СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ

Схема образования продольных и поперечных деформаций

Если на металл действует сила, он изменяет свою форму, т.е. деформируется. При небольшой величине силы (2 деформация происходит в упругой области, не вызывая необратимых изменений кристаллической решетки, — после снятия силы кристаллическая решетка возвращается в исходное состояние и деформация исчезает. Такие деформации называются упругими, или временными. При увеличении силы возникающие в металле напряжения могут превысить предел текучести, что приводит к необратимым изменениям. В этом случае говорят, что произошла пластическая деформация металла. После снятия силы (2 пластические деформации остаются. В отличие от упругих (временных) эти деформации называются остаточными.

Сила (), вызывающая остаточные деформации, может быть внешней, а может возникать внутри металла при его нагреве. Рассмотрим пример нагрева стержня длиной А. Первоначально закрепим его к одной жесткой стенке (рис. 7.1, а). При нагреве он удлинится на величину

где а — коэффициент линейного расширения; Т — температура нагрева.

Удлинение происходит свободно, поэтому напряжений в стержне не возникает.

Рис. 7.1. Деформация стержня при нагреве и охлаждении: а — нагрев в свободном состоянии; б — нагрев при двухстороннем ограничении; в — охлаждение при двухстороннем ограничении

Ограничим стержень другой жесткой стенкой (рис. 7.1, б) и снова нагреем. В металле снова начнут происходить процессы, приводящие к увеличению длины стержня. Однако его реальному удлинению мешает жесткая стенка, поэтому в стержне возникнут напряжения сжатия. По мере роста температуры напряжения будут увеличиваться, пока не достигнут предела текучести. При этом в стержне возникнет пластическая деформация и он укоротится. После остывания стержень станет короче первоначальной длины на МЛ

Таким образом при нагреве тела, находящегося в несвободном состоянии, в нем образуются остаточные деформации в виде уменьшения его первоначальной длины.

Рассмотрим далее процесс образования остаточных напряжений и деформаций в результате нагрева металла при сварке. Как известно, нагрев изделия при сварке неравномерный: в зоне сварного шва металл нагрет до температуры плавления, отдаленные же от шва участки относительно холодные. Так как изменение размеров тела при нагреве пропорционально температуре, различные слои металла стремятся удлиниться по-разному.

Представим себе, что перед сваркой пластины были разрезаны на узкие продольные полоски и нижним торцом оперты на какое- то основание (рис. 7.2, а). Наметим ряд поперечных сечений 1-5,

398

отстоящих от нижнего торца (основания) на различные расстояния (верхний торец — сечение 5). Учитывая известный характер распределения максимальных температур при сварке в поперечном сечении соединения, отметим, что каждая свободная полоска получит температурное удлинение, пропорциональное температуре нагрева полоски. Тогда верхний торец соединения (сечение 5) примет вид, показанный на рис. 7.2, а. Температурная деформация других поперечных сечений показана соответствующими кривыми. Чем ближе к нижнему торцу расположено поперечное сечение (например, 1), тем меньше будет удлинение полосок. Положение нижнего торцевого сечения остается без изменений.

Между тем реальное сварное соединение, как известно, не состоит из отдельных, не связанных между собой полосок. Все полоски связаны друг с другом и деформируются таким образом, что сечение образца остается плоским. Поэтому крайнее верхнее сечение 5 переместится в положение 5'. Таким образом все сварное соединение при нагреве получает некоторое удлинение. Чтобы привести отдельные полоски в то состояние, в котором они должны находиться в реальном неразрезанном соединении, необходимо

Схема образования остаточных деформаций при сварке

Рис. 7.2. Схема образования остаточных деформаций при сварке: я — в процессе сварки; б — после охлаждения

399

центральные полоски сжать, а крайние — растянуть на соответствующую величину. Поэтому на стадии нагрева в сварном соединении в продольном направлении возникают напряжения сжатия в средней вы со ко на гретой зоне и растяжения — в остальной мало- нагретой зоне. Причем для центральных полосок соединения эти напряжения достигают предела текучести. Значит, на стадии нагрева в средней высоконагретой области соединения в продольном направлении протекают пластические деформации сжатия (укорочения) и формируется так называемая зона пластических деформаций, ширина которой для такого симметричного соединения обычно обозначается как 2Ь„.

Если в момент максимального нагрева соединение снова расчленить на отдельные полоски, то после полного охлаждения верхний торец соединения примет форму, показанную на рис. 7.2, б. Средние полоски будут короче остальных на величину их пластического сжатия на стадии нагрева. Однако в реальном нерасчле- ненном соединении все полоски связаны друг с другом, поэтому сечение переместится вниз в положение штриховой линии 5".

Таким образом, после сварки остается деформация укорочения свариваемого изделия. Говорят, что произошла усадка сварного шва. При этом центральные слои растягиваются до длины 5", а крайние — сжимаются до этого же положения. Поэтому центральные слои после остывания испытывают остаточные напряжения растяжения, а удаленные от шва слои — напряжения сжатия.

Распределение остаточных напряжений в зоне сварного соединения после сварки приведено на рис. 7.3. Растягивающие напряжения в зоне шва уравновешиваются сжимающими напряжениями в основном металле.

Рассмотренный процесс образования остаточных деформаций в виде перемещения отдельных слоев металла происходил вдоль сварного шва, поэтому по направлению действия эти деформации называются продольными (рис. 7.4). Однако одновременно происходит не только продольная, но и поперечная усадка шва, так как нагретый металл стремится расшириться и в поперечном направлении, чему препятствуют холодные участки основного металла. Как следствие уменьшается ширина свариваемых пластин. Деформации, происходящие поперек шва, называются поперечными (рис. 7.4).

Рис. 7.3. Распределение остаточных напряжений (а) в стыковом сварном соединении (б):

а,. — остаточное напряжение на оси .г; В — ширина изделия

Продольные и поперечные деформации при сварке

Рис. 7.4. Продольные и поперечные деформации при сварке: а — временные; 6 — продольные остаточные; в — поперечные остаточные; /'''!’ — продольная усадочная сила

Уменьшение размеров изделия из низкоуглеродистой стали после сварки определяется выражением

где с/„ — погонная энергия дуги; I. — длина изделия; Р — площадь сечения шва.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >