6. Термодеформационные процессы при сварке

Понятие о сварочных деформациях и напряжениях

При равномерном нагреве материала происходит его свобод­ное расширение без возникновения внутренних напряжений.

Если же осуще­ствляется неравномерный нагрев тела, то связи нагретых участ­ков с ненагретыми препятствуют свободному расширению тела. Вследствие этого в теле возникают температурные 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.

Собственные напряжения, как временные, так и остаточные, подразделяют в зависимости от объема их взаимного уравно­вешивания:

• 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 _х.

Напря­жения, действующие в плоскости соединяемых элементов перпен­дикулярно оси шва, называют поперечными и обозначают _у.

Напряжения, действующие в направлении, перпендикулярном плоскости соединяемых элементов, называют напряжениями по толщине сварного соединения и обозначают _z.

Сварочные деформации в общем случае определяют изменение линейных и угловых размеров тела и характеризуют состояние отдельных участков тела.

Деформации при сварке обусловлены двумя причинами:

• свободная деформация, вызванная изменением температу­ры

где  — коэффициент линейного расширения металла с привязкой к температурному интервалу, 1 /К;

έ – относительное удлинение (δL/L),

Т — изменение температуры точки тела, К.

• структурные изменения, происходящие в металле, также приводят к возникновению напряжений и деформаций.

Структурные изменения могут происходить как при изменении температуры, так и во времени под воздействием накопленных остаточных напряжений.

При использовании упрощенных методов определения остаточных напряжений и деформаций структурные изменения во внимание не принимаются.

Рассмотрим процесс изменения деформаций и напряжений в активной зоне широкой пластины при прохождении по ее краю движущегося источника теплоты (сварочной дуги).

Поскольку препятствия расширению металла по толщине и в сторону края пластины отсутствуют, напряжения являются одноосными и действуют параллельно краю пластины (вдоль траектории движении источника).

По мере приближения источника к некоторой точке пластины температура в ней повышается, а после прохождения источника мимо этой точки вновь снижается до температуры окружающей среды (рис. 11.2).

П рямо пропорционально изменению температуры растет, а затем убывает свободная температурная деформация _.

Поскольку широкая пассивная зона пластины препятствует расширению небольшой активной зоны у края пластины, в активной зоне возникают сжимающее напряжение  и деформация укорочения _с  - _, которая компенсирует деформацию удлинения от нагрева _.

Если напряжение при нагреве не достигает предела текучести материала, то вся собственная деформация является упругой. При остывании происходит полная разгрузка и остаточное напряжение не образуется.

Если же напряжение достигает предела текучести от (в точке Б на рис. 11.2), то рост напряжения и упругой деформации прекращается, дальнейшее увеличение собственной деформации при продолжении нагрева происходит за счет роста пластической деформации укорочения _пл.