как в них образуется структура закалки мартенсит, что сопровождается увеличением объема металла на 1…1,5 % в околошовной зоне и сварном шве. Участки, не претерпевшие нагрева остаются неизменными и между закаленными и незакаленными участками возникают структурные напряжения.

Собственные напряжения создаются в сварных конструкциях не только из стали, но и из алюминиевых, медных, титановых сплавов.

2. 2. Особенности физического процесса возникновения напряжений и деформаций при сварке

При нагревании все металлы расширяются (удлиняются), а при охлаждении – сжимаются. Рассмотрим пример, когда к пластине АВСД, длина которой l_нач, приварены сверху пластина EFMN и снизу пластина RTSP на ограниченных участках шириной «в». При сварке нагревается не весь металл изделия, а лишь узкая его полоса, шириной «в» (Рис. 1).

Рис.1. Схема образования сварочных напряжений

Участок III длиной l_нач удлинится на величину 2∆l и шов EN поднимется до E¹N¹, шов PR опустится до P¹ R¹, а соседние участки I и II будут препятствовать удлинению участка III. При этом в удлинившемся участке III. возникнут напряжения сжатия, а в участках I и II – напряжения растяжения. При охлаждении после сварки участок III сократится только на величину 2∆l < 2 ∆l, и швы займут положение E²N² и P² R ² так как дальнейшему сокращению его длины препятствуют участки I и II, которые вытянулись – получив небольшую пластическую деформацию растяжения при удлинении участка III. Тогда в среднем участке III возникнут напряжения растяжения «+», а в наружных участках I и II – напряжения сжатия «-».

Напряжения и деформации, возникающие при сварке от неодинакового нагревания и охлаждения разных участков изделия, называются так же тепловыми или термическими напряжениями. В данном случае – это внутренние сварочные напряжения.

Сварка металлических конструкций сопровождается нагревом шва и околошовной зоны до 3000...4000°С. С удалением от оси шва температура нагрева заготовок снижается, и отдаленные периферийные участки свариваемых изделий могут вообще не нагреваться. Если свободно лежащую незакаленную заготовку нагреть, то это не вызовет появления в ней ни временных, ни остаточных напряжений после охлаждения, так как заготовка свободно удлинится, а затем свободно сократится. Однако если нагреваемый элемент закреплен, то даже одинаковый нагрев всех его участков, вызывает появление в нем напряжений, т.к. закрепление препятствует удлинению. Если неодинаковость нагрева участков изделия, различно удаленных от шва, очень высока, то между нагретыми (увеличивающимися в объеме и длине) и не нагретыми (не изменившимися) слоями металла возникают напряжения. Если возникающее напряжения не превысят предела упругости металла, то после охлаждения они исчезнут, не вызвав остаточной деформации изделия. В том же случае, если напряжения растяжения при нагреве в каком-либо объеме элемента превысят предел упругости и достигнут величины предела текучести, то в элементе произойдут некоторые смещения сечений – остаточное удлинение, и после охлаждения возникнут остаточные напряжения. Такие остаточные напряжения возникают при сварке, если элемент не имеет внешних закреплений, но нагревается или охлаждается в разных участках изделия до разных температур. Роль закрепления нагреваемых элементов в этом случае играют ненагретые или слабо нагретые слои металла этого изделия.

Рассмотрим механизм возникновения собственных напряжений и деформаций при наплавке сварного шва. В процессе наложения валика шва быстрому высокотемпературному нагреву подвергаются только свариваемые кромки пластин и околошовная зона, а удаленные по обе стороны от них участки остаются не нагретыми. В процессе нагрева при наплавке шва возникнут такие напряжения: в шве и сваренных кромках – сжатия, так как соседние слои препятствовали их свободному удлинению, а в участках металла слева и справа от этих кромок – напряжения растяжения. Поскольку в процессе сварки и кристаллизации горячего шва, напряжения сжатия кромок заготовок и шва, как правило, превосходят пределы упругости и даже текучести, которые очень малы в нагретом пластичном металле, то шов и околошовная зона претерпят пластическую деформацию сжатия.

При охлаждении же шов и околошовная зона будут стремиться укоротиться на величину полученной деформации сжатия, но этому препятствуют соседние участки металла, которые укоротятся на меньшую величину, так как были меньше нагреты. После полного охлаждения сваренной детали в ней возникнут остаточные сварочные напряжения:

– в шве и околошовной зоне – растяжения, то есть они будут стремиться сжаться и тянуть металл соседних слоев «на себя»;

– в соседних со швом участках – сжатия.

В результате действия этих напряжений в сварной конструкции будут участки, пластически деформированные, и участки с остаточными сварочными напряжениями. Чаще всего это участки шва и околошовной зоны. Протяженность этих участков в поперечном направлении шва зависит от многих факторов, главным из которых является количество тепла, полученное при сварке, способ сварки, продолжительность нагрева металла, количество наплавленного металла, геометрическая форма и размеры изделия.

Максимальные растягивающие направления в низкоуглеродистых сталях обычно достигают в шве и околошовной зоне значений предела текучести. Далее в зоне термического влияния они уменьшаются, падают до нуля и затем переходят в сжимающие в основном металле изделия.

Распределение остаточных напряжений в сталях, титановых и алюминиевых сплавах имеют, как правило, одинаковый характер.