Напряжения и деформации при сварке

В процессе изготовления сварных конструкций в них возникают напряжения и деформации. Сварочные напряжения, превышающие предел текучести металла, вызывают пластическую деформацию конструкции, что приводит к изменению размеров и формы изделия. Если сварочные напряжения превышают предел прочности, то происходит образование трещин в шве или в зоне термического влияния (з.т.в.)

Сварочные напряжения и деформации возникают в результате неравномерного нагревания заготовок при сварке, усадке и структурных превращениях в металле в процессе охлаждения.
Рассмотрим несколько примеров.

При местном нагреве стальной пластины, свободно лежащей на сварочном столе, ее длина увеличивается на DL (рисунок 15.3, а). Это увеличение зависит от коэффициента линейного расширения материала заготовок, длины нагретой зоны, а также от температуры нагрева. После охлаждения пластина приобретает свои первоначальные размеры и в ней не будет ни внутренних напряжений, ни остаточных деформаций.

При местном нагреве этой же пластины, жестко закрепленной с обоих концов (рисунок 15.3, б), она не сможет свободно удлиняться, поэтому в ней возникнут сжимающие внутренние напряжения. При температуре нагрева выше 600^oС сжимающие напряжения превысят предел текучести металла нагретого участка. Поэтому в этой зоне будет протекать пластическая деформация сжатия, и на длине L' произойдет увеличение толщины. При охлаждении пластина должна укоротиться, но этому будет препятствовать жесткое закрепление, в результате чего в ней возникнут растягивающие напряжения.
Аналогичным образом возникают внутренние напряжения и деформации при наплавке валика на кромку полосы (рисунок 15.4, а). Наплавленный валик и нагретая часть полосы будут расширяться и растягивать холодную часть заготовки, вызывая в ней деформации растяжения с изгибом. Валик и нагретая часть образца сожмутся, поскольку тепловому расширению будут препятствовать холодные части полосы. Эпюра распределения напряжений в образце имеет вид, представленный на рисунке 15.4 , б. В результате такого распределения напряжений полоса изогнется выпуклостью вверх.

Рисунок 15.3. Местный нагрев незакрепленной (а) и закрепленной обоими концами (б) пластин:
1 - кривая распределения температур; 2 - пластины; 3 - жесткое крепление

Рисунок 15.4. Возникновение напряжений и деформаций при наплавке валика на кромку полосы металла: а - деформация полосы в процессе наплавки валика на кромку; б - эпюра распределения напряжений в полосе при наплавке; в - деформация полосы после остывания; г - эпюра распределения напряжений в полосе с наплавленной кромкой: s_т - предел текучести материала полос.

В процессе остывания наплавленный валик и нагретая часть полосы, претерпев пластические деформации сжатия, будут укорачиваться. Под действием усадочных сил полоса прогнется выпуклостью вниз (рисунок 15.6, в). Этому процессу будут препятствовать слои холодного металла, поэтому в нагретой части полосы возникнут растягивающие напряжения, а в холодной - сжимающие (рисунок 15.6, г).

При изготовлении изделий с использованием сварки плавлением соединения происходит продольная и поперечная усадка металла шва, поэтому образуются продольные и поперечные внутренние напряжения (рисунок 15.7). Эти напряжения вызывают деформацию сварных изделий. В результате продольной усадки возникает коробление изделий в продольном направлении (рисунок 15.7). Поперечная усадка, как правило, приводит к угловым деформациям, т.е. к короблению в сторону большего объема расплавленного металла (рисунок 15.7).

Рисунок 15.5. Направления действия продольных и поперечных внутренних напряжений.

Рисунок 15.6. Деформации сварных изделий от продольной усадки наплавленного металла: а - при симметричном расположении швов; б, в - при несимметричном расположении швов; г - при наплавке валика на кромку полосы: 1 - сварной шов; 2 - зона нагрева; Dl - величина деформации от продольной усадки; b - ширина зоны нагрева.

Рисунок 15.7. Деформация сварных изделий от поперечной усадки наплавленного металла: а - до сварки; б - после сварки.