Механизм образования временных и остаточных сварочных напряжений

Механизм образования сварочных напряжений и деформаций.Сварка металлов протекает в широком интервале температур: от температуры окружающей среды до 3000—4000° С. При этом интенсивному нагреву подвергаются небольшие объемы металла — шов и околошовная зона. С удалением от оси шва температура нагрева снижается, периферийные, участки свариваемых изделий могут вообще не подвергаться нагреву. Через определенный промежуток времени после начала сварки в теле изделия наступает предельное температурное состояние, характеризующееся постоянным положением изотерм в металле относительно источника тепла. После наступления предельного температурного состояния изотермы и источник тепла движутся с одинаковой скоростью, и различные сечения свариваемого изделия претерпевают в разные моменты времени одинаковые температурные состояния. Неравномерность нагрева пластины очень высока.

Равномерный нагрев и охлаждение свободно 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. Если возникающие напряжения не превысят предела упругости, то к моменту полного охлаждения (до исходной температуры) элемента они исчезнут. Если же напряжения в каком-либо объеме элемента превысят предел упругости и достигнут величины предела текучести, то в элементе появятся после его охлаждения остаточные напряжения. Аналогичным образом возникают остаточные напряжения, если элемент не имеет внешних закреплений, но нагревается или охлаждается неравномерно так, как это происходит при сварке. Роль закреплений в этом случае играют ненагретые части элемента,

Возникающие при сварке деформации разделяют на временные, существующие только во время сварки конструкции, и остаточные, остающиеся после завершения сварки и остывания конструкции. Важное значение для практики имеют остаточные сварочные деформации. В зависимости от характера, формы и размеров свариваемых деталей различают деформацию в плоскости и деформацию из плоскости соединяемых элементов. Деформация в плоскости проявляется в изменении (уменьшении) размеров конструкции, с чем необходимо считаться при заготовке деталей и сборке под сварку, предусматривая припуск на изменение размеров.

Деформация из плоскости (угловая деформация) проявляется в образовании выпучин («хлопунов»), местном изгибе листов, в так называемом грибовидном изгибе пояса при сварке элементов тавровых и двутавровых сечений, а также в других изменениях формы изделий. Величина и характер остаточных деформаций в значительной степени определяются толщиной и свойствами основного металла, режимом сварки, последовательностью наложения швов, конструктивными формами свариваемых деталей и формой шва. При увеличении толщины свариваемого металла деформации снижаются, что связано с большей жесткостью конструкции.

 

31. Примеры распределения остаточных напряжений в сварных соединениях.

Современные представлення о распределении собствен­ных напряжений в сварных соединениях сложились на ос­нове экспериментальных и расчетных данных. Поля этих напряжений крайне многообразны и изменчивы от случая к случаю. Наиболее стабильный характер имеют остаточные напряжения вдаль швов ая. В образцах толщиной до 15...20 мм, сваренных за 1...3 прохода плавлением, струк­турные превращения в которых завершаются при высоких температурах, распределение напряжений имеет вид, пока­занный на рис. 6.12, а...г. В низкоуглеродистых и аусте - нитных сталях максимальные напряжения ах наблюдаются в шве и вблизи него. Они примерно равны пределу теку­чести. В титановых и алюминиевых сплавах максимальные напряжения могут составлять (0,5...0,8)от, а иногда и

ниже. Более высокие напряжения возникают при сварке мощными источниками с высокой скоростью. В зоне, не­сколько меньшей зоны пластических деформаций, дейст­вуют растягивающие напряжения. За пределами этой зоны

100 І50

 

''"•Х-Л— ЛА

 

Рис. 6.12. Распределение остаточных напряжений ах вблизи шва сварных пластин:

 

а — низкоуглеродистая сталь СтЗ (5=8 мм); б — аустеимтиля сталь 12X18H9T (s=2) мм; а — титановий сплав ОТ4 (їм 1.5 мм), а — алюминиевый сплав АМгб (5=10 мм)

 

 

е. МПа

 

ISO л so О 150!/. ММ

 

I

 

SO

напряжения обычно сжимающие и мало меняются по шири­не пластины. Из-за искривления пластин вовремя сварки или от изгиба напряжения ах вдалеке от оси шва могут быть близкими к нулю или даже растягивающими.

Структурные превращения, если они происходят при температурах ниже 300....400 "С, существенно изменяют характер напряжений в зоне пластических деформаций. Центральная часть — шов и зона термического влияния — испытала при нагреве и остывании структурные превраще­ния (рис. 6.13, а), которые завершились при низкой тем­пературе и сопровождались удлинением металла. Здесь возникли напряжения сжатия. При сварке таких сталей ауетенитными электродами в шве возникают растягиваю­щие напряжения (рнс. 6.13, б); в зоне термического влия­ния, где произошли структурные превращения, имеются напряжения сжатия. В большей части зоны пластических деформаций, где структурные превращения не возникали, действуют напряжения растяжения. За пределами зоны пластических деформаций в основном металле в таких ста­лях продольные напряжения о,, как правило, сжимающие, но могут быть растягивающими (на рис. 6.13, а показано
пунктирной линией), если вклад зоны сжатия в централь­ной части весьма значителен.

Все рассмотренные закономерности распределения на­пряжений ах в стыковых соединениях полностью отно­сятся к соединениям с угловыми швами, выполненными за 1...5 проходов,— нахлесточным, тавровым и угловым.

Помимо продольных в сварных однопроходных соеди­нениях возникают также поперечные о„ и касательные

Рис. 6.13. Характер распределения остаточных напряжений в одно­проходных сварных соединениях среднелегированных сталей, ис­пытывающих структурные превращения: а — присадочный металл совпадает с основным металлом; 6 — присадочный ме­талл — аустснитная сталь

1ху напряжения. Значительные касательные напряжения тхи образуются в местах высоких градиентов напряжений ах и о„, т. е. по концам швов.

В швах большой толщины остаточные напряжения за­висят от способа выполнения шва и последовательности укладки слоев. В многослойных сварных соединениях из ннзкоуглеродистых сталей напряжения ах в шве близки к от. Распределение напряжений о„ в V-образном соедине­нии, которое сваривалось в свободном состоянии, показано кривой 1 на рис. 6.14, а. Напряжения о„ в корне шва при толщинах более 40...60 мм велики из-за большой пла­стической деформации при угловом перемещении. Каждый очередной слой вызывает поперечную усадку и изгиб за­варенной части, создавая в корне шва растяжение. Если шов выполняется на пластинах, которые не могут повора­чиваться, то каждый новый слой будет вызывать в корне шва только сжатие. В результате появятся большие сжима­
ющие напряжения а„><гт в корне шва и растягивающие (Тп«0,5стт на поверхности (кривая 2 на рис. 6.14, а).

Электрошлаковая сварка, выполняемая за один проход, вызывает в образцах толщиной более 150...200 мм объем­ные напряжения в глубине металла (рис. 6.14, б). Все три

 

0 *200 **00 0 *200

 

г - 1»— о, мпа

 

 

0 ♦200

 

Рис. 6.14. Остаточные напряжения в швах большой толщины: а — при многослойной сварке: Л — при влектрошлакокой сварке плиты толщиной s= 700 мм

к

/

X

компонента напряжений при этом растягивающие, на по­верхности а, и о„ — сжимающие. Такой характер напря­жений объясняется сопротивлением основного металла усадке зоны сварного соединения как в продольном направ­лении, так и по толщине, а также неравномерностью рас­пределения температур при сварке: в глубине металл на­гнет сильнее, а на поверхности из-за теплоотдачи — слабее. При остывании центральная часть сокращается сильнее и в ней возникает трехосное растяжение.

Круговые швы на плоскости, с помощью которых вва­ривают различные круглые элементы (рис. 6.15, а), имеют осесимметричное распределение напряжений, за исключе-

ниєм зоны встречи начала и конца шва. В таком соединении следует различать три основных зоны: внутреннюю У, сред­нюю 2 и внешнюю 3. Зона 2 шириной 2Ьа соответствует зоне растягивающих напряжений обычного прямолинейно­го шва; в ней действуют высокие окружные напряжения a, t, близкие к пределу текучести (рис. 6.15, б). Вследствие уравновешенности напряжений a(j с напряжениями о, при г=г, и г=г, в пределах ширины кольца 2Ьа (рнс. 6.15, а, б) радиальные напряжения a, tt, действующие на внешнюю зону 3, всегда больше напряжений ог„, действующих на

Рис. 6.15. Распределение напряжений в свар­ных соединениях с круговыми швами

внутреннюю зону. В ннзкоуглероднстых и аустенитных сталях зона 2 находится в состоянии пластической дефор­мации, что соответствует условию пластичности:

о,+о?,—о,,<!,, = о*. (6.19)

На рис. 6.15, б схематично показано несколько возможных распределений (/, /У, III) эпюр напряжений orj и o<t в зоне 2. Напряжения о,5 и аГи всегда растягивающие,’ а напряжение а, н может быть и растягивающим, и сжимаю­щим. Это зависит от соотношения поперечной усадки в на­правлении г и окружной усадки. Поперечная усадка соеди­нения вызывает растягивающие напряжения аг и в зоне У, и в зоне 3 (рис. 6.15, в); окружная усадка вызывает в зоне 3 растяжение напряжением ог<, а в области У — сжатие. При малых размерах зоны 1 действие поперечной усадки преоб­
ладает над окружной усадкой, следовательно, имеем растя­гивающие напряжения. Аналогичная картина наблюдается, если зона 1 представляет собой жесткое тело (бобышку) или фланец диаметром до 100...200 мм. Сжимающие напря­жения ог в зоне I возникают при относительно малой жесткости области 3, например при приварке узкого коль­ца. Окружное сокращение почти полностью передается на зону /.

Рис. 6.16. Остаточные напряжения а, и at в точечных сварных соеди­нениях

Точечные соединения имеют осесимметричное распре­деление напряжений (рис. 6.16). При остывании централь­ной части в ней возникают растягивающие напряжения с равными компонентами af=at—aT. На некотором расстоя­нии окружные напряжения о, становятся сжимающими. Значения радиальных напряжений убывают примерно по закону 1/г', оставаясь растягивающими. В низкоуглероди­стых сталях зона двухосного растяжения соответствует участку, нагревающему­ся выше температуры 150...200 °С. При сты­ковой контактной сварке стержней продольные (по оси) напряжения на поверхности сжимаю­щие, а в глубине метал­ла все три компонента растягивающие.

Таким образом, рас - смотрениеостаточных на­пряжений в основных ви­дах сварных соединений показывает, что мак­симальные растягивающие напряжения, как правило, близ­ки к пределу текучести. В некоторых случаях они превы­шают от (корни многослойных швов, участки в глубине электрошлаковых соединений). Пластические деформации металла при сварке в отсутствие концентраторов напряже­ний составляют 1...2%. При наличии концентраторов — непроваров, несплавлений, шлаковых включений — пла­стические деформации могут быть настолько значительны, что существенно исчерпывается деформационная способ­ность металла, в некоторых случаях даже наступает его разрушение. При сложении остаточных напряжений с ра­бочими часто возникают небольшие пластические деформа­ции, которые в подавляющем большинстве случаев не вли­яют на прочность.

 

 

32.Случаи возникновения одноостных,2-осных,3-осных остаточных напряжений.

Остаточные напряжения первого рода уравновешиваются в крупных объемах, соизмеряемых с размерами изделия или его частей, и обладают определенной ориентацией в зависимости от формы изделия. Эти напряжения определяют расчетом исходя из теории упругости и пластичности, а также экспериментально.
Остаточные напряжения второго рода уравновешиваются в пределах микрообъемов тела, т. е. в пределах одного или нескольких зерен металла. Эти напряжения не имеют определенной направленности и не зависят от формы изделий. Находят эти напряжения опытным путем.
Остаточные напряжения третьего рода уравновешиваются в мельчайших объемах – в пределах атомной решетки. Они также не имеют определенной направленности и определяются экспериментально по степени изменения интенсивности линий на рентгенограммах.
В строительных конструкциях и в машиностроении инженерными расчетами определяют только напряжения первого рода.
По направлению в теле собственные напряжения,могут быть одноосными - линейными, двухосными – плоскостными и трехосными - объемными.
При рассмотрении процесса возникновения деформаций при сварке следует учитывать, что в процессе охлаждения стали изменяются ее физические и механические свойства (рис. 80). Работа стали под нагрузкой зависит от вида силового воздействия; формы элемента, подвергнутого силовому воздействию; структуры и химсостава стали; влияния температурных и собственных напряжений.

Рис. 79. Классификация собственных напряжений по направлению:
а - одноосные, б - двухосные, в - трехосные

Рис. 80. Изменение механических свойств низкоуглеродистой стали в зависимости от температуры

Рассмотрим влияние силовых воздействий, которые могут вызывать одноосное, двухосное или трехосное напряженное состояние стали.
Одноосное напряженное состояние стали вызывается центральным растяжением или сжатием, чистым изгибом, внецентренным растяжением или сжатием малогибких элементов и т. д. Работа стали при указанных силовых воздействиях выражается диаграммой растяжения или сжатия. При этом имеются четко выраженные области:
до предела пропорциональности - упругие деформации;
до предела текучести - упругопластические деформации;
на пределе текучести - упругие и пластические;
на площадке текучести - пластические;
до предела прочности - упругопластические.