Глава 7. Сварочные деформации и напряжения

7. Сварочные деформации и напряжения7.1. Основные понятия и терминыВ процессе сварки происходит изменение формы и размеров свариваемых деталей в результате их неравномерного расширения при нагреве.Сварочными перемещениями называют смещения одних точек детали по отношению к другим, которые приводят к изменению ее формы иразмеров. В теории сварочных процессов используют систему координат,в которой ось x направлена вдоль шва в сторону движения сварочного источника, ось y лежит в плоскости свариваемых пластин и перпендикулярнак оси шва, ось z перпендикулярна к плоскости пластин.

Сварочные перемещения вдоль осей x, y и z обозначают соответственно буквами u, v и w.Сварочными деформациями называют изменения линейных и угловых размеров детали при сварке. Если начальное расстояние междудвумя точками сварного соединения было равно  , то отношение изменения этого размера в результате перемещения точек к начальному значению размера называют относительной деформациейн =.(7.1)Деформации, вычисленные по изменениям размеров (7.1), называютнаблюдаемыми. Они являются результатом двух одновременно протекающих физических процессов - теплового расширения металла и силовоговзаимодействия соседних неодинаково расширяющихся слоев и могутбыть представлены в виде суммы двух деформаций н =  +  с :(7.2)свободной температурной деформации , вызванной изменением температуры в данной точке, и собственной деформации εс, вызванной действием упругих сил со стороны окружающего металла.

Рассмотрим эти двапроцесса на примере двух смежных зон сварного соединения, которые показаны на рис. 7.1 в виде двух стержней.151(1 +   1 )1 с1Т2Т12(1 +   2 )а−  с 2Т1 Т2(1 +  н )бвРис. 7.1. Деформации при неравномерном нагреве: а - свободная температурная деформация зон, нагретых до разных температур (Т2 > Т1); б – собственные напряжения и деформации от взаимодействия скрепленных зон;в – совместная наблюдаемая деформация скрепленных зон1) Изменение температуры ΔT вызывает в каждой точке детали деформацию  =   T .(7.3)Коэффициент линейного расширения α является характеристикой материала, зависящей от температуры.

Если бы смежные зоны сварногосоединения не были скреплены друг с другом и могли расширятьсясвободно, то каждая из них испытала бы только свободную температурную деформацию, соответствующую температуре ее нагрева (рис.7.1а).2) Поскольку зоны сварного соединения связаны между собой и деформируются совместно, их наблюдаемая деформация одинаковая и отличается от их свободных деформаций (рис. 7.1в).

При этом между нимивозникают взаимно уравновешенные силы взаимодействия, и в нихвозникают собственные напряжения σ и собственные деформации εс(рис. 6.1б). Напряжения и деформации называются собственными(иногда также внутренними) потому, что возникают при отсутствиивоздействия внешних сил.3) Именно собственные деформации обеспечивают совместность дефор152маций, то есть деформирование всего свариваемого соединения какединого целого, без разрывов между частями, нагретыми до разнойтемпературы.Обычно все сварное соединение условно разбивают на 2 зоны: активную, в которой температура изменяется больше, чем в окружающемметалле (ее расширение и сокращение является причиной деформаций) ипассивную (реактивную), препятствующую расширению и сокращениюактивной зоны.

Действие реакций со стороны пассивной зоны уменьшаетнаблюдаемую деформацию активной зоны по сравнению со свободнойтемпературной деформацией  н    (рис. 7.1в).При медленном равномерном нагреве детали в печи ее собственныедеформации малы, в этом случае  н    .При сварке вдали от шва, где температура меняется незначительно, н   с . В активной зоне  н   , 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 с  − .При уменьшении жесткости пассивной зоны наблюдаемые деформации и перемещения увеличиваются.

При этом собственные деформации исобственные напряжения в активной зоне уменьшаются. Применяемыепри сварке в сборочно-зажимные приспособления также входят в составпассивной 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, чемв направлении толщины. В этом случае компоненты напряжений и наблю153даемых деформаций также различны. В направлении толщины напряжениямалы, а наблюдаемые деформации существенно выше, чем в плоскостипластины. При сварке тонких стержней наибольшие напряжения инаименьшие наблюдаемые деформации возникают в направлении вдольоси стержня.Собственные деформации состоят из упругой и пластической частей: с =  упр +  пл .(7.4)Если собственные напряжения не достигают предела текучести материала, то собственные деформации являются упругими, а после полногоостывания происходит полная разгрузка, напряжения и все деформацииубывают 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 собственныеи наблюдаемые деформации. Собственные напряжения, действующие всварном соединении в процессе сварки, называются временными, а послеполного остывания – остаточными.Напряжения в активной и пассивной зонах взаимно уравновешены.По объему, в котором достигается равновесие, различают собственныенапряжения 1, 2 и 3 рода.

Напряжениями 1 рода называют те, которыесвязаны с деформацией всего сечения конструкции и уравновешены в пределах сечения, полностью пересекающего конструкцию (включая зажимные приспособления, если они не удалены). Напряжениями 2 и 3 родасвязаны с деформацией отдельных зерен и искажениями кристаллическойрешетки 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 напряженияи деформации могут быть одноосными (линейными), двухосными(плоскостными) и трехосными (объемными).1547.2. Временные и остаточные деформации и напряжения при нагревекрая пластины движущимся источником теплотыРассмотрим процесс изменения деформаций и напряжений в активной зоне при прохождении по краю широкой пластины движущегося источника теплоты (сварочной дуги). Поскольку препятствия расширениюметалла в направлении толщины и в сторону края пластины отсутствуют,напряжение одноосное и действует параллельно краю пластины (вдольтраектории источника).По мере приближения источника температура T повышается, а послеего прохождения вновь снижается до температуры окружающей среды(рис.

7.2).T,σ,εтTДГВАЕ остБ упрt с = −  пл− тРис. 7.2. Сварочные циклы температуры, деформации и напряженияв точке у края пластиныПропорционально изменению температуры растет, а затем убываетсвободная температурная деформация . Наблюдаемая деформация в данном случае мала, поскольку пластина широкая, и ее пассивная часть препятствует расширению небольшой активной части у края пластины. В активной зоне возникает сжимающее напряжение σ и вызывает деформациюукорочения  с  − , которая компенсирует деформацию удлинения отнагрева  (кривая  на рис. 6.2 повторяет кривую T, а кривая εс является155ее зеркальным отражением в интервале времени АБ).Если напряжение при нагреве не достигает предела текучести материала σт, то вся собственная деформация является упругой εупр (криваяεупр совпадает с кривой εс, а напряжение σ изменяется пропорциональноεс), а при остывании происходит полная разгрузка и остаточные напряжения не образуются.

Если же напряжение достигает σт (в момент времениБ), то рост напряжения и упругой деформации прекращается, дальнейшееувеличение εс при продолжении нагрева происходит за счет роста пластической деформации укорочения εпл.В момент В начинаются снижение температуры и упругая разгрузка.Пластическая деформация укорочения сохраняется постоянной (криваяεупр эквидистантна кривой εс). Полная разгрузка наступает раньше полного остывания (в момент Г).При дальнейшем остывании материал на краю пластины продолжаетсокращаться. Остальная часть пластины препятствует этому сокращению,возникает растягивающее напряжение и упругая деформация удлинения.Если при охлаждении напряжение достигает предела текучести (в моментД), то рост напряжений и упругих деформаций прекращается, начинаютсяпластические деформации удлинения, которые компенсируют часть пластического укорочения, возникшего при нагреве.

После полного остывания (в момент времени Е) на краю пластины сохраняются остаточная пластическая деформация укорочения, остаточное растягивающее напряжениеи остаточная упругая деформация удлинения.Таким образом, причиной возникновения остаточного напряженияявляется пластическое укорочение активной зоны при нагреве. Пластическая деформация возникает, в основном, в активной зоне по 2 причинам:1) сечение активной зоны, как правило, меньше, чем окружающей пассивной зоны, поэтому уровень напряжения в ней выше;2) предел текучести материала снижается при нагреве, при сварочных156температурах он близок к нулю (по этой причине остаточные напряжения возникают даже при сварке очень узких швов).При ограниченной жесткости свариваемой конструкции в ней возникают под действием сварочных напряжений существенные наблюдаемые деформации и перемещения, приводящие к искажению ее формы иразмеров.7.3.

Схема образования остаточных деформаций при сварке пластинРассмотрим случай сварки встык двух одинаковых пластин. Будемсчитать активной зоной ту часть сварного соединения, в которой принагреве происходят пластические деформации укорочения, а пассивной остальные части свариваемых пластин (рис. 7.3).zεzεxεyεxxεyyεzРис. 7.3. Расширение активной зоны при нагревеЗона пластического укорочения включает в себя, кроме шва, основнойметалл, температура нагрева которого превысила некоторый уровень ΔТт,зависящий от свойств металла.