ТЕОРИЯ сварочных процессов

Понятие о сварочных деформациях и напряжениях

При равномерном нагреве материала происходит его свобод­ное расширение без возникновения напряжений. Если же осуще­ствляется неравномерный нагрев тела, то связи нагретых участ­ков с ненагретыми препятствуют свободному расширению тела. Вследствие этого в теле возникают температурные собственные
напряжения, существующие при отсутствии приложенных к нему внешних сил. Температурные напряжения, возникающие в про­цессе сварки, принято называть временными напряжениями. Временные напряжения существуют в теле в процессе сварки на всех стадиях нагрева, выравнивания температур и охлаж­дения.

Неравномерный нагрев и изменение объема металла вследст­вие температурного расширения, фазовых или структурных превращений приводят к возникновению упругих и пластических деформаций. В результате пластических деформаций в сварных элементах после полного охлаждения остаются собственные на­пряжения, которые называются остаточными напряжениями.

Механизм образования остаточных напряжений при сварке можно проиллюстрировать следующим примером [17]. Рассмот­рим пластину, по краю которой перемещается источник нагрева, создающий установившееся температурное поле с мак­симальным нагревом в точке расположения источника (точка О на рис. 11.1, а). При этом в крайнем волокне пластины возника­ет/

ют сжимающие продольные напряжения <зх, распределение которых показано на рис. 11.1, а. Если максимальные значения напряжений Ох не достигают предела текучести металла, то это означает, что при нагреве в нем происходят только упругие деформации. Следовательно, после полного остывания напряже­ния окажутся равными нулю, т. е. остаточные напряжения в этом случае отсутствуют (рис. 11.1, а).

Рассмотрим этот же случай нагрева в предположении, что предел текучести металла составляет <гт == 400 МПа и не изменя­ется в процессе нагрева. Тогда напряжения <т* первоначально возрастают, достигая значения предела текучести в точке А (рис. 11.1,6). На участке АВ происходит пластическая дефор­мация укорочения, а напряжения будут равны пределу текучести о* = <гт = 400 МПа, если не учитывать упрочнения металла. Начиная с точки В, сжимающие напряжения уменьшаются по кривой BCDi, которая эквидистантна кривой BD, перенесенной с рис. 11.1, с. В точке С і напряжения равны нулю, а далее переходят в растягивающие. После полного остывания (точка Dі) сохраняются остаточные растягивающие напряжения о0СТ, значения которых в данном случае меньше предела текучести металла.

Далее рассмотрим этот же случай нагрева в предположении, что предел текучести имеет меньшее значение, например 0Т=2ОО МПа (рис. 11.1, е). Напряжения сжатия <тх достигают в точке Аг значения предела текучести, и на участке Л2В2 будет происходить пластическая деформация укорочения. Затем напряжения сжатия уменьшаются, в точке Сг окажутся равными нулю и далее переходят в растягивающие. В точке N растягиваю­щие напряжения достигают предела текучести и на участке ND2 происходят пластические деформации удлинения. После полного остывания пластины (точка Пг) сохраняются остаточные собст­венные растягивающие напряжения, равные пределу текучести металла о,-=200 МПа.

Собственные напряжения, как временные, так и остаточные, подразделяют в зависимости от объема их взаимного уравно­вешивания на напряжения первого рода, уравновешенные в мак­рообъемах; напряжения второго рода, уравновешенные в объе­мах одного или нескольких зерен; напряжения третьего рода, уравновешенные в микрообъемах, соизмеримых с размером крис­таллической решетки.

По аналогии с сопротивлением материалов собственные на­пряжения подразделяют в зависимости от направления действия на одноосные или линейные, действующие лишь по одному на­правлению в теле; двухосные или плоскостные, действующие по всем направлениям в плоскости; трехосные или объемные, дей­ствующие по всем направлениям в пространстве.

В элементах сварных конструкций могут возникать одно-, двух - или трехосные напряжения в зависимости от формы и раз­меров свариваемых элементов. Напряжения, действующие вдоль
сварного шва, называют продольными и обозначают ах. Напря­жения, действующие в плоскости соединяемых элементов перпен­дикулярно оси шва, называют поперечными и обозначают су. Напряжения, действующие в направлении, перпендикулярном плоскости соединяемых элементов, называют напряжениями по толщине сварного соединения и обозначают az. Наряду с нор­мальными компонентами в сварных соединениях могут дейст­вовать соответствующие касательные напряжения ттуг, тг*.

Деформации, возникающие при сварке, обозначаются анало­гично напряжениям. Различают нормальные компоненты свароч­ных деформаций ех, ву, ег и сдвиговые уХу, уyz, Угх■ Сварочные деформации в общем случае определяют изменение линейных и угловых размеров тела и характеризуют состояние отдельных участков тела. Основные причины, вызывающие появление де­формации при сварке, заключаются в неравномерном нагреве, структурных превращениях и упругопластическом деформиро­вании. Поэтому необходимо различать следующие составляющие сварочных деформаций:

1. Свободная деформация, вызванная изменением температу­ры и структурными превращениями

Єсв — а Г,

где а — коэффициент линейного расширения металла, 1 /К; Т — изменение температуры точки тела, К.

2. Собственные или так называемые внутренние деформации (б, y)> состоящие ИЗ упругих И пластических Є„л, 7пл деформаций.

3. Наблюдаемые в процессе сварки деформации вн, у„, ха­рактеризующие изменение линейных и угловых размеров тела, которые можно зарегистрировать непосредственно измеритель­ными приборами. Эти деформации определяются суммой свобод­ных температурных и собственных деформаций

В н — Є св ~|~ В упр "4” В пл J

Ун У упр “Ь У пл.

Уравнения (11.2) могут быть записаны применительно ко всем компонентам деформаций для соответствующих координат. Если в рассматриваемый момент времени в теле уже были пред­варительные (начальные) деформации Єнач, Уна**»

то уравнения

(11.2) преобразуются к следующему виду:

(11.3)

Напряжения при сварке однозначно определяются значения­ми упругих деформаций по следующим формулам:

G* ~ 1 „£Є*УПР Н j _ 2v (В*У"Р еУУпр + єгупр) J;

= 1 fl_ 2v^Sjtynp е»УпР “t - ezY"p)J >

— j ^^Єгупр -| 2V (е*упр + е9упр + 6Zynp)J',

Tty — Gyxyyup, Туг — Gy

где E, G, v — соответственно нормальный модуль упругости, модуль сдвига и коэффициент Пуассона.

Изменение положения или формы конструкции, т. е. искаже­ние конструкции в целом, в результате сварки характеризуется перемещениями. Перемещения при сварке связаны с наблюдае­мыми деформациями (11.3) следующими формулами:

где U, V, W — перемещения соответственно по осям X, у, Z.

Сварочные деформации и перемещения по аналогии с напря­жениями могут быть временными и остаточными. В зависимо­сти от вызываемых искажений формы и размеров конструкции различают следующие виды перемещений: укорочение, изгиб, потеря устойчивости, скручивание и др. Эти (как правило, слож­ные) перемещения конструкции можно представить в виде суммарного проявления отдельных элементарных видов дефор­маций в зоне сварных соединений. Поэтому основная задача — умение правильно определить элементарные виды деформаций в зависимости от режимов сварки, жесткости свариваемых элементов и других параметров, которые используются для рас­чета перемещений конструкции [17].