ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

ОБРАЗОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ МЕСТНОМ НАГРЕВЕ МЕТАЛЛА

Общие понятия о напряжениях при сварке

При сварке изделия производится концентрированный и крат­ковременный нагрев до высоких температур сравнительно не­большого объема металла. По мере движения источника тепла сварочному нагреву подвергаются новые объемы металла, а в

ранее нагретых местах температура выравнивается. Распреде­ление температур в поперечном направлении от линии движе­ния источника нагрева весьма неравномерное. Градиент падения' температуры в этом направлении очень большой. Это вызывает в соседних участках свариваемых деталей разные по величине объемные изменения, которые ведут к появлению в металле внутренних усилий и образованию поля напряжений.

При наплавке валика на середину пластины или при сварке стыковым' швом двух пластин одинаковой ширины (фиг. 13) распределение температуры по поперечному сечению пластины

•будет ©есьма неравномерное (кривая Т). Ввиду неравномерного распределения температуры свободное тепловое удлинение ле­жащих рядом продольных полосок пластины будет различным. Если предположим, что эти полоски пластины могут свободно изменять свою длину независимо друг от друга, то свободное тепловое удлинение А/ каждой из них будет

А/ = а77,

где Т — средняя температура волокон в сечении полоски;

I — длина полоски;

а — коэффициент температурного расширения металла.

На фиг. 13 свободное тепловое удлинение полосок ограниче­но ступенчатой линией.

На самом деле свободное тепловое удлинение каждой по­лоски невозможно, так как, ввиду их взаимной молекулярной связи между собою, менее нагретые участки будут препятство­вать свободному тепловому удлинению более нагретых соседних участков. Ввиду симметричного распределения температуры от­носительно линии нагрева (оси х), действительные продольные деформации всех волокон пластины, исходя из гипотезы плоских сечений, будут одинаковыми и равными Д0. Несовместимость свободных тепловых удлинений волокон А/ с их действительны­ми удлинениями До является причиной появления внутренних усилий и создания в пластине напряженного состояния. Длина пластины увеличится на величину действительных деформа­ций Д0. При этом более нагретые участки окажутся сжатыми, 3, менее нагретые и холодные растянутыми, Примерная эпюра напряжений в поперечном сечении пластины в начальный мо­мент нагрева показана на фиг. 13, б.

Прилегающие к шву наиболее нагретые участки основного металла подвергаются в процессе нагрева пластическим измене­ниям, в них образуются деформации пластического сжатия. По окончании сварки температура в сечениях пластины постепенно выравнивается. С понижением температуры в процессе остыва­ния все нагретые участки должны уменьшить свою длину. Де­формации продольного укорочения должны быть больше на сред­них участках пластины, которые были нагреты до более высоких температур и у которых деформации пластического сжатия бы­ли больше.

Так как действительная деформация укорочения всех участ­ков пластины на основании гипотезы плоских сечений должна быть одинаковая, то середина пластины, 'которая при нагреве претерпела продольное пластическое сжатие, после полного осты­вания станет растянутой. Крайние участки, препятствующие сво­бодному укорочению середины, окажутся сжатыми. Примерная эпюра остаточных напряжений в пластине показана на фиг. 13, в.

Остаточные напряжения в сварных конструкциях, сочетаясь с напряжениями от действия внешних нагрузок, могут снижать 26

несущую способность конструкции и способствовать появлению б ней разрывов и трещин. Остаточные деформации, вызванные сварочным нагревом, нередко искажают размеры и форму свар­ной конструкции. Вследствие этого требуется последующая тру­доемкая правка конструкции.

Проблема внутренних усилий и остаточных напряжений, воз­никающих при нагреве металла, впервые была выдвинута рус­ским металлургом Н. В. Калакуцким. В своей работе «Исследо­вание внутренних напряжений в чугуне и стали», опубликован­ной в 1887 г., Н. В. Калакуцкий указывает, что эти напряже­ния могут быть изменены в широких пределах и техника должна указать надежные и верные пути по управлению этими напря­жениями. Изобретатель электродуговой сварки металлическими электродами Н. Г. Славянов в своих работах в 1892 г. указы­вает на необходимость «опасаться вредных напряжений в ме­талле». Советские ученые Е. О. Патон, В. П. Вологдин, Г. А. Ни­колаев, Н. О. Окерблом, В. В. Шеверницкий и другие исследова­ли ряд вопросов, касающихся напряжений и деформаций при сварке. Однако многие вопросы деформирования и прочности сварных конструкций являются весьма актуальными и в настоя­щее время. При изготовлении сварных конструкций возникает много еще неразрешенных вопросов, которые требуют всесто­роннего изучения напряженного состояния при сварке и разра­ботки методов по определению внутренних усилий и вызываемых ими остаточных деформаций. Следует указать, что вопросы сва­рочных напряжений и деформаций, несмотря на свою важность, не являются еще вопросами, которые в необходимом объеме известны широким кругам конструкторов и технологов, изго­товляющих сварные конструкции. В технической литературе еще не установилось единое название для напряжений при сварке. Применяется несколько различных терминов, относящихся по сути к одним и тем же понятиям, что, естественно, ведет к неяс­ности представлений о напряжениях при сварке.

В технической литературе и в заводской практике напряже­ния при сварке часто называют «внутренними напряжениями». Мовдо полагать, что это название употребляется для'отличия напряжений при сварке от напряжений, вызываемых действием внешних сил. Однако название «внутренние напряжения» мето­дологически неправильно, так как внешних напряжений, как противоположности внутренним металл не имеет. Природа на­пряженного состояния волокон металла одинакова, независимо от того вызвано ли это напряжение внешними силами или вну­тренними усилиями.

Напряжения, возникающие при сварке, принято также назы­вать термическими или температурными. Такое название явля­ется общепринятым для напряжений, вызываемых колебаниями температуры при эксплуатации конструкций и создаваемых вза­имодействием тепловых деформаций в конструкциях с реакция­ми внешних связей. Эти напряжения обычно лежат в пределах упругих изменений металла и при выравнивании температуры исчезают. Напряжения, создаваемые при сварке, остаются в конструкции после выравнивания температуры и взаимодейст­вуют между собой в соседних участках металла, что значитель­но отличает их от указанных термических напряжений.

Некоторые авторы именуют остаточные напряжения при сварке усадочными напряжениями. По характеру действия оста­точные напряжения при сварке подобны усадочным напряже­ниям при литье, прокатке или других видах термической обра­ботки металла. Что же касается возникновения тех и других, то они несколько отличаются: усадочные напряжения при литье и прокате появляются в результате неравномерного остывания ме­талла, а основной причиной возникновения остаточных свароч­ных напряжений служит образование пластического сжатия в процессе местного нагрева металла.

В работах [2], [14], [15] и [40] напряжения при сварке названы собственными напряжениями, «как сохраняющимися в металле при отсутствии действия внешних сил. Хотя такое название яв­ляется общим и по своему смыслу охватывает напряжения, об­разовавшиеся в металле по разным причинам, но оно ясно вы­деляет категорию напряжений, которые существуют в металле помимо действия внешних сил и к которым относятся сварочные напряжения. Н. О. Окерблом в своих работах напряжения при сварке именует просто сварочными напряжениями [9], [16], [19].

В нашей работе для напряжений, вызываемых сваркой, со­хранено название «собственные напряжения при сварке» или «сварочные напряжения». Понятие «собственные напряжения» имеет смысл, пока тело, обладающее собственными напряже­ниями, рассматривается как единая нераздельная система. При разрезе этого тела на части или вырезании из него отдельных элементов образующиеся после реза свободные грани освобож­даются от собственных напряжений и элемент деформируется. Из теории упругости известно, что в открытых плоскостях или поверхностях, свободных от действия внешних сил, нормальные и касательные напряжения равны нулю, т. е. а = 0 и т = 0. Ха­рактер деформации элемента определяют исчезнувшие после вырезания его нормальные и касательные напряжения.

Собственные напряжения, - как сохраняющиеся в изделии при отсутствии действия внешних сил, представляют систему взаим­ноуравновешенных внутренних усилий, которые должны удов­летворять условиям статического равновесия, а именно:

1) сумма проекций всех активных и реактивных внутренних усилий в любом сечении изделия фавно нулю, т. е. 2Х = 0;

2) сумма моментов ют всех активных и реактивных внутрен­них усилий в любом сечении изделия равна нулю, т. е. 2М = 0.

В деталях, имеющих собственные напряжения, действие внешних сил вызывает такие же деформации как и в деталях,
свободных от собственных напряжений, если в процессе дейст­вия внешних сил все точки металла работали только в области упругих изменений, т. е. если напряжения от внешних сил плюс собственные напряжения не превосходили предела текучести 6т - На фиг. 14 приведена примерная классификация собственных напряжений.

Собственные напряжения, существующие в теле при отсутствии действия внешних сил

Виды собственных напряжений в зави­симости от причин их образования

Виды собственных напряжений в зави­симости от размера объемов масс, в ко­торых они взаимно уравновешены

Виды собственных напряжений в за­висимости от их направления в пространстве

Фиг. 14. Классификация собственных напряжений.

Собственные напряжения в металле разделяются на три ос­новных рода. К первому роду относятся собственные напряже­ния, уравновешивающиеся в сравнительно больших объемах ме­талла и обладающие определенной ориентацией относительно расположения швов* и геометрической формы изделий. Эти на­пряжения называют собственными напряжениями первого рода или механическими напряжениями. При сварке собственные на­пряжения первого рода возникают по причине местного пласти­ческого сжатия металла вследствие местного нагрева до высо-

ких температур и препятствий свободному укорочению волокон при остывании. Природа напряженного состояния волокон ме­талла под действием внутренних усилий при сварке такая же, как и при механическом действии внешних сил.

В теории сопротивления материалов и теории упругости рас­сматриваются в основном напряжения первого рода, т. е. меха­нические. При исследовании вопросов прочности и деформиро­вания конструкций главным является изучение поля напряже­ний первого рода.

В настоящей работе рассматриваются собственные напряже­ния при сварке, относящиеся к категории напряжений первого рода, т. е. к механическим напряжениям.

Собственные напряжения второго рода уравновешиваются в микроскопических объемах, в пределах нескольких зерен метал­ла. Напряжения второго рода возникают при пластических де­формациях и в процессе остывания металла при структурных превращениях в области температур твердого состояния. Напря­жения второго рода зависят от химического состава металла,, его структуры и от скорости остывания. При сварке они явля­ются спутниками напряжений первого рода, но имеют только* зональный местный характер и образуются в определенных об­ластях шва. Применяемые в настоящее время для исследования напряжений методы сопротивления материалов, теории упру­гости и пластичности недостаточны для всестороннего изучения и количественного определения напряжений второго рода. Для исследования и измерения напряжений второго рода требуются более сложные и точные физические методы изучения их. Опыт­ным путем напряжения второго рода изучаются по величине размытия линий на рентгенограммах [41].

Собственные напряжения третьего рода уравновешены в ультрамикрообъемах в пределах кристаллической решетки. На­пряжения третьего рода возникают при образовании кристалли­ческой решетки. Изучены эти напряжения очень мало. Н. Н. Да - виденков [42] отмечает, что напряжения третьего рода являются обязательными спутниками упрочнения металла при наклепе.

По взаимной связи и образованию внутренних усилий при сварке собственные напряжения первого рода можно разделить на активные, или первичные, и реактивные, или вторичные [4]. Активные (усадочные) напряжения образуются в нагреваемых зонах металла, в которых протекали деформации пластического сжатия волокон при сварочном нагреве. После остывания в этих волокнах будут остаточные активные (усадочные) напряжения растяжения. Реактивные напряжения вызываются в соседних с нагреваемой областью участках, которые противодействуют свободному деформированию нагретой области. Реактивные на­пряжения появляются одновременно с активными и составляют нераздельную замкнутую систему равновесного силового со­стояния.

По стабильности действия собственные напряжения при свар­ке бывают:

1. Временные, изменяющие свою величину во времени в свя­зи с изменением температурного состояния металла при сварке.

2. Остаточные, сохраняющиеся в сварном соединении после полного выравнивания температуры по окончании сварки.

Остаточные напряжения, образовавшиеся в сварном соеди­нении от действия внешних связей, будем именовать реактив­ными напряжениями от внешних связей или внешних закрепле­ний. Эти напряжения однозначны и не уравновешены между собой по сечению сварного соединения, а уравновешиваются.

только с вызвавшими их внешними реакциями (связями). Ес­ли внешние связи временные, например временные закрепления при сборке и сварке, то с удалением внешних связей эти напря­жения исчезают. При постоянно действующих внешних связях вызванные ими остаточные реактивные напряжения являются наиболее опасными, так как они складываются с напряжениями' от внешней нагрузки и могут вызвать разрушение сварного сое­динения.

В зависимости от пространственного расположения и направ­ления действия внутренних усилий в конструкции и взаимодей­ствия между собой, собственные напряжения при сварке бывают:

1) линейные, или одноосные, ориентированные вдоль оси шва или линии .нагрева (фиг. 15, а);

2) плоскостные, или двуосные, ориентированные по двум ко­ординатным осям — вдоль оси шва и в перпендикулярном к ней направлении (фиг. 15, б);

3) объемные, или трехосные, действующие в изделии по всем направлениям пространства (фиг. 15, в).

По своему существу собственные напряжения в сварных из­делиях всегда трехосные. Однако при сварке пластин малой тол­щины напряжения, ориентированные по третьей оси (по толщи­не), весьма ничтожны и практически напряженное состояние сварного изделия из тонких пластин можно рассматривать как двуосное. При сварке узких пластин напряженное состояние практически можно рассматривать как одноосное.

По отношению к оси шва или линии нагрева собственные напряжения первого рода разделяют на продольные и попереч­ные: продольные сварочные напряжения направлены параллель­но оси шва, а поперечные — перпендикулярно.