td1 (1) (Лекции в формате Word)

47

СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

1. Основные понятия и термины.

В процессе сварки происходит изменение формы и размеров свариваемых деталей в результате их неравномерного расширения при нагреве.

Сварочными перемещениями называются смещения одних точек детали по отношению к другим, которые приводят к изменению ее формы и размеров. При сварке пластин принято обозначать ось координат, направленную вдоль шва, буквой x (см. схему на рис. 4,а). Ось y лежит в плоскости пластины и перпендикулярна к оси шва, ось z перпендикулярна к плоскости пластины. Сварочные перемещения вдоль осей x, y и z обозначают соответственно буквами u, v и w.

Сварочными деформациями называются изменения линейных и угловых размеров детали при сварке. Если начальное расстояние между двумя точками было равно , то отношение изменения этого размера в результате перемещения точек к начальному размеру называется относительной деформацией

. (1)

Деформации, вычисленные по изменениям размеров (1), называются наблюдаемыми. Они являются результатом двух одновременно протекающих физических процессов - теплового расширения металла и силового взаимодействия соседних неодинаково расширяющихся слоев и могут быть представлены в виде суммы двух деформаций

: (2)

свободной температурной деформации _, вызванной изменением температуры в данной точке, и собственной деформации ε_с, вызванной действием упругих сил со стороны окружающего металла. Рассмотрим эти 2 процесса на примере двух смежных зон сварного соединения, которые показаны на рис. 1 в виде 2 стержней.

Рис.1. Деформации при неравномерном нагреве: а - свободная температурная деформация зон, нагретых до разных температур (Т₂ > Т₁); б – совместная наблюдаемая деформация скрепленных зон; в – собственные напряжения и деформации от взаимодействия скрепленных зон

1) Изменение температуры ΔT вызывает в каждой точке детали деформацию _. При отсутствии структурных превращений в материале, нагрев вызывает его расширение

. (3)

Коэффициент линейного расширения α является характеристикой материала, зависящей от температуры.

Если бы зоны сварного соединения не были скреплены друг с другом и могли расширяться свободно, то каждая из них испытала бы только свободную температурную деформацию, соответствующую температуре ее нагрева (рис.1,а).

2) Поскольку зоны сварного соединения связаны между собой и деформируются совместно, их наблюдаемая деформация одинаковая и отличается от их свободных деформаций (рис.1,б).

При этом между ними возникают взаимно уравновешенные силы взаимодействия, и в них возникают собственные напряжения σ и собственные деформации ε_с (рис.1,в). Напряжения называются собственными (иногда также внутренними) потому, что возникают при отсутствии воздействия внешних сил.

3) Именно собственные деформации обеспечивают совместность деформаций, то есть деформирование всего свариваемого соединения как единого целого, без разрывов между частями, нагретыми до разной температуры.

Обычно все сварное соединение условно разбивают на 2 зоны: активную, в которой температура изменяется больше, чем в окружающем металле (ее расширение и сокращение является причиной деформаций) и пассивную (реактивную), препятствующую расширению и сокращению активной зоны. Действие реакций со стороны пассивной зоны уменьшает наблюдаемую деформацию активной зоны по сравнению со свободной температурной деформацией (рис. 1,в).

При медленном равномерном нагреве детали в печи ее собственные деформации малы, в этом случае .

При сварке вдали от шва, где температура меняется незначительно, . В активной зоне , так как свободные и собственные деформации имеют разные знаки. Чем больше жесткость пассивной зоны, тем сильнее ее сопротивление расширению активной зоны и больше разница между свободными и наблюдаемыми деформациями активной зоны. При высокой жесткости, например, при наплавке узкого валика на широкую и толстую пластину, наблюдаемые деформации стремятся к нулю, а .

При уменьшении жесткости пассивной зоны наблюдаемые деформации и перемещения увеличиваются. При этом собственные деформации и собственные напряжения в активной зоне уменьшаются. Применяемые при сварке в сборочно-зажимные приспособления также входят в состав пассивной зоны и увеличивают ее жесткость в процессе сварки.

Как правило, жесткость свариваемых деталей неодинакова по различным направлениям. Например, в тонкой пластине сопротивление расширению активной зоны в плоскости пластины существенно сильнее, чем в направлении толщины. В этом случае компоненты напряжений и наблюдаемых деформаций также различны. В направлении толщины напряжения малы, а наблюдаемые деформации существенно выше, чем в плоскости пластины. При сварке тонких стержней наибольшие напряжения и наименьшие наблюдаемые деформации возникают в направлении вдоль оси стержня.

Собственные деформации состоят из упругой и пластической частей:

. (4)

Если собственные напряжения не достигают предела текучести материала, то собственные деформации являются упругими, а после полного остывания происходит полная разгрузка, напряжения и все деформации убывают до нуля. В тех зонах нагреваемого тела, где напряжения достигают предела текучести, возникают пластические деформации. В этом случае после остывания в теле сохраняются напряжения, а также собственные и наблюдаемые деформации. Собственные напряжения, действующие в сварном соединении в процессе сварки, называются временными, а после полного остывания – остаточными.

Напряжения в активной и пассивной зонах взаимно уравновешены. По объему, в котором достигается равновесие, различают собственные напряжения 1, 2 и 3 рода. Напряжениями 1 рода называют те, которые связаны с деформацией всего сечения конструкции и уравновешены в пределах сечения, полностью пересекающего конструкцию (включая зажимные приспособления, если они не удалены). Напряжениями 2 и 3 рода связаны с деформацией отдельных зерен и искажениями кристаллической решетки и уравновешены в микрообъемах (2 рода в пределах зерна, 3 рода в пределах решетки). Как правило, определяют и непосредственно используют в расчетах только напряжения 1 рода. Собственные напряжения и деформации могут быть одноосными (линейными), двухосными (плоскостными) и трехосными (объемными).

1. Временные и остаточные деформации и напряжения при нагреве края пластины движущимся источником теплоты

Рассмотрим процесс изменения деформаций и напряжений в активной зоне при прохождении по краю широкой пластины движущегося источника теплоты (сварочной дуги). Поскольку препятствия расширению металла в направлении толщины и в сторону края пластины отсутствуют, напряжение одноосное и действует параллельно краю пластины (вдоль траектории источника).

По мере приближения источника температура повышается, а после его прохождения вновь снижается до температуры окружающей среды. Пропорционально изменению температуры растет, а затем убывает деформация _. Наблюдаемая деформация в данном случае мала, поскольку пластина широкая, и ее пассивная часть препятствует расширению небольшой активной части у края. В активной зоне возникает сжимающее напряжение σ и вызывает деформацию укорочения , которая компенсирует деформацию удлинения от нагрева _ (кривая _ на рис. повторяет кривую T, а кривая ε_с является ее зеркальным отражением). на участке).

Если напряжение при нагреве не достигает предела текучести материала σ_т, то вся собственная деформация является упругой ε_упр (кривая ε_упр совпадает с кривой ε_с, а напряжение σ изменяется пропорционально ε_с), а при остывании происходит полная разгрузка и остаточные напряжения не образуются. Если же напряжение достигает σ_т (в точке Б на рис. 2), то рост напряжения и упругой деформации прекращается, дальнейшее увеличение ε_с при продолжении нагрева происходит за счет роста пластической деформации укорочения ε_пл.

Рис. 2. Циклы температуры (T), собственной деформации (ε_с), ее упругой и пластической частей (ε_упр и ε_пл) и собственного напряжения (σ) в точке у края пластины при прохождении движущегося источника теплоты:

А – начало нагрева и роста сжимающих собственных напряжений;

Б – начало пластических деформаций укорочения;

В – начало охлаждения и упругой разгрузки;

Г – полная разгрузка и начало роста растягивающих напряжений;

Д – начало пластических деформаций удлинения;

Е – остаточные напряжения и деформации

В точке В начинается снижение температуры и упругая разгрузка. Пластическая деформация укорочения сохраняется постоянной (кривая ε_упр эквидистантна кривой ε_с). Полная разгрузка наступает раньше полного остывания (в точке Г). При дальнейшем остывании материал на краю пластины продолжает сокращаться. Остальная часть пластины препятствует этому сокращению, возникает растягивающее напряжение и упругая деформация удлинения. Если при охлаждении напряжение также достигает предела текучести (в точке Д на рис.2), то рост напряжений и упругих деформаций прекращается, начинаются пластические деформации удлинения, которые компенсируют часть пластического укорочения, возникшего при нагреве. После полного остывания на краю пластины сохраняются остаточная пластическая деформация укорочения, остаточное растягивающее напряжение и остаточная упругая деформация удлинения (точка Е).

Таким образом, причиной возникновения остаточного напряжения является пластическое укорочение активной зоны при нагреве. Пластическая деформация возникает, в основном, в активной зоне по 2 причинам:

1. сечение этой зоны, как правило, меньше, чем окружающей пассивной зоны, поэтому уровень напряжения в ней выше;

2. предел текучести материала снижается при нагреве, при сварочных температурах он близок к нулю (по этой причине остаточные напряжения возникают даже при сварке очень узких швов).

Варианты образования напряжений при различном нагреве показаны на рис.3.

Рис. 3. Образование только временных напряжений (1), текучесть при нагреве и остаточные напряжения (2), снижение предела текучести при высокой температуре и текучесть при охлаждении (3).

При ограниченной жесткости свариваемой конструкции в ней возникают под действием сварочных напряжений существенные наблюдаемые деформации и перемещения, приводящие к искажению ее формы и размеров.

1. 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.