СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Тепловые (термические) деформации и напряжения

Деформации и напряжения, возникающие от неравномерного нагревания и охлаждения изделия, называются тепловыми или термическими. Как известно, при нагревании все металлы расширяются, а при охлаждении—сжимаются. Незакреп­ленный кусок металла, будучи нагрет и затем охлажден до перво­начальной температуры, примет те же размеры, которые он имел до нагревания.

Величина расширения металла зависит от температуры его на­грева и коэффициента линейного расширения. Коэффициен­том линейного расширения называется величина в миллиметрах, на которую удлиняется металлический стержень длиной в 1 м при нагревании его на 1°. Коэффициенты линейного расширения различных металлов следующие:

Малоуглеродистой стали................................... 0,0115

TOC o "1-5" h z Чугуна серого литейного................................... 0,011

Меди.................................................................... 0,0162

Латуни................................................................. 0,01

Бронзы................................................................. 0,017

Нержавеющей стали............................................ 0,0185

Алюминия............................................................ 0,0238

Чем больше коэффициент линейного расширения и выше темпе­ратура нагрева, тем большую деформацию будет испытывать металл при нагревании и охлаждении.

Зная коэффициент линейного расширения и температуру нагре­ва, можно определить изменение длины стержня при нагревании по формуле

U — ^о(1 +°^)>

где lt — длина стержня при температуре t, м;

10 — длина стержня при начальной температуре, м; а — коэффициент линейного расширения, мм/м • град; t — температура нагрева, град.

Если закрепить концы стержня так, что он не сможет свобод­но изменять свою длину, то термические деформации стержня вызо­вут в нем термические напряжения, соответствующие по величи­не этим деформациям. Допустим, что стержень 1, длина которого равна заштрихованной части (рис. 54), закреплен в абсолютно же­сткой рамке 2. Нагревание стержня вызвало бы его удлинение на длину АБ, если бы стержень мог свободно расширяться в рамке. Так как стержень не может свободно удлиняться, то он начнет оказывать на рамку давление изнутри. Рамка в свою очередь как бы сжимает стержень с концов, вызывая в нем напряжения сжа­тия. Нагретый стержень, длина которого должна остаться без изменения, получит пластическую деформацию.

В сечениях /—/ и II—II рамки возникнут напряжения

растяжения, которые будут тем больше, чем больше стре­мится удлиниться стержень, т. е. чем выше температура его нагре­ва. Если взять очень толстый стержень и слабую рамку, то послед­няя может разорваться по сечениям /—/ nil — II. Если рамка будет жестче и прочнее стержня, то последний изогнется и примет положение, показанное на рис. 54 пунктиром.

При последующем охлаждении нагретый стержень, подвергаю­щийся пластической деформации, стремится сократить свою дли­ну на величину АБ'. В этом случае сопротивление рамки вы­зовет появление в стержне нап­ряжений растяжения и он мо­жет или разорваться или изог­нуть рамку 2. Это же произой­дет, если будем нагревать рам­ку 2 в сечениях /—4 и Н—II> оставляя стержень холодным.

На величину деформаций при сварке влияет теплопро­водность свариваемого металла: чем выше его теплопровод­ность, тем равномернее распре­деляется по сечению теп­ловой поток и тем меньше будет деформация. Поэтому при сварке нержавеющих сталей, обла­дающих меньшей теплопроводностью и большим коэффициентом линейного расширения, чем малоуглеродистая сталь, деформации получаются большими, чем при сварке малоуглеродистой стали. Наоборот, алюминий, хотя и обладающий более высоким коэффи­циентом линейного расширения, но значительно лучше проводя­щий тепло, чем малоуглеродистая сталь, дает при сварке меньшие деформации по сравнению с малоуглеродистой сталью. Термические напряжения от местного неравномерного нагрева при сварке возникают в металле без воздействия внешних усилий. Такие напряжения называются внутренними или собственными. Из собственных термических напряжений наибольшее значение имеют те, которые возникают во время охлаждения изделия. Если эти напряжения действуют только вдоль шва, то они не влияют на прочность сварного соединения. Более опасны напряжения, действующие перпендикулярно оси шва (поперечные), так как они могут вызвать появление трещин в шве и околошовной зоне. Если деформации и напряжения появляются в изделии только в процессе сварки и исчезают при его остывании после сварки, то они называются временными. Те деформации и напряже­ния, которые сохраняются в изделии после сварки, при полном охлаждении швов, называются остаточными. Остаточные
напряжения и деформации имеют наибольшее практическое значе-' ние, так как могут отражаться на работе сварной конструкции.

Деформации возрастают при увеличении неравномерности на­грева, поэтому подогрев изделия при сварке существенно умень­шает деформации и напряжения от них.