Возникновение напряжений и деформаций при сварке

Высокотемпературный нагрев соединяемых элементов при сварке вызывает появление в них напряжений и деформаций, существенно затрудняющих производство сварных конструкций и ухудшающих их качество. С целью снижения сварочных напря­жений и деформаций принимают соответствующие решения, которые находят свое отражение в проектной и проектно-техно- логической документации и реализуются при изготовлении свар­ных конструкций.

Для понимания процесса образования напряжений и дефор­мации при сварке плавлением целесообразно рассмотреть нагрев металлического стержня в свободном состоянии и при нахожде­нии его в жестком несгибаемом металлическом каркасе (рис. 73).

Если стержень в свободном состоянии (рис. 73, а) нагреть до некоторой высокой температуры, то он достаточно заметно удли­нится на величину в соответствии с формулой

где — коэффициент линейного расширения; l — начальная дли­на стержня; T — разность между начальной и конечной темпе­ратурами стержня.

После охлаждения стержень восстанавливает свою первона­чальную длину l. При нагреве до температуры Т того же стержня, но помещенного в каркас (рис. 73, б), не позволяющий ему в ре­зультате термического расширения изменяться на величину , происходит необратимая пластическая деформация сжатия стрежня, в результате чего при охлаждении он становится короче на величину Естественно, что пластические деформации на­чинают происходить, когда напряжения сжатия, развивающиеся в стержне при его нагреве, достигают предела текучести металла.

Если теперь стержень жестко связать с каркасом и лишить его возможности укорачиваться при охлаждении с температуры Т на величину то в стержне будут развиваться растягивающие на­пряжения (рис. 73у в). Одновременно в вертикальных элементах каркаса, непосредственно препятствующих укорачиванию стержня, под действием развивающейся в нем усадочной силы возникают напряжения сжатия.

Легко заметить, что подобные явления наблюдаются в плас­тине со сварным стыковом швом (рис, 74). Заштрихованная часть пластины ведет себя аналогично нагретому до высокой темпера­туры закрепленному в жестком каркасе стержню. В ней в резуль­тате пластической деформации укорочения после охлаждения шва появляются растягивающие напряжения. Две другие незашт- рихованные части пластины аналогичны двум вертикальным элементам каркаса. Таким образом, неравномерный сварочный нагрев с последующим охлаждением вызывает в окрестностях стыкового шва остаточное напряженное состояние. В целом пла­стина под действием усадочной силы претерпевает общую про­дольную деформацию укорочения .

Остаточные напряжения и деформации разной степени воз­никают также при структурных превращениях металла в зоне тер­мического влияния сварного соединения. Возникновение такого состояния обусловлено тем, что в металле появляются участки с ярко выраженными измененными объемами, например, мартен- ситное превращение сопровождается значительным его увеличе­нием. Такое местное изменение объема металла при сохранении размеров рядом расположен­ных участков и приводит к возникновению внутренних структурных напряжений. Значение и распределение напряжений и деформаций за­висят от многих факторов, в том числе от жесткости свари­ваемой конструкции и толщи­ны металла. При сварке тонко­го листа (до 5-6 мм) проявля­ются преимущественно боль­шие деформации, а напряжения малы. Сварка металла средней толщины (до 16-20 мм) сопро­вождается также существенны­ми деформациями, при этом с увеличением толщины в боль­шей степени начинают прояв­ляться сварочные напряжения. При сварке толстого металла (более 16-20 мм) основным фактором является возникновение значительных напряжений, деформации при этом невелики.