Причины возникновения напряжений и деформаций при сварке

Понятия о напряжениях и деформациях металлов при сварке.

Любое силовое воздействие на тело сопровождается возникновением в нем напряжений и развитием деформаций.

Напряжением называют силу, отнесенную к единице площади сечения тела: о = P/F, где о - напряжение, МПа; Р - действующее усилие, Н; F - площадь поперечного сечения детали, м2.

В зависимости от характера приложенных сил различают напряжения растяжения, сжатия, изгиба, кручения и среза.

Деформацией называют изменение размеров или формы тела под действием приложенных к нему сил. Деформации могут быть упругими и пластическими. Если размеры и форма тела восстанавливаются после прекращения силового воздействия, то такая деформация является упругой. Деформацию, остающуюся после снятия нагрузки, называют пластической или остаточной.

Помимо напряжений и деформаций, возникающих в деталях под действием приложенных нагрузок, в них могут быть так называемые собственные напряжения и деформации и существующие в телах при отсутствии внешних сил. К ним относятся и сварочные напряжения, и деформации, наблюдаемые в свариваемых деталях. В зависимости от продолжительности существования их разделяют на временные, существующие в период выполнения сварки, и на остаточные, устойчиво сохраняющиеся в течение длительного времени после сварки. В зависимости от характера и объемов распределения напряжения различают одноосные (линейные), двуосные (плоскостные) и трехосные (объемные), а также напряжения I рода (в макрообъемах тела), II рода (в пределах кристаллических зерен металла) и III рода (в пределах кристаллической решетки).

Сварочные деформации обычно характеризуют прогибами элементов, углами поворота, укорочениями, величинами выхода точек тела из плоскости равновесия и др.

Деформации, приводящие к изменению размеров всего изделия, искривлению его геометрических осей, называют общими. А деформации, относящиеся к отдельным участкам его, называют местными.

Причины возникновения напряжений и деформаций при сварке

Основными причинами возникновения собственных напряжений и деформаций в сварных соединениях и конструкциях являются неравномерное нагревание металла при сварке, литейная усадка, структурные и фазовые превращения в затвердевающем металле при охлаждении.

Неравномерное нагревание металла. Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Процессы сварки плавлением характеризуются местным нагревом металла с образованием неравномерного температурного поля в сварном соединении. При наличии непрерывной связи между нагретыми и холодными участками металла свариваемой детали в нем возникают сжимающие и растягивающие внутренние напряжения. Механизм образования их рассмотрим на примерах. Представим себе металлический стержень, свободно лежащий на сварочном столе. При местном нагреве в центральной части его длина L увеличится на дельта L

Это будет зависеть от коэффициента линейного расширения данного металла, длины нагретой зоны и температуры ее нагрева. В процессе охлаждения удлинение будет уменьшаться и при достижении начальной температуры станет равным нулю. После полного охлаждения стержень восстанавливает первоначальные размеры и в нем не будет ни внутренних напряжений, ни остаточных деформаций.

При местном нагреве того же стержня, жестко закрепленного с обоих концов (рис. 2, б), возможность свободного удлинения его исключается. Поэтому в нем возникают сжимающие внутренние напряжения, при определенных значениях которых произойдет пластическая деформация сжатия и на длине L` (нагретой зоны) он станет толще. При этом напряжения частично исчезнут. При последующем охлаждении стержень должен бы укоротиться, но этому Препятствует жесткое закрепление его, в результате чего в нем возникают растягивающие напряжения.

Аналогичным образом возникают внутренние напряжения и Деформации при наплавке валика на кромку металлической Пластины (рис. 3, а). Наплавленный валик и нагретая часть Пластины будут расширяться и растягивать холодную часть, вызывая в ней деформацию растяжения с изгибом. Сам же валик и нагретая часть пластины будут сжаты, поскольку их тепловому расширению препятствует ее холодная часть. Характер распределения напряжений показан на рис. 3, б. Растягивающие напряжения принято обозначать знаком «+», а сжимающие - знаком «-». В результате такого распределения напряжений пластина прогнется выпуклостью вверх. В процессе остывания наплавленный валик и нагретая часть полосы, претерпев пластическую деформацию, будут укорачиваться. Этому укорочению вновь будут препятствовать слои холодной части металла пластины. Теперь уже наплавленный металл и нагревшаяся часть пластины будут стягивать участки холодного металла. Они сожмутся, и пластина прогнется выпуклостью вниз (рис. 3, в), а остаточные напряжения в ней распределятся, как показано на рис. 3, г.

В реальных условиях изменение температуры от нагретой к холодной зоне пластины происходит постепенно, поэтому таким же образом происходит и распределение напряжений.

Литейная усадка наплавленного металла. При охлаждении и затвердевании жидкого металла сварочной ванны происходит его усадка. Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании увеличивается плотность металла, в результате чего объем его уменьшается. Поскольку металл шва нерызрывно связан с основным металлом, остающимся в неизменном объеме и противодействующим этой усадке, в сварном соединении возникают внутренние напряжения. При сварке происходит продольная и поперечная усадка расплавленного металла, в результате чего в шве образуются продольные и поперечные внутренние напряжения, вызывающие деформации сварных соединений. За счет продольной усадки возникает деформация изделий в продольном направлении относительно оси шва, а поперечная, как правило, вызывает угловые деформации в сварном соединении.

Напряжения от структурных превращений в металле. Наряду с термическими напряжениями при сварке могут возникнуть напряжения, обусловленные превращениями и изменениями структуры основного металла, нагревшегося выше критических температур. При сварке изделий из углеродистых и высоколегированных сталей особенно легко могут возникнуть напряжения при образовании мартенсита, обладающего наибольшим удельным объемом. При сварке низкоуглеродистой стали в интервале критических температур Ас1 и Ас3 в связи с тем что коэффициент линейного расширения для y - железа составляет 1,2*0,00001, а для a - железа – 2*0,00001, наблюдается уменьшение объема при нагревании от Аc1 до Аc3. При охлаждении распад аустенита происходит в интервале Аc2 - Аc1, когда сталь пластична и изменение объема происходит без образования напряжений. Иная картина наблюдается у легированных сталей, склонных к закалке. Распад аустенина в них происходит при более низких температурах (200 - 300°С), когда металл обладает высокой прочностью и меньшей пластичностью. Такое превращение сопровождается возникновением структурных напряжений. Растягивающие напряжения от структурных превращений вызывают дополнительное увеличение деформаций, которые в межпластичных сплавах могут привести к образованию трещин. Поэтому сварочные напряжения в закаливающихся сталях более опасны. Для сварки таких материалов необходимо разрабатывать более сложный технологический процесс.