ТЕОРИЯ сварочных процессов

Типичные поля остаточных напряжений в сварных соединениях

ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПРЯМОЛИНЕЙНЫХ ОДНО - И МНОГОПРОХОДНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Для случаев однопроходной сварки встык с полным проплав­лением пластин (рис. 11.11, а) из низкоуглеродистой стали рас­пределение остаточных продольных напряжений ох в поперечном сечении имеет характерный вид, представленный на рис.

11.11, в. Причина возникновения остаточных напряжений ах — остаточные пластические деформации укорочения гхая в шве и околошовной зоне на ширине 26 „л (рис. 11.11,6). В про­цессе сварки на стадии нагрева происходят пластические дефор­мации укорочения, а на стадии охлаждения — пластические деформации удлинения. Так как пластические деформации на стадии нагрева по абсолютной величине больше, чем на стадии

охлаждения, остаточные пластические деформации представляют собой деформации укорочения. Вследствие этого в шве и около­шовной зоне на ширине 2Ьр возникают остаточные растягиваю­щие напряжения, имеющие максимальное значение стлтах в шве (рис. 11.11, в). Эти напряжения уравновешиваются напря­жениями сжатия в основном металле. Приведенное на рис.

11.11, в распределение остаточных напряжений характерно для случаев, когда сварные пластины не теряют устойчивости, т. е. не нарушается их плоскостность. Это имеет место при сварке пластин в жестком приспособлении, препятствующем нарушению плоскостности, а также приближенно и при сварке пластин средней толщины (6=6... 15 мм) в свободном состоянии. При сварке менее жестких пластин (6<6 мм), как правило, происхо­дит потеря устойчивости, существенно изменяющая распределе­ние напряжений, в особенности напряжений сжатия (рис. 11.11, г).

При сварке низкоуглеродистых сталей максимальные оста­точные напряжения Ox max, как правило, близки к пределу теку­чести металла шва.

Эпюра остаточных напряжений, приведенная на рис. 11.11,6, характерна для сварки пластин из низколегированной и аустенит - ной сталей, титановых сплавов или в общем случае для сварки металлов и сплавов, не претерпевающих структурных превраще­ний при температурах Г<873...973 К - Максимальные остаточные напряжения Охтах при сварке аустенитных сталей обычно превос­ходят предел текучести. Это, по-видимому, связано с большим коэффициентом линейного расширения, а как следствие, большой пластической деформацией, вызывающей упрочнение металла с образованием высоких значений продольных остаточных напряже­ний. В титановых сплавах максимальные остаточные напряже­ния, как правило, ниже предела текучести основного материала в исходном состоянии и составляют (0,7...1,0) ат. При этом высо­кие значения остаточных напряжений соответствуют сварке на интенсивных режимах с большой эффективной мощностью и большой скоростью.

При сварке алюминиевых сплавов характерна особенность распределения остаточных напряжений о* — их некоторое сниже­ние в шве и в прилегающих к шву участках металла (рис. 11.11, д). Максимальные остаточные напряжения ниже предела текучести сплава в исходном состоянии и составляют (0,6...0,8) от.

Остаточные напряжения в легированных сталях, претерпе­вающих структурные превращения на стадии охлаждения при низких температурах (Т<.873...773 К), могут иметь принципиаль­но иной характер распределения. В соответствии с дилатограммой металла, показанной на рис. 11.6 (кривая 2), структурные превра­щения на стадии остывания приводят к резкому увеличению объема. Вследствие этого возникающие на стадии охлаждения растягивающие напряжения снижаются и переходят в сжимаю­щие. После окончания структурных превращений сжимающие напряжения при дальнейшем охлаждении могут снова перейти в растягивающие (рис. 11.11, е, кривая 2), но могут и оставаться сжимающими в шве и околошовной зоне при полном охлаждении (рис. 11.12, е, кривая /). За пределами зоны пластических дефор­маций остаточные напряжения могут быть как растягивающими, так и сжимающими. Это определяется степенью неуравновешенно­сти напряжений в зоне пластических деформаций. Соответствую­щее сочетание режима и условий сварки может приближенно обеспечить условие уравновешенности остаточных напряжений в зоне пластических деформаций. Это означает, что в основном ме­талле за пределами зоны пластической деформации остаточные напряжения будут незначительными и не вызовут коробления листов, т. е. не произойдет потери устойчивости.

В однопроходных сварных соединениях — втавр, внахлестку и угловых — сказанное выше относительно значений и характера распределения продольных остаточных напряжений ах в стыковых швах сохраняет свою силу.

Кроме рассмотренных выше продольных напряжений при сварке встык возникают поперечные напряжения оу. При одно­проходной сварке свободных пластин встык поперечные напряже­ния Оу незначительны по величине. В зависимости от скорости сварки, ширины пластин, характера их фиксации распределение напряжений ау может быть различным. Характерный вид эпюры остаточных напряжений ау по оси шва при автоматической сварке пластин встык представлен на рис. 11.12, а. Напряжения сжатия имеют максимальные значения на конечных участках. В средней части напряжения оу растягивающие и незначительные.

Однако в ряде случаев характер распределения ау может быть иным. Например, при сварке пластин с малой скоростью на конце­вом участке шва возникают большие растягивающие напряжения Gy (рис. 11.12,6). Это объясняется тем, что ранее сваренные участки шва успевают остыть и поперечная усадка, возникающая при сварке концевого участка, приводит к значительным растяги­вающим напряжениям ау, иногда достигающим предела текучести материала.

При подварке дефектов в сварных швах могут также возникать большие растягивающие напряжения, вызванные поперечной усадкой.

Очень неблагоприятны условия сварки участков прерывистых швов в свариваемых элементах, собранных без зазора. На свари­ваемых участках возникает поперечная усадка, которая приводит к появлению напряжений сжатия ау на свободных участках стыка. При этом на концах свариваемых участков возникают большие растягивающие напряжения, которые представляют опасность при наличии концентраторов напряжений в виде щели. Поэтому в ответственных конструкциях не рекомендуется исполь­зовать сварные соединения с прерывистыми швами.

При многопроходной сварке пластин встык в общем случае (рис. 11.13, а) возникают остаточные напряжения — продольные ах, поперечные ау и в направлении толщины аг. Однако при толщинах 8<40...80 мм сопротивление усадке металла по толщи­не незначительное, и поэтому напряжения а2 малы. Формирова­ние продольных напряжений ох при укладке каждого очередного валика многослойного шва качественно подобно однопроходной сварке. Последующие валики незначительно изменяют значение остаточных напряжений ах, и поэтому их распределение по толщине можно считать равномерным (рис. 11.13,6).

Формирование поперечных напряжений ау происходит вслед­ствие поперечной усадки укладываемого валика и под сильным воздействием поперечной усадки последующих валиков. В связи с этим распределение напряжений ау по толщине отличается значительной неравномерностью.

При укладке очередного валика Дzn (рис. 11.13, а) в резуль­тате поперечной усадки в нем возникают остаточные поперечные напряжения растяжения. Нижележащие участки металла шва оказывают сопротивление усадке слоя п, поэтому в них возника­ют сжимающие поперечные напряжения. Кроме этого, без за­крепления пластин происходит угловая деформация, вызываю­щая пластические деформации удлинения еу и соответственно поперечные напряжения растяжения ау в нижних слоях на­плавленного металла. Совокупное воздействие указанных фак­торов приводит к неравномерному распределению поперечных напряжений (кривая 1 на рис. 11 13, в). На поверхности шва растягивающие напряжения достигают 0,5сгт и более В корне

шва остаточные растягивающие напряжения весьма значитель­ны, они могут быть на уровне временного сопротивления матери­ала ов. Если сварка пластин осуществляется в приспособлении, препятствующем возникновению угловых деформаций, то в корне шва возникают сжимающие напряжения (кривая 2 на рис. 11.13, в). При других схемах закрепления пластин, частично препятствующих угловому повороту, возможны эпюры распреде­ления напряжений, промежуточные между кривыми / и 2 на рис. 11.13, в.

ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫХ

СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

При электрошлаковой сварке соединение формируется сразу по всей толщине. Возникающие остаточные напряжения в зна­чительной степени зависят от толщины металла. При толщинах до 100 мм усадка металла шва и высокотемпературной около­шовной зоны в направлении толщины происходит свободно, по­этому остаточные напряжения в направлении толщины ог не­значительные Продольные остаточные напряжения о* достигают предела текучести металла, и их распределение в поперечном сечении подобно случаю однопроходной сварки пластин встык. При дальнейшем увеличении толщины механизм образования остаточных напряжений изменяется, так как усадка металла в направлении толщины не может при этом происхо­дить беспрепятственно. Вследствие это­го возникают значительные остаточные растягивающие напряжения ог. С рос­том толщины свариваемого металла при электрошлаковой сварке наблю­дается неравномерность распределения температур по толщине, вызванная теплоотдачей с поверхностей. При этом температура в глубине шва выше, чем на поверхностных участках. На стадии охлаждения это приводит к появлению растягивающих поперечных напряже­ний Оу в глубине металла шва.

На рис. 11.14 представлены харак­терные эпюры распределения остаточ­ных компонентов напряжений по оси шва в электрошлаковой сварном сое­динении толщиной б = 700 мм, полу­ченные непосредственными измерения­ми. На поверхности сварных соедине­ний остаточные продольные напряже­ния Ох невелики. Напряжения о* су­щественно возрастают на глубине шва,
принимая в середине толщины максимальные значения порядка предела текучести свариваемого металла от. Напряжения ог— растягивающие — на поверхности равны нулю и возрастают к середине толщины. Напряжения оу на поверхности сварных соединений сжимающие, а в глубине швов — растягивающие, достигая при этом значений, близких к пределу текучести метал­ла. С ростом толщины свариваемого металла следует ожидать возрастаний значений компонентов остаточных напряжений ах, Оу и ог в глубине шва, что в условиях объемного напряженного состояния может приводить к хрупким разрушениям на стадии остывания сварной конструкции.

НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ОСЕСИММЕТРИЧНОМ НАГРЕВЕ

Осесимметричное распределение температур возникает при контактной точечной сварке, при дуговой сварке электрозакле - почных соединений, при термической правке. При этом возни­кает осесимметричное поле напряжений, характеризуемое ком­понентами Or и 00 плоского напряженного состояния в полярных координатах. Наиболее просто выполняется упругое решение. Для осесимметричного нагрева пластины с произвольным зако­ном изменения температуры в радиальном направлении известно следующее упругое решение:

аЕ

ar = C-^Trdr,

Г О

Г

С - оЕТ+-^ Trdr,

09 =

где С — постоянная, определяемая из граничных условий на контуре круглой пластины; для свободного контура пластины радиусом R принимают при r = R о,= 0; для пластины бес­конечной протяженности постоянная С = 0.

При введении в пластину толщиной б некоторого количества теплоты Q распределение температуры описывается зависимостью

Г = —(11.15)

4 Л АО Г

где Я — коэффициент теплопроводности; а — коэффициент тем­пературопроводности; b — коэффициент температуроотдачи.

После подстановки (11.15) в (11.14) и выполнения интегри­рования, получаем формулы для вычисления компонентов, воз­никающих при осесимметричном нагреве напряжений в беско­нечной пластине:

aEQ 4at,

bt.

Or--

На рис. 11.15 в качестве иллюстрации представлен характер распределения в радиальном направлении компонентов напря­жений, выраженных в долях от аЕТ. В центральной нагретой части пластины возникают напряжения сжатия (как в радиаль­ном направлении — аГ, так и в окружном — сте).

В реальных случаях сварки в центральной части пластины при нагреве возникают пластические деформации укорочения, вызванные действием сжимающих напряжений ог и ое, поэтому при последующем охлаждении в пластине появляются остаточ­ные напряжения. На рис. 11.16 показано характерное распреде­ление остаточных напряжений и, и Ое в радиальном направле­нии. При этом можно выделить три зоны. В зоне I остаточные напряжения (как аг, так и ое) растягивающие и, как правило, достигают значений предела текучести материала, т. е. ог = = 0-0=0,. В зоне II интенсивность напряжений <т„ вычисленная по значениям компонентов аг и ав, приблизительно равна пределу текучести, т. е. о, = о,. В зонах / и // происходят пластические деформации. В зоне III на стадиях нагрева и остывания возни­кают только упругие деформации. В этой зоне компоненты напряжений аг и оэ уменьшаются по абсолютным значениям примерно обратно пропорционально квадрату радиуса.