Деформации и напряжения при сварке

Любое силовое воздействие на тело сопровождается возникновением в нем напряжений и развитием деформаций.

Напряжением называют силу,отнесенную к единице площади сечения тела: a = P / F, где а – напряжение, МПа; Р – действующее усилие, Н; F – площадь поперечного сечения детали, м².

В зависимости от характера приложенных сил различают напряжения растяжения, сжатия, изгиба, кручения и среза. Деформацией называют изменение размеров или формы тела под действиемприложенных к нему сил. Деформации могут быть упругими и пластическими. Если размеры и форма тела восстанавливаются после прекращения силового воздействия, то такая деформация является упругой. Деформацию, остающуюся после снятия нагрузки, называют пластической или остаточной.

Помимо напряжений и деформаций, возникающих в деталях под действием приложенных нагрузок, в них могут быть так называемые собственные напряжения и деформации, существующие в телах при отсутствии внешних сил. К ним относятся и сварочные напряжения, и деформации, наблюдаемые в свариваемых деталях. В зависимости от продолжительности существования их разделяют на временные, существующие в период выполнения сварки, и на остаточные, устойчиво сохраняющиеся в течение длительного времени после сварки. В зависимости от характера и объемов распределения напряжения различают: одноосные (линейные), двуосные (плоскостные) и трехосные (объемные), а также напряжения I рода (в макро-объемах тела), II рода (в пределах кристаллических зерен металла) и III рода (в пределах кристаллической решетки).

Сварочные деформации обычно характеризуют прогибами элементов, углами поворота, укорочениями, величинами выхода точек тела из плоскости равновесия и др. (рис. 7.1).

Деформации, приводящие к изменению размеров всего изделия, искривлению его геометрических осей, называют общими. А деформации, относящиеся к отдельным участкам его, называют местными.

 

 

                                                                                               

                                    а                                                    б

 

                                                                                                            

 

                                   в                                                  г

Рис. 7.1 - Виды перемещений при деформации сварных конструкций:

а – прогиб; б – угол поворота β; в – укорочение;

г – выход из плоскости равновесия W.

 

Основными причинами возникновения собственных напряжений и деформаций в сварных соединениях и конструкциях являются неравномерное нагревание металла при сварке, литейная усадка, структурные и фазовые превращения в затвердевающем металле при охлаждении.

Неравномерное нагревание металла. Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Процессы сварки плавлением характеризуются местным нагревом металла с образованием неравномерного температурного поля в сварном соединении. При наличии непрерывной связи между нагретыми и холодными участками металла свариваемой детали в нем возникают сжимающие и растягивающие внутренние напряжения. Механизм образования их рассмотрим на примере. Представим себе металлический стержень, свободно лежащий на сварочном столе. При местном нагреве в центральной части его длина L увеличится на ΔL

(рис. 7.2 а). Это будет зависеть от коэффициента линейного расширения данного металла, длины нагретой зоны и температуры ее нагрева. В процессе охлаждения удлинение будет уменьшаться и при достижении начальной температуры станет равным нулю. После полного охлаждения стержень восстанавливает первоначальные размеры и в нем не будет ни внутренних напряжений, ни остаточных деформаций.

При местном нагреве того же стержня, жестко закрепленного с обоих концов (рис. 7.2 б), возможность свободного удлинения его исключается. Поэтому в нем возникают сжимающие внутренние напряжения, при определенных значениях которых произойдет пластическая

деформация сжатия и на длине L¹ (нагретой зоны) он станет толще. При этом напряжения частично

исчезнут. При последующем охлаждении стержень должен бы укоротиться, но этому препятствует жесткое закрепление его, в результате чего в нем возникают растягивающие напряжения.

 

                             а                                                                   б

Рис. 7.2 - Местный нагрев стержня: а – незакрепленного;

б – с жестким закреплением

Литейная усадка наплавленного металла. При охлаждении и затвердевании жидкого металла сварочной ванны происходит его усадка. Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании увеличивается плотность металла, в результате чего объем его уменьшается. Поскольку металл шва неразрывно связан с основным металлом, остающимся в неизменном объеме и противодействующим этой усадке, в сварном соединении возникают внутренние напряжения. При сварке происходит продольная и поперечная усадка расплавленного металла, в результате чего в шве образуются продольные и поперечные внутренние напряжения, вызывающие деформации сварных соединений. За счет продольной усадки возникает деформация изделий в продольном направлении относительно оси шва, а поперечная, как правило, вызывает угловые деформации в сварном соединении.

Напряжения от структурных превращений в металле. Наряду стермическими напряжениями при сварке могут возникнуть напряжения, обусловленные превращениями и изменениями структуры основного металла, нагревшегося выше критических температур. При сварке изделий из углеродистых и высоколегированных сталей особенно легко могут возникнуть напряжения при образовании мартенсита, обладающего наибольшим удельным объемом. При сварке низкоуглеродистой стали в интервале критических температур А_С1 и А_С3, в связи с тем что коэффициент линейного расширения для γ-железа составляет 1,2∙10^-5, а для α-железа – 2∙10^-5, наблюдается уменьшение объема при нагревании от А_С1 до А_С3. При охлаждении распад аустенита происходит в интервале А_С2–А_С1, когда сталь пластична и изменение объема происходит без образования напряжений. Иная картина наблюдается у легированных сталей, склонных к закалке. Распад аустенита в них происходит при более низких температурах (200–300 ºС), когда металл обладает высокой прочностью и меньшей пластичностью. Такое превращение сопровождается возникновением структурных напряжений. Растягивающие напряжения от структурных превращений вызывают дополнительное увеличение деформаций, которые в межпластичных сплавах могут привести к образованию трещин. Поэтому сварочные напряжения в закаливающихся сталях более опасны. Для сварки таких материалов необходимо разрабатывать более сложный технологический процесс.