ТЕОРИЯ сварочных процессов

Физические основы формирования сварочных деформаций и напряжений в различных металлах и сплавах

Тепловая «нагрузка» на металл при сварке в отсутствие внеш­них силовых воздействий приводит к возникновению собственных сварочных деформаций и напряжений. Причины образования сва­рочных деформаций и напряжений рассмотрим на примере сварки относительно узкой пластины продольным стыковым швом (слу­чай одноосного напряженного состояния).

1. Неравномерный разогрев с максимальной температурой нагрева в зоне шва приводит к различным значениям термического линейного расширения шва и слоев металла, параллельных шву. Однако прочная связь между слоями ограничивает расширение наиболее нагретых слоев (обусловливает их сжатие) и дополни­тельно увеличивает размер менее нагретых слоев (их растяжение). Эти деформации и напряжения являются временными. Если по каким-либо причинам деформации были упругими, то после охла­ждения деформации и напряжения исчезают.

2. Высокотемпературные пластические деформации укоро­чения возникают в наиболее нагретых слоях (шва и зоны термиче­
ского влияния). В них сжимающие напряжения достигают значе­ний предела текучести, соответствующих максимальной темпера­туре нагрева, что приводит к пластическому течению металла. По­сле охлаждения слои, претерпевшие пластическую деформацию укорочения, в силу прочной связи со слоями основного металла оказываются растянутыми, а периферийные слои основного ме­талла - сжатыми; эти деформации и напряжения являются оста­точными. Сварное соединение получает продольную (Апр)и по­перечную (Лпоп) сварочную усадку, а сварная пластина - соответ­ственно перемещение торцев и боковых граней в сторону умень­шения ее длины и ширины.

В условиях отсутствия внешних нагрузок эпюры собственных временных и остаточных сварочных напряжений являются взаим­но уравновешенными по сумме и моменту.

Подробно закономерности формирования сварочных деформаций и напряжений и их расчет рассмотрены в гл. 11. В настоящей главе рас­смотрены физические аспекты этого процесса и некоторые его моменты, необходимые для анализа технологической прочности сварных соедине­ний. В связи с этим целесообразно повторно рассмотреть отдельные по­ложения, уже изложенные в гл. 11.

На практике часто сварочные деформации понимают букваль­но как изменения формы и размеров сварных изделий: продольная и поперечная усадка, деформация изгиба, угловая деформация и др. Со строго научных позиций эти деформации являются пере - . мещениями заданной точки (плоскости) изделия по отношению к определенной его точке (плоскости), принятой за нулевую.

При анализе напряженно-деформированного состояния в раз­личных зонах сварного изделия рассматривают деформационные процессы в пределах локальной базы в этих зонах при сварке. Раз­мер базы выбирают по возможности минимальным, чтобы можно было принять значения деформаций и напряжений в ее пределах постоянными. Если анализ выполняется экспериментальным мето­дом, то размер базы должен быть достаточным для того, чтобы можно было на ней установить датчик деформаций (механический датчик, тензодатчик сопротивления и др.) и приварить термопару. Для знакомства с общими физическими закономерностями форми­рования сварочных деформаций и напряжений рассмотрим кине­тику их развития при сварке узкой пластины углеродистой стали

продольным стыковым швом. В зоне термического влияния вы­брана база Ах в направлении оси шва (рис. 12.47, в). При этом рас­сматриваются следующие составляющие деформаций (см. гл. 11):

єн - наблюдаемая деформация, соответствующая приращению базы Ах, фиксируемому датчиком деформаций;

£а - свободная термическая деформация, соответствующая термическому линейному расширению базы Ах при условии от­сутствия связей с другими слоями металла;

£с - собственная деформация, упругая составляющая которой £су определяет значение напряжения ох в пределах базы Ах.

Эти величины связаны следующими соотношениями:

£с=єн“єа; (12.60)

стх=£єсу, (12.61)

где Е - модуль упругости.

Поскольку практически всегда ен < £а, то в процессе нагрева, когда обе деформации положительны, £с имеет отрицательное зна­чение и соответственно напряжения о* являются сжимающими. В процессе охлаждения имеет место обратная картина и напряжения ох становятся растягивающими.

Далее кинетика процесса формирования сварочных напряже­ний рассматривается на этапе охлаждения сварочного термическо­го цикла. В процессе нагрева получают развитие факторы (высо­котемпературная пластическая деформация), которые определяют значения составляющих деформаций, обусловливающих возник­новение напряжений. Окончательное формирование остаточных напряжений происходит на этапе охлаждения.

На рис. 12.47, а, б приведены схемы, иллюстрирующие кине­тику развития составляющих деформаций и формирования сва­рочных напряжений в сталях. В диапазоне снижения температур с

1200 до 500 °С происходит монотонное нарастание £а и £н (в соот­ветствии с сокращением базы Ах они имеют отрицательные зна­чения).

Поскольку по модулю £а > £н, то £с является положительной величиной (см. (12.60)). В диапазоне снижения температур с 500

б

до 350° С монотонный характер развития деформаций претерпева­ет изменение вследствие фазового превращения Fey(C)—»Fea(C) в углеродистых сталях при быстром охлаждении, которое сопрово­ждается положительным объемным эффектом - фазовой дилата-

цией Zf (см. рис. 12.42).

В соответствии с закономерностью развития собственной де­формации єс и непосредственно ее упругой составляющей єсу формируется сварочное напряжение ах (рис. 12.47, б). При этом

оно находится в соответствии с пределом текучести ат, зависи­мость которого от температуры приведена на рис. 12.47, г, и огра­ничивается его значением (участки 7-2, 3-4 и 8-9 на рис. 12.47, б).

В диапазоне снижения температур от 600 до 500 °С напряжения <зх являются растягивающими. При этом они могут достигать преде­ла текучести сгт. Объемный эффект фазового превращения приво­дит к уменьшению єс, т. е. к упругой разгрузке металла (участки

4-5-6 на рис. 12.45, д), в результате которой напряжения о* стано­вятся сжимающими (проходя через нулевое значение). Далее в со­ответствии с нарастанием собственной деформации єс напряжения gx снова переходят в область растяжения (участки 6-7-8-9). При нормальной температуре остаточные напряжения ах могут дости­гать предела текучести ат.

Разные металлы и сплавы имеют подобные по физическому характеру схемы кинетики развития составляющих деформации и напряжений. Различие этих схем связано с разной зависимостью коэффициента термического линейного расширения от температу­ры и с наличием полиморфных и фазовых превращений. Из приве­денных на рис. 12.48 данных следует, что в сталях временные на­пряжения могут менять знак, остаточные напряжения могут быть

Ту °С 1200

растягивающими и сжимающими и достигать предела текучести. В аустенитной стали и цветных металлах остаточные напряжения имеют положительные значения.

Напряженно-деформированное состояние в высокотемпера­турной области (шов, зона термического влияния) в процессе ох­лаждения оценивают деформационными параметрами, одним из которых является темп деформации,

(12.62)

или для определенного относительно узкого диапазона темпера­тур:

(12.63)

При увеличении габаритов свариваемых листов (ширины, тол­щины) напряженное состояние может быть плоским (двуосным) и объемным (трехосным). Так, при сварке тонкого широкого листа появляется поперечная составляющая собственных сварочных на­пряжений Оу, обусловленная поперечной сварочной усадкой АПОп-

Знак и распределение напряжения оу (по поперечной оси Оу) в центральной части листа имеют тот же характер, что и у про­дольного напряжения ох. Однако значение поперечной состав­ляющей оу существенно меньше значения продольной состав­ляющей ох и зависит от ширины листа и длины шва. Их различие

имеет место на концевых участках сварного шва, где оу< 0.

Темп линейной деформации поперек оси шва также имеет свою особенность, определяемую расположением сечения по центру и концевым участкам шва. В центральной части листа на этапе охлаж­дения темп деформации обусловлен линейной поперечной усадкой и монотонно возрастает с увеличением ширины листа. В начале шва при условии сварки по зазору или полного проплавления листа темп деформации может иметь весьма высокое значение (если отсутству­ют или не приварены входные технологические планки). Это объяс­няется тем, что к действию линейной поперечной усадки добавляет­ся действие изгибающих моментов, раскрывающих кромки еще не

затвердевшего шва на этапе за­вершения его кристаллизации. Изгибающие моменты Мтт воз­никают вследствие продольного удлинения близлежащих отно­сительно сварочной ванны слоев металла в результате их нагрева движущимся впереди источни­ком нагрева (рис. 12.49). При этом, чем больше неравномер­ность распределения макси­мальных температур нагрева Гтах в поперечном направлении, а следовательно, больше разни­ца в удлинении рядом лежащих слоев, тем больше значение из­гибающего момента. Раскрытие кромок ограничивается «жест­костью» листа (шириной листа Bj), так как менее нагретые периферийные зоны листа ока­зывают сопротивление дейст­вию изгибающих моментов. Эти две тенденции обусловли­вают зависимость темпа от 5/ в виде кривой с экстремумом (рис. 12.50) На конечном участ­ке шва имеет место аналогичная ситуация. При применении входной и выходной планок, прочно приваренных к торцам листов и исключающих раскрытие кромок, темпы деформации на разных уча­стках шва становятся практически одинаковыми.

По значениям остаточных напряжений в различных зонах сварного соединения, определенных приведенным выше методом, можно построить их распределение по любому продольному и по­перечному сечениям сварного изделия (см. гл. 11). Как правило, в шве и зоне термического влияния действуют растягивающие
напряжения, а в периферийной час­ти основного металла - сжимаю­щие. Эпюры остаточных сварочных напряжений являются взаимно уравновешенными по сумме и мо­менту. Суммирование приращений локальных баз дает возможность определить перемещения различ­ных точек (плоскостей) сварного изделия относительно выбранной нулевой точки (плоскости).

Сварка листов в незакреплен­ном, свободном состоянии выпол­няется при изготовлении сварных заготовок, которые в дальнейшем используются при монтаже слож­ных по форме сварных конструк­ций. В этом случае часто сварными швами соединяют жестко закреп­ленные элементы. При этом собст­венные напряжения дополняются составляющей, обусловленной затрудненной поперечной сварочной усадкой. Эта составляющая зависит от жесткости закрепления свариваемых элементов и удельной погонной энергии и может иметь большие значения, равные пределу текучести материала. Физическая природа образо­вания поперечной составляющей сварочных напряжений (оу) при­менительно к сварке узкой (в направлении оси шва Ох) жестко за­крепленной пластины с одновременной укладкой шва проиллюст - рована схемой на рис. 12.51.

Нереализуемое перемещение боковых граней пластины при нагреве в процессе укладки шва (0-1) приводит к остаточной пластической деформации укорочения пластин. Соответственно при охлаждении имеет место нереализуемое перемещение этих граней укороченных пластин (0-2), соизмеримое с (0-1). Это при­водит к образованию растягивающих поперечных сварочных на­пряжений + оу.

Приблизительную оценку Су можно получить по соотноше­ниям:

■ +av

(12.65)

где E - модуль упругости, Bi - параметр жесткости закрепле­ния свариваемых элементов (расстояние от центра шва до

закрепления); otj и ср - соот­ветственно коэффициент тер­мического линейного расшире­ния и удельная объемная тепло­емкость; 5 - толщина, q/(v8) - удельная погонная энергия; А = = 0,8... 1,2 - эксперименталь­ный коэффициент.

Разделение составляющих сварочных напряжений на соб­ственные и от затрудненной усадки является весьма услов­ным, так как в обоих случаях напряжения обусловлены усадочны­ми процессами и различаются только условиями ограничения их развития.