ТЕОРИЯ сварочных процессов

СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ Основные понятия и термины

При сварке происходит изменение формы и размеров свари­ваемых деталей в результате их неравномерного расширения при нагреве.

Сварочными перемещениями называются смещения одних то­чек детали по отношению к другим, которые приводят к измене­нию ее формы и размеров.

Сварочными деформациями называются изменения размеров деталей при сварке. Если начальное расстояние между двумя точ­ками детали было равно /, то его изменение Д/ в результате пере­мещений точек называется абсолютной деформацией, а отношение Д/ к начальному расстоянию 1 - относительной деформацией

Е„=у. (11.1)

Деформации, которые можно зарегистрировать непосредст­венно измерительными приборами или вычислить по измеренным изменениям размеров (11.1), называются наблюдаемыми. При сварке они являются результатом двух одновременно протекаю­щих физических процессов - теплового расширения металла и си­лового взаимодействия соседних неодинаково расширяющихся слоев - и могут быть представлены в виде суммы двух деформа­ций: свободной температурной деформации еа, вызванной из­менением температуры, и собственной деформации єс, вызванной действием упругих сил, т. е.

Єн=8а+8С. (11.2)

Рассмотрим эти два физических процесса на примере пластины (рис. 11.1), часть которой диаметром / (пятно нагрева) испытывает

Рис. 11.1. Изменение размера активной зоны при неравномерном нагреве пластины: а - исходное состояние при температуре Г0; б - свободное расширение активной зоны при ее нагреве до температуры Тх > Т0; в - расширение ак­тивной зоны при таком же нагреве, но под действием реакций со стороны окружающей пассивной зоны

местный нагрев, в то время как в части пластины, окружающей пятно нагрева, температура изменяется незначительно.

При нагреве происходит расширение материала. Изменение температуры АТ вызывает в каждой точке нагретой зоны свобод­ную температурную деформацию

єа = аДГ. (11.3)

Коэффициент линейного расширения а, как и єа, является харак­теристикой материала, зависящей от температуры.

В каждой части детали при ее неравномерном нагреве или ох­лаждении можно условно выделить две зоны: активную, в которой температура изменяется быстрее, чем в окружающем материале (ее расширение и сокращение является причиной возникновения деформаций), и пассивную, оказывающую сопротивление расшире­нию и сокращению активной зоны. В рассматриваемом примере активной зоной является пятно нагрева диаметром / (рис. 11.1, л), а пассивной - остальная часть пластины. При свободном расширении (рис. 11.1, б) размер активной зоны увеличился бы в соответствии с формулой (11.3). Но пассивная зона является для активной зоны «упругой заделкой». На границе между зонами возникают внут­ренние силы (реакции), действующие на активную зону со сторо­ны пассивной и уменьшающие ее наблюдаемую деформацию. По­этому в активной зоне наблюдаемая деформация меньше свободной температурной деформации | єн|<| ва| (рис. 11.1, в).

Такие же по значению и противоположные по направлению силы действуют со стороны активной зоны на окружающую ее

пассивную зону. Под действием этих внутренних сил в материале возникают собственные напряжения о, которые вызывают собст­венные деформации материала ес, обеспечивающие стыковку ак­тивной и пассивной зон. Они называются собственными (иногда также внутренними) потому, что возникают при отсутствии внеш­них сил. В процессе изменения температуры деформации и напря­жения изменяются таким образом, что в каждой точке детали со­храняются равновесие напряжений и совместность деформаций, т. е. условия отсутствия разрывов.

При медленном равномерном нагреве детали, например в печи, собственные деформации малы, тогда єн «єа. При сварке детали в пассивной зоне (вдали от шва, где температура меняется незна­чительно) єн «вс, в активной зоне ен <еа, так как свободные и собственные деформации имеют разные знаки. Чем больше жест­кость пассивной зоны, тем сильнее ее сопротивление расширению активной зоны, выше уровень собственных напряжений и дефор­маций и больше разница между свободными температурными (єа)

и наблюдаемыми (єн) деформациями активной зоны. При высокой жесткости пассивной зоны, например при наплавке узкого валика на широкую и толстую пластину, наблюдаемые деформации прак­тически отсутствуют, тогда ес « - еа.

С уменьшением жесткости пассивной зоны наблюдаемые де­формации и перемещения в ней увеличиваются. При этом собст­венные деформации и напряжения в активной зоне уменьшаются. .Применяемые при сварке сборочно-зажимные приспособления также входят в состав пассивной зоны и увеличивают ее жест­кость.

Как правило, жесткость свариваемых деталей неодинакова по различным направлениям. Например, в тонкой пластине сопротив­ление расширению активной зоны в плоскости пластины сущест­венно сильнее, чем в перпендикулярном плоскости направлении (по толщине пластины). Соответствующие компоненты напряже­ний и наблюдаемых деформаций также различны. В направлении по толщине пластины напряжения малы, а наблюдаемые деформа­ции существенно выше, чем в плоскости пластины. В стержне наибольшие напряжения и наименьшие наблюдаемые деформации при сварке возникают в направлении вдоль оси стержня.

Собственные деформации состоят из упругих и пластических деформаций:

Если собственные напряжения не достигают предела текучести материала, то собственные деформации являются упругими. В этом случае после полного остывания происходит полная разгруз­ка - напряжения и все виды деформаций убывают до нуля. В тех зонах нагреваемой детали, где напряжения достигают предела те­кучести, возникают пластические деформации. В этом случае по­сле полного остывания в детали сохраняются напряжения, а также собственные и наблюдаемые деформации. Собственные напряже­ния, действующие в сварном соединении в процессе сварки, назы­ваются временными, а после полного остывания - остаточными.

Собственные напряжения в активной и пассивной зонах, как временные, так и остаточные, взаимно уравновешены. По объему, в котором достигается равновесие, различают собственные напря­жения первого, второго и третьего рода. Напряжения первого рода всегда уравновешены в пределах любого сечения, полностью пе­ресекающего конструкцию (включая зажимные приспособления). Напряжения второго и третьего рода уравновешены в микрообъе­мах (в пределах зерна и атомной решетки). Как правило, опреде­ляют и непосредственно используют в расчетах только напряже­ния первого рода. Собственные напряжения и деформации могут быть одноосными (линейными), двухосными (плоскостными) и трехосными (объемными).