2. 3. Механизм возникновения структурных напряжений.

В сварных соединениях из легированной стали, склонной к закалке, а так же при повышенном содержании углерода, помимо образования рассмотренных термических – сварочных собственных напряжений очень часто возникают напряжения вследствие структурных превращений металла.

Механизм возникновения структурных напряжений состоит в следующем. При сварке конструкций околошовная зона нагревается до температур, равных и превышающих закалочные температуры – в пределах от 723°С (Ас₁₎ до 850°С (Ас₂). В интервале этих температур в стали происходит процесс образования структуры мелкозернистого аустенита. При быстром охлаждении на воздухе, и за счет теплопроводимости металла, аустенит распадается и образуется структура закаленной стали, называемая мартенситом, с увеличением ее объема на 1–1,5 %. В среднелегированных сталях, распад аустенита и образование мартенсита, имеют место и при меньших температурах, когда сталь находится уже не в пластичном, а в упругом состоянии. В этом случае росту объемов кристаллов с образованием структуры мартенсита препятствуют участки, не претерпевшие структурных превращений, поэтому в шве и околошовной зоне возникают остаточные напряжения сжатия. Эти напряжения могут суммироваться в отдельных участках сварного соединения с термическими напряжениями и приводить к образованию трещин.

При сварке сталей низкоуглеродистыми электродами, которые представляют собой пластичный присадочный материал, образующий пластичный шов изделия, растягивающие напряжения в таком шве и околошовной зоне не образуют холодных трещин, а вызывают лишь некоторое пластическое растяжение металла.

2.4. Характерные деформации сварных конструкций.

Сварочные напряжения вызывают искажение размеров и геометрической формы элементов сварных конструкций, их укорочение, изгиб, потерю устойчивости, скручивание. Эти искажения выражаются в перемещениях слоев металла, которые зависят от формы сварной конструкции, расположения швов в ней, толщины металла. Многообразные виды искажений геометрической формы сварных конструкций порождаются относительно небольшим числом видов деформаций и перемещений, возникающих в зоне внутренних сварочных напряжений.

Величина напряжений и деформаций сварных соединений зависит от многих факторов: от вида сварки, формы деталей, сечения шва, зоны нагрева. Менее выражены напряжения и деформации, возникающие при сварке электрической дугой деталей простой формы. Газовая сварка, например, взывает повышение деформации вследствие большой зоны термического влияния.

Деформации сварных конструкций можно условно подразделить на следующие виды.

Продольное укорочение. Оно является следствием продольной усадки шва и околошовной зоны.

Рассмотрим влияние напряжений при нагреве до 500°С стержня, закрепленного по концам и последующим его охлаждении (Рис.2).

Рис.2. Образование напряжений

В стержне с жестко закрепленными концами

Остаточная пластическая деформация равна алгебраической сумме пластических деформаций, возникших при нагреве (приращение) и при остывании (сокращение длины).

В результате получим, что остаточная пластическая деформация отрицательна – это деформация укорочения, и на стержень действуют растягивающие напряжения.

Поперечное укорочение. Обусловлено поперечной усадкой шва и околошовной зоны. Оба вида деформации образуются при симметричном наложении сварных швов. Численные значения усадки для различных типов сварных соединений зависят от способа сварки.

Поперечные швы, расположенные перпендикулярно продольной оси балки, вызывают укорочение балки, а если они расположены не в центре тяжести ее поперечного сечения, то вызывают изгиб балки (Рис. 3а).

Деформация изгиба конструкции возникает при несимметричном расположении швов относительно центра тяжести сечения или продольной оси изделия, и определяется стрелой прогиба ƒ. Например, в тавровом сечении или при сварке двух листов разной ширины встык (Рис. 3 а, б).

Рис. 3. Остаточные деформации изгиба:

а – сварных тавровых балок; б – сварных листов.

Угловые деформации (V-образность) возникают в результате поперечной усадки сварных швов и зон, в которых при нагреве образовались пластические деформации (Рис. 3 б). Угловые деформации возникают при неполном проплавлении шва на всю толщину свариваемых заготовок. При полном же проплавлении металла на всю толщину угловые деформации незначительны или полностью отсутствуют. Такие деформации измеряются углом отклонения элемента заготовки от прямолинейного расположения или величиной отклонения в миллиметрах на определенной длине этого элемента.

Грибовидность полок (Рис. 3 а), как разновидность угловой деформации свариваемых тавровых или двутавровых профилей, представляет собой свисание, отклонение полок в направлении к сварным швам. Сварной шов при поперечной деформации тянет металл заготовки на себя. Величина угловой деформации оценивается величиной угла β.

Большие прогибы балок возникают, если имеется много поперечных швов, и они расположены несимметрично по ширине элемента (Рис. 4) и они придают изделию волнистость.

Выпучины и волнистость (Рис. 4) образуются в конструкциях из листового металла в результате возникновения в разных местах остаточных напряжений сжатия и потери устойчивости листов.