3. Упрощенная схема образования деформаций и перемещений при однопроходной стыковой сварке пластин

Рассмотрим случай сварки встык двух одинаковых по ширине пластин. Будем считать активной зоной ту часть сварного соединения, в которой при нагреве происходят пластические деформации укорочения, а пассивной - остальные части свариваемых пластин и закрепления (рис. 4, а). Зона пластического укорочения включает в себя, кроме шва, основной металл, температура нагрева которого превысила некоторый уровень ΔТ_т, зависящий от свойств металла (ΔТ_т повышается с ростом предела текучести σ_т и снижается с ростом модуля упругости E и коэффициента линейного расширения α) и от жесткости свариваемых деталей (ΔТ_т снижается с ростом жесткости). При сварке пластин из малоуглеродистой стали ΔТ_т обычно составляет 150-250º, то есть активная зона может занимать существенную часть (до половины) от всей ширины свариваемых пластин.

Если площади сечения активной и пассивной зон соизмеримы, то в пластинах возникают существенные наблюдаемые деформации и перемещения. При нагреве металл активной зоны расширяется (рис. 4, б), одновременно снижается его предел текучести σ_т. Расширение происходит в трех направлениях (светлые стрелки на рис. 4, б). Степень расширения по трем осям не одинакова.

Расширению вдоль оси шва препятствует пассивная зона. Расширению в поперечном направлении препятствуют закрепление свариваемых деталей в сварочных приспособлениях, прихватки, ранее наложенные швы и остывающий уже заваренный участок данного шва. Под действием продольных и поперечных сил в активной зоне возникают временные напряжения сжатия по двум осям. В пассивной зоне при этом возникают временные напряжения растяжения в продольном направлении и сжатия в поперечном.

Рис.4. Схема образования перемещений в свариваемых деталях:

а – активная и пассивная зоны при сварке;

б, в – деформации активной зоны на стадиях нагрева и охлаждения

Наименьшие препятствия расширению металла наблюдаются в направлении толщины пластин. Поэтому расширение металла активной зоны по трем осям неодинаковое: расширение в направлении толщины существенно больше, чем в плоскости пластин. В результате, даже при сварке без присадки, образуется характерная выпуклость сварного шва.

Значительные пластические деформации, сопровождающие такое неравноосное расширение возможны потому, что в нагретом металле понижен предел текучести.

При остывании активная зона возвращается к своему первоначальному объему, одновременно в ней восстанавливается исходный уровень предела текучести материала. Поэтому, несмотря на сопротивление пассивной зоны, сокращение активной зоны идет более равномерно по всем трем направлениям (рис. 4, в).

В результате после остывания сварное соединение становятся короче в направлении вдоль оси шва. Это явление называется продольной усадкой. В продольном направлении действуют остаточные сварочные напряжения: растягивающие в активной и сжимающие в пассивной зоне. Остаточные напряжения в активной зоне близки к пределу текучести металла этой зоны. Напряжения в пассивной зоне тем выше, чем больше доля активной зоны в поперечном сечении свариваемой пластины. Если эта доля достигает половины, то остаточные напряжения в пассивной зоне также достигают предела текучести.

Активная зона и все сварное соединение испытывают в результате сварки также сокращение в поперечном направлении (поперечную усадку). Остаточные напряжения в поперечном направлении (после освобождения пластины от закрепления) существенно меньше, чем в продольном.

Если сварку проводят в жестком контуре, то есть свариваемые пластины не освобождают от закрепления после сварки, то это препятствует поперечной усадке и приводит к изменению распределения остаточных напряжений. Чем больше жесткость закреплений в поперечном направлении и чем ближе закрепления к шву, тем выше поперечные остаточные напряжения. При малом расстоянии между закреплениями поперечные напряжения достигают предела текучести.

Продольная и поперечная усадка сопровождается увеличением толщины активной зоны (выпуклость шва, возникшая при нагреве, сохраняется после остывания). Поскольку расширение и сокращение металла в направлении толщины происходит достаточно свободно, значительные напряжения в этом направлении возникают только при большой толщине свариваемых деталей. Все искажения формы и размеров при сварке тонких пластин связаны, главным образом, с деформациями активной зоны в плоскости пластины, деформации в направлении толщины слабо влияют на искажения формы и размеров сварных конструкций.

Нагрев пластин при сварке, как правило, неравномерный по толщине пластин. Со стороны сварочного источника нагрев сильнее. Поперечная усадка с этой стороны также сильнее. В результате неравномерной по толщине поперечной усадки возникает угловая деформация – взаимный поворот свариваемых пластин вокруг продольной оси шва (рис. 5). Если пластины закреплены, то возникает изгибающий момент, ось которого параллельна оси шва, и напряжения от изгиба.

Рис.5. Угловая деформация β из-за неравномерной поперечной усадки

При сварке двух незакрепленных пластин разной ширины укорочение больше со стороны более узкой пластины. В результате происходит искривление сварного соединения в плоскости свариваемых пластин (рис. 6).

Рассмотренная схема является достаточно грубой, она предназначена для создания общего представления о процессах образования сварочных деформаций и напряжений. В последующих разделах эти процессы рассмотрены более подробно.

Рис.6. Искривление от продольной усадки при сварке двух пластин разной ширины