МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ПРИРОДООХРАННОГО И КУРОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Кафедра: «Металлические и деревянные конструкции»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы №13

«ИЗУЧЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ»

для студентов строительных специальностей

дневной и заочной формы обучения

Симферополь, НАПКС 2011г.

Методические указания к выполнению лабораторной работы №13 по сварке металлов и пластика «Изучение деформаций и напряжений в сварных соединениях» по дисциплине «Металловедение и сварка» для студентов строительных специальностей / составители: Корохов В.Г., Бусарова Н.Я. – Симферополь: НАПКС, 2011г. – 30с.

Методические указания к выполнению лабораторной работы разработаны в соответствии с программой курса для строительных специальностей и рекомендациями Московского, Киевского и Днепропетровского инженерно-строительных институтов, а также Московского института стали и сплавов по методике подготовки, проведения и обработки результатов лабораторного практикума.

Одобрено и рекомендовано к печати на заседании учебно-методической комиссии АСФ мая 2011 года, протокол №.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Металлические и деревянные конструкции» 18 мая 2011г., протокол №8.

Составители: В.Г. Корохов, к.т.н., профессор НАПКС

Н.Я. Бусарова, преподаватель.

Рецензент: И.В. Головченко, к.т.н., доцент

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой «Металлические и деревянные конструкции» Морозов А.Д., кандидат технических наук, профессор.

Лабораторная работа №13.

«Изучение деформаций и напряжений

в сварных соединениях»

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Изучить причины возникновения напряжений и деформаций в сварных соединениях для их минимизации и снижения влияния на качество сварных конструкций – изменение геометрической формы, трещинообразование, остаточные напряжения.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. Понятия о напряжениях и деформациях.

Сварку широко применяют в машиностроении, при ремонтных работах, и в строительстве при изготовлении металлоконструкций, соединении арматуры, прокладке трубопроводов, в том числе магистральных линий.

Сварка металлических конструкций, сопровождается нагревом мест сварки с расплавленном в них металле и последующим охлаждением: шов в состоянии кристаллизации имеет температуру около 1500°С, а околошовная зона заготовки, которая не расплавлялась – нагрета до меньших температур – от 1200°С с понижением температуры в направлении удаления от шва. После завершения сварки шов и околошовная зона охлаждаются до единой температуры окружающей среды и уменьшаются в объеме по-разному: шов – больше, а заготовки – меньше, так как охлаждены от разных начальных температур. Но после сварки заготовка и шов представляют собой единую конструкцию, в которой разные участки металла сокращаются по-разному. Это и вызывает в конструкциях внутренние напряжения. Эти напряжения называются собственными напряжениями, тан как возникают в изделии без приложения внешних сил. Собственные напряжения различаются по времени существования, характеру распределения, объему изделия и направлению в пространстве.

По первому признаку (времени существования) собственные напряжения возникают в изделиях при неравномерном нагревании, т.к. при равномерном нагреве изделия происходит его свободное расширение без возникновения напряжений. Если же осуществляется неравномерный нагрев изделия, то связи нагретых участков с ненагретыми, препятствуют свободному разрушению изделия. Вследствие этого возникают температурные собственные напряжения, существующие при отсутствии приложенных к нему внешних сил. Температурные напряжения, возникающие в процессе сварки, принято называть временными напряжениями.

Временные напряжения существуют в изделии в процессе сварки на всех стадиях нагрева, выравнивания температур и охлаждения.

Если при этом напряжения в любом объеме изделия не превысят предела упругости, они исчезают после охлаждения изделия.

Неравномерный нагрев и изменение объема металла вследствие температурного расширения, фазовых или структурных превращений приводят к возникновению упругих и пластических деформаций.

Деформация – это изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением. Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления, вызвавшей ее нагрузки и пластической, если она после снятия нагрузки не исчезает.

Коробление – это искажение формы, связанное с изменением размеров изделия после пластической деформации.

Условия, вызывающие изменение геометрических размеров, деформацию и коробление связаны зависимостью:

σ = К·Е,

где:

σ – напряжения, возникающие в изделии;

К – величина деформации; К= ∆l₀ /l₀ ;

Е – модуль упругости;

l₀ – длина изделия;

∆l₀ – приращение длины изделия, которое оно получает

при свободном удлинении , ∆l₀ =l₀ ·α · Т ;

α – коэффициент линейного расширения;

Т – температура нагрева.

Подставив преобразованное значение: К = ∆l₀ / l₀ = l₀ ·α · Т / l₀ = α · Т, получим: σ = Е· α · Т.

Так как модуль упругости для каждого металла величина постоянная, то напряжение зависит от коэффициента линейного расширения (α ) и температуры нагрева (Т).

В результате пластических деформаций в сварных элементах после полного охлаждения остаются собственные напряжения, которые называются остаточными напряжениями. Эти напряжения также возникают при сварке, вследствие неравномерного нагрева изделия. Напряжения, возникающие при сварке, иногда достигают величины предела текучести, т.е. в сварной конструкции еще до приложения к ней полезной нагрузки действуют напряжения, превышающие допускаемые. Вместе с тем прочность сварной конструкции может оказаться выше расчетной, когда остаточные сварочные напряжения и рабочие напряжения будут разного направления и поэтому они взаимно компенсируются. При этом остаточные сварочные напряжения являются резервом повышения прочности сварной конструкции.

Если металл обладает достаточной пластичностью и работает при статических нагрузках, то остаточные напряжения практически не влияют на прочность изделия. На величину остаточных напряжений оказывают влияние форма детали, размеры и расположение сварных швов.

Собственные напряжения, как временные, так и остаточные, в зависимости от объема (детали, конструкции) в пределах которого они взаимно уравновешены классифицируются на:

- напряжения первого рода, которые уравновешиваются в макрообъеме, соизмеримым с целым изделием. Величина напряжений первого рода может быть определена расчетным путем или экспериментально, причем последний способ более предпочтителен. Особенности этих напряжений, механизм возникновения и влияние их на прочность сварных конструкций изучены достаточно. Поэтому в дальнейшем при рассмотрении вопросов сварочных напряжений речь будет идти только о напряжениях первого рода.

- напряжения второго рода, уравновешиваются в микрообъемах тела, соизмеримых с размерами одного или нескольких зерен. Такие напряжения не имеют определенной ориентировки и не зависят от формы изделия. Величину этих напряжений можно определить рентгенографированием.

- напряжения третьего рода связаны с искажением кристаллических решеток и уравновешиваются в крайне малых объемах. Эти напряжения не ориентированы определенным образом и не зависят от формы и размеров изделия. Величину напряжений этого рода также определяют рентгенографированием.

Собственные сварочные напряжения всегда являются объемными. Однако в большинстве случаев, составляющие собственных объемных напряжений, действующие по одной или двум осям малы по величине и ими пренебрегают. Поэтому, условно, по направлению в пространстве собственные напряжения подразделяют на:

– одноосные – линейные в конструкциях простой геометрической формы, например, сварные стержни;

– двухосные – плоскостные, например, при сварке листовой конструкции непараллельными швами (характерный случай – перпендикулярно расположенными швами);

– трехосные – объемные в конструкциях сложной геометрической формы, например, в бункерах с ребрами жесткости и стойками.

Напряжения, действующие вдоль сварного шва, называются продольными напряжения, а действующие перпендикулярно к продольной оси шва в плоскости свариваемых элементов – поперечными напряжения.

Независимо от характера распределения собственные напряжения в любом сечении, полностью пересекающем тело, всегда уравновешены.

Собственные напряжения очень вредны, поскольку при значительной величине деформируют конструкцию, усложняя условия ее монтажа и последующей эксплуатации, приводят к появлению трещин в местах сварки, а такие к снижению несущей способности конструкций, особенно тех случаях, когда напряжения, вызываемые внешними усилиями, совпадают по знаку и складываются с собственными напряжениями. При этом, усилия, действующие на сварную конструкцию, могут оказаться значительно больше расчетных. Поэтому для повышения надежности создаваемых сварных конструкции необходимо стремиться исключить возникновение в них собственных напряжений и вызываемых ими деформаций или свести их к минимуму. Это достигается и грамотным проектированием конструкций, и рациональным технологическим процессом сборки и сварки, которые необходимо неукоснительно соблюдать; в некоторых же случаях это достигается и соответствующей термообработкой конструкций уже после сварки.

В отличие от напряжений и деформаций, создаваемых внешними нагрузками, собственные напряжения, образующиеся в макро- или микрообъемах свариваемого металла, создаются в результате неравномерного нагрева и охлаждения металла, а также превращений в сталях, склонных к закалке (особенно в легированных сталях), так как образование мартенсита сопровождается увеличением объема металла в околошовной зоне и сварном шве.

Собственные напряжения создаются в сварных конструкциях не только из стали, но и из алюминиевых, медных, титановых сплавов.

2.2. Причины возникновения напряжений и деформаций при сварке

При нагревании все металлы расширяются, а при охлаждении – сжимаются. Однако при сварке нагревается не весь металл, а лишь узкая его полоса, шириной «в» (Рис. 1).

Рис. 1. Схема образования напряжений при сварке.

Этот участок III расширится на величину ∆l, так как соседние участки I и II, связанные с ним, будут препятствовать расширению. В участке III возникнут напряжения сжатия, а в участках I и II - растяжения. При охлаждении после сварки участок III сожмется на величину ∆l < ∆l, так как дальше препятствуют участки I и II. В среднем участке III останутся напряжения растяжения «+», а в наружных участках I и II – напряжения сжатия «–».

Напряжения и деформации, возникающие при сварке от неравномерного нагревания и охлаждения изделия, называются тепловыми или термическими.

2.3. Механизм образования сварочных напряжений и деформаций

Сварка протекает в широком интервале температур: от температуры окружавшей среды до 3000...4000°С. При этом интенсивному нагреву подвергаются небольшие объемы металла – шов и околошовная зона. С удалением от оси шва температура нагрева заготовок снижается, периферийные участки свариваемых изделий могут, вообще не нагреваться. Равномерный нагрев и охлаждение лежащего элемента не вызовут появления в нем ни временных напряжений в процессе нагрева, ни остаточных напряжений после охлаждения. Однако, если элемент закреплен, то даже равномерный его нагрев вызывает появление в элементе напряжений. Неодинаковость нагрева сечений металла, различно удаленных от шва, очень высока. Между нагретыми (увеличивающимися в объеме) и не нагретыми (не изменившимися) слоями металла возникают напряжения. Если возникающее напряжения не превысят предела упругости металла, то после охлаждения они исчезнут, не вызвав остаточной деформации изделия. В том же случае, если напряжения в каком-либо объеме элемента превысят предел упругости и достигнут величины предела текучести, в элементе произойдут некоторые смещения сечений, и после охлаждения возникнут остаточные напряжения. Остаточные напряжения возникают при сварке, если элемент не имеет внешних закреплений, но нагревается или охлаждается неравномерно. Роль закрепления нагреваемых элементов в этом случае играют ненагретые слои металла.

Рассмотрим механизм возникновения собственных напряжений и деформаций при наплавке сварного шва. В процессе наложения валика шва быстрому высокотемпературному нагреву подвергаются только свариваемые кромки пластин и околошовная зона, а отдельные от них участки остаются не нагретыми. В процессе нагрева при сварке возникнут напряжения: в сваренных кромках – сжатия, так как соседние слои препятствовали их свободному удлинению, а в участках металла слева и справа от этих кромок – напряжения растяжения. Поскольку в процессе нагрева напряжения сжатия кромок и шва, как правило, превосходят пределы упругости и текучести, которые очень малы в нагретом металле, то шов и околошовная зона претерпят пластическую деформацию сжатия.

При охлаждении же шов и околошовная зона будут стремиться укоротиться на величину полученной деформации сжатия, но этому препятствуют соседние участки металла, которые укоротятся на меньшую величину, так как были меньше нагреты. После полного охлаждения сваренной детали в ней возникнут остаточные сварочные напряжения:

– в шве и околошовной зоне – растяжения, то есть они будут стремиться сжаться и тянуть металл соседних слоев «на себя»;

– в соседних со швом участках – сжатия.

В результате действия этих напряжений в сварной конструкции будут участки, где произойдет пластическая деформация, и участки с остаточными сварочными напряжениями. Чаще всего это участки шва и околошовной зоны. Протяженность этих участков в поперечном шве направлении зависит от многих факторов, главным из которых является количество тепла, полученное при сварке, способ сварки, продолжительность нагрева металла, количество наплавленного металла, геометрическая форма и размеры изделия.

Максимальные растягивающие направления в низкоуглеродистых сталях обычно достигают в шве и околошовной зоне значений предела текучести. Далее в зоне термического влияния они уменьшаются, падают до нуля и затем переходят в сжимающие в основном металле изделия.

В сталях, титановых и алюминиевых сплавах распределения остаточных напряжений имеют, как правило, одинаковый характер.