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.
