ТЕОРИЯ сварочных процессов

Влияние неоднородности свойств материала на распределение сварочных напряжений

При сварке различных материалов с однородными свойствами, как правило, возникает распределение напряжений, аналогичное рассмотренному в разд. 11.5.1 для малоуглеродистой стали. Экс­
перименты показали, что такое распределение остаточных напря­жений характерно для аустенитных сталей, а также для ряда тита­новых и алюминиевых сплавов.

Картина изменяется при неоднородности свойств материала (если материалы шва и различных участков зоны термического влияния отличаются по свойствам друг от друга и от основного материала свариваемых деталей). Причиной этой неоднородности может быть как несовпадение химического состава, так и различ­ные условия нагрева и остывания в процессе сварки. Неоднород­ность свойств может быть предусмотрена технологией сварки или является следствием ее нарушения. На распределение сварочных напряжений сильнее всего влияет различие коэффициентов линей­ного расширения и пределов текучести материалов в смежных зо­нах сварного соединения. Рассмотрим влияние этих факторов под­робнее.

Рис. 11.9. Диаграмма свободных температурных деформаций (дилато - грамма) стали, испытывающей фазо­вые превращения при нагреве и ох­лаждении: Ф-П - феррито-перлит, А - аустенит

1. Поскольку первопричиной сварочных напряжений является свободная температурная деформация єа, то из формулы (11.3) следует, что увеличение коэффициента линейного расширения а эквивалентно дополнитель­ному нагреву соответст­вующей зоны материала. При этом уровень напряжений может существенно повы­ситься, особенно при резком перепаде значений а в близ­корасположенных зонах ма­териала. В таком неоднород­ном материале, называемом биметаллом, напряжения воз­никают даже при его равно­мерном нагреве в печи.

При сварке феррито-перлитной стали (рис. 11.9) аустенитным электродом следует иметь в виду, что коэффициент линей­ного расширения а аустенита примерно на 30 % выше, чем у феррито-перлитной смеси, поэтому такое сварное соединение ведет себя как биметалл.

2. При одной и той же температуре плотность аустенита выше, чем плотность перлита. Превращение перлита в аустенит и обрат­
ное превращение сопровождаются изменением объема (см. рис. 11.9). Если превращение происходит при высокой температуре, когда предел текучести мал, то оно не вызывает заметного измене­ния сварочных напряжений. Но распад аустенита в процессе осты­вания при температуре ниже 500 °С эквивалентен резкому нагреву зоны превращения и полностью изменяет распределение напряже­ний, показанное на рис. 11.7. Металл в зоне закалки 2, испытавший при нагреве превращение в аустенит, в процессе охлаждения пре­вращается в мартенсит (рис. 11.10). При этом вместо обычного сокраще­ния при остывании происходит рас­ширение металла и в нем возникают сжимающие напряжения. В осталь­ных зонах (7 и 5) этих превращений не происходит: в легированном шве сохраняется постоянная аустенитная структура, а за пределами зоны за­калки сохраняется исходная перлит­ная структура, так как нагрев этой зоны недостаточен для превраще­ний. Поэтому в шве и за пределами закаленной зоны возникают при ос­тывании и сокращении металла рас­тягивающие напряжения. В резуль­тате образуется сложная эпюра из чередующихся полос растяже­ния и сжатия.

Рис. 11.10. Остаточные на­пряжения в пластине из угле­родистой стали, сваренной аустенитным швом:

1 - шов (аустенит), 2 - зона за­калки (мартенсит), 3 - основной металл (перлит)

3. Как следует из рис. 11.7, в пластической зоне сварного шва после остывания возникают напряжения, близкие к пределу теку­чести. Аналогичные эпюры характерны для большинства материа­лов, не испытывающих превращений при невысокой температуре. Снижение предела текучести в какой-либо зоне материала приво­дит к соответствующему снижению остаточных напряжений в этой зоне. Однако на границе шва с основным металлом иногда возникают упрочненные (закаленные) зоны с высоким пределом текучести. Остаточные напряжения в таких зонах, близкие к этому пределу текучести, могут в несколько раз превышать предел теку­чести основного металла сварного соединения.

11.5.1. Круговые швы и точечная сварка пластин

Во время сварки кругового шва так же, как при сварке прямо­линейного шва, возникает зона пластических деформаций укоро­чения, ширина которой равна 2Ь^ (рис. 11.11). Укорочение металла

Рис. 11.11. Остаточные напряжения при сварке кругового шва

при нагреве возникает под действием сжимающих окружных на­пряжений ctt < 0, направленных вдоль оси шва. При этом снаружи от шва возникает сжатие в радиальном направлении и растяжение

В ОКРУЖНОМ (огг < О, О// > 0).

После остывания картина изменяется (см. рис. 11.11). В пла­стической зоне шва действуют растягивающие окружные напря­жения с%, близкие к пределу текучести. Снаружи от шва действу­ют растягивающие напряжения в радиальном направлении и сжимающие - в окружном. Внутри круга, ограниченного пласти­ческой зоной шва, радиальные и окружные напряжения равны. Распределение напряжений, за исключением замкового участка (на котором замыкаются начало и конец шва) близко к осесимметрич­ному, т. е. одинаковое в любом радиальном сечении. Из условия равновесия следует, что радиальное и окружное напряжения в ка­ждой точке связаны уравнением

da^^a^-a^ dR R

где R - радиальная координата точки.

Из рис. 11.11 следует, что в пластической зоне ctt> crr. В этой

зоне растет при удалении от центра окружности шва. Внутри окружности компоненты напряжения равны и не зависят от радиуса.

По мере увеличения радиуса окружности шва радиальные на­пряжения уменьшаются, а эпюра окружных напряжений прибли­жается по виду к эпюре продольных напряжений у прямолинейно­го шва (см. рис. 11.7).

Если диаметр кругового шва становится меньше ширины пла­стической зоны, то распределение напряжений приобретает такой же вид, как при точечной контактной сварке. За пределами пла­стической зоны распределение остаточных напряжений такое же, как на рис. 11.11, а внутри зоны оба компонента равны, положи­тельны (растяжение) и близки к пределу текучести.

ТЕОРИЯ сварочных процессов

Граничные условия

Чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводно­сти, необходимо задать распределение температур в начальный момент времени (начальное условие) и условия взаимодействия тела с окружающей средой на его границах (граничные условия). Начальное условие определяется …

Основные допущения и упрощения, принятые в классической теории распространения теплоты при сварке

На современном уровне развития математики аналитическое решение уравнения теплопроводности в общем виде (5.21) еще не найдено, однако при введении некоторых допущений и упрощений можно получить пригодные для практического использования ча­стные …

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Сложный процесс изменения температуры точек тела с коор­динатами jc, у, z во времени t описывается дифференциальным уравнением теплопроводности. Для вывода этого уравнения необ­ходимо рассмотреть баланс теплоты в некотором элементарном объеме …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов оборудования:

Внимание! На этом сайте большинство материалов - техническая литература в помощь предпринимателю. Так же большинство производственного оборудования сегодня не актуально. Уточнить можно по почте: Эл. почта: msd@msd.com.ua

+38 050 512 1194 Александр
- телефон для консультаций и заказов спец.оборудования, дробилок, уловителей, дражираторов, гереторных насосов и инженерных решений.