Глава 5. Сварочные деформации и напряжения

5.1. Основные понятия и определения

Остаточные деформации (при сварке) - деформации, остающиеся в свар­ном соединении после сварки и полного осты­вания изделия. Остаточные деформации возникают при местном (неравномерном) нагреве свариваемого матери­ала концентрированным источником теплоты в результате затруднений расширения и сжатия материала при нагреве и остывании. Расшире­ние и сжатие материала ограничено тем, что нагретый участок со всех сторон окружен холодным материалом, размеры которого не пре­терпевают никаких изменений.

При рассмотрении механизма возникновения сварочных напряже­ний необходимо иметь в виду, что механические свойства металлов зависят от температуры. Например, предел текучести низкоуглеродистой стали при нагреве постепенно понижается. В интервале температур 500-600°С величина этой характеристики, резко уменьшается. Практически можно принять, что при нагреве свыше 600°С низкоуглеродистая сталь имеет предел текучести, близкий к нулю.

Рассмотрим механизм возникновения собственных напряжений и деформаций при наплавке валика на поверхность стального листа. Примем следующие допущения, в принципе не искажающие происходящие при наплавке физические явления: валик накладывается одновре­менно на всю длину листа, в процессе наложения валика нагреву подвергается только центральная полоса пластины I (на рис. 5.1 а заштрихована), края пластины II и III остаются ненагретыми. Допустим также, что полоса I по толщине нагревается равномерно.

В какой-то момент времени после наложения валика в полосе I наступит тепловое равновесие, и температура нагрева достигнет ве­личины Т. Если бы волокна полосы I не были связаны с волокнами полос II и III, то полная длина полосы I вследствие нагрева до темпе­ратуры Т стала бы равной L ₁ = L ₀ (1+аТ),

где а - коэффициент теплового расширения (принимают постоянным).

Однако такая связь имеется, и все три полосы пластины могут деформироваться только совместно. Поэтому полоса I удлинится до величины L ₂, меньшей L ₁ (рис. 5.1 б). Вместе с ней удлинятся настолько же полосы II и III, которые в этом случае будут играть роль связей, препятствующих тепловому удлинению полосы I. Следовательно, в процессе нагрева в полосе I возникнут напряжения сжатия, в поло­сах II и III – напряжения растяжения. Если в процессе нагрева напряжения сжатия в полосе I превысят предел упругости и достигнут предела текучести (что имеет место на практике при сварке и наплавке), то полоса I претерпит пластическую деформацию сжатия, равную Δ L _пл.

 

Рис. 5.1. Механизм возникновения собственных напряжений при наплавке валика на поверхность пластины: а – схема условного деления пластины на нагреваемую полосу (I) и ненагреваемые II и III; б – схема внутренних напряжений и деформаций в момент нагрева; в – напряжения и деформации после охлаждения полосы I

                              

При охлаждении полоса I будет стремиться укоротиться на вели­чину полученной деформации сжатия Δ L _пл, но этому препятствуют полосы II и III. После полного охлаждения лист в целом получит усадку Δ L _ост, меньшую, чем Δ L _пл. Вместе с этим в полосе I возникнут остаточные напряжения растяжения, в полосах II и III - остаточные напряжения сжатий.

Упрощенные эпюры временных и остаточных напряжений по­казаны соответственно на рис. 5.1 б, в. В действительности при сварке и наплавке распределение температуры в элементе подчиняется более сложному закону (рис. 5.2). Являясь функцией температуры, тепловые деформации и, следова­тельно, временные и остаточные напряже­ния также распределяются по сечениям элемента по более сложным законам. Тем не менее в любом случае сварки и на­плавки (плавлением) в сварном изделии практически всегда можно выделить участки, где будут протекать пластические деформации и возникнут остаточные сварочные напряжения, равные пределы текучести материала или близкие к нему. Чаще всего это участки шва и околошовной зоны. Протяженность этих участков зависит от многих факторов, в числе которых можно назвать режимы сварки и геометрические размеры изделия.

 

Образование и развитие пластических деформаций в сварном соединении

Тепловые процессы в металле при сварке плавлением протекают под действием тепла дуги в условиях быстро изменяющейся температуры. Пределы изменения темпера­туры весьма широки: от минус 30—40°С при сварке на морозе до температуры испарения металла (+3000° С). Тепло от более нагре­тых точек тела вследствие теплопроводности переходит к менее нагретым, и температура их выравнивается. Одновременно вслед­ствие теплоотдачи с поверхности свариваемых элементов темпера­тура точек непрерывно уменьшается до температуры окружающей среды.

Возникновение и развитие пластических деформаций можно рас­смотреть на примере наплавки валика на лист (рис.5.2). При наплавке валика на лист большой толщины нагретый участок листа около наплавляемого валика, расширяясь, вызывает в нагреваемых волок­нах напряжения сжатия в плоскости листа, так как соседние менее нагретые участки мешают свободному удлинению нагреваемых волокон. В данном случае температурные деформации запрещены в плоскости листа и относительно свободны из плоскости листа.

Рис. 5.2. Схема развития деформаций в процессе дуговой сварки или наплавки

 

Продольному удлинению нагреваемых участков сопротивляются холодные участки под швом и с обеих сторон шва. Поперечному удлинению сопротивляются холодные участки под швом и перед источником.

Если жесткость сопротивляющихся (холодных) участков пре­восходит жесткость нагреваемых участков, то эти напряжения в участках около шва достигают предела текучести сжатия в про­дольном и поперечном направлениях, и материал течет, получая пластические деформации укорочения в плоскости листа.

Зона продольных и поперечных пластических деформаций со временем непрерывно увеличивается вследствие распространения тепла и в определенный момент времени достигает своего предель­ного значения.

Возникшие пластические деформации укорочения в плоскости листа вызывают его утолщение.

При остывании вначале снимаются напряжения сжатия в нагре­тых волокнах, затем последующее остывание вызывает в зоне пла­стических деформаций напряжения растяжения в плоскости листа, которые достигают предела текучести растяжения, и материал по­лучает обратные пластические деформации удлинения, компен­сируя часть пластических деформаций укорочения, полученных при нагреве.

Упрочнение материала за пределом текучести мало влияет на величину остаточных пластических деформаций. Некоторое увели­чение ε _уп уменьшит пластические деформации при нагреве, но вместе с этим при остывании соответственно уменьшатся обратные пластические деформации.

После полного остывания благодаря оставшимся пластическим деформациям укорочения в плоскости листа около шва будут раз­виваться в продольном и поперечном направлениях пластические и упругие деформации, причем в каждой точке справедливо ра­венство

- ε_пл = - ε_д + ε_уп                                                                                              (5.1)

В этом случае в листе обычно возникает плосконапряженное состояние.

Для определения сварочных деформаций и напряженного состояния конструкций необходимо знать величину и зону остаточных продольных и поперечных пластических деформаций.

 

5.3. Влияние остаточных сварочных напряжений на прочность сварных соединений и конструкций.

Напряжения, возникающие при сварке, часто достигают в отдельных участках сварного соединения величины предела текучести (рис. 5.3). Иначе говоря, в сварном изделии действуют напря­жения, превышающие допускаемые, еще до приложения к ней полезной нагрузки. Прочность сварной конструкции может оказаться выше расчетной, когда остаточные сварочные напряжения и рабочие напря­жения разного знака взаимно компенсируются. При этом остаточные сварочные напряжения являются резервом повышения прочности свар­ной конструкции.

При статической нагрузке остаточные сварочные напряжения не влияют на прочность сварных соединений и конструкций, когда металл сохраняет способность пластически деформироваться. Если напряже­ния от внешней нагрузки складываются с остаточными напряжениями, наступает местная пластическая деформация, в результате которой увеличение напряжений выше предела текучести не происходит. Местная текучесть обычно захватывает небольшие участки сварного соединения и не исчерпывает пластических свойств металла. В результате местной текучести прочность, а также геометрические размеры соединения или конструкции не изменяются или изменяются незначительно, однако это явление не желательно в конструкциях точных станков и приборов.

Рис. 5.3. Характер распределения остаточных напряжений σ_х в средней части сварных пластин: а – низкоуглеродистая сталь Ст3, δ=8 мм; б – аустенитная сталь 12Х18Н9Т, δ=2 мм; в – титановый сплав ОТ-4, δ=1,5 мм; г – алюминиевый сплав АМг6, δ=10 мм

 

Металл утрачивает способность пластически деформироваться в сле­дующих случаях:

- при наличии объемного поля остаточных сварочных напряжений (большие толщины, закрепление изделия по трем осям). В этом случае при сложении объемных остаточных напряжений с рабочими разруше­ние может произойти до появления пластической деформации, так как металл переходит в хрупкое состояние. Следует отметить, что плоское поле остаточных напряжений также снижает способность металла пла­стически деформироваться, хотя и в меньшей степени;

- при наличии резкого концентратора напряжений (острый надрез, непровар, неплавный переход от одного сечения к другому), располо­женного поперек действия растягивающих остаточных и рабочих напряжений;

- при низкой температуре, которая может перевести металл в хрупкое состоя-ние.

Металл с низкими пластическими свойствами склонен к переходу в хрупкое состояние в значительно большей степени, чем пластичный.

Схема, поясняющая образование напряжений в стержне с жестко заделанными концами, приведена на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Образование напряжений в стержне с жестко заделанными концами:                  а – схема испытания; б – напряжения и деформации в стержне из низко-углеродистой стали; в - напряжения и деформации в стержне из титанового сплава