Влияние остаточных сварочных напряжений

на прочность сварных соединений и конструкций.

При сварке на отдельных участках сварного соединения часто возникают напряжения, которые достигают величины предела текучести – т.е. напряжения, при котором образец, деформируясь, получает остаточное удлинение еще до приложения к нему внешней нагрузки.

Прочность сварной конструкции может оказаться ниже расчетной, когда остаточные сварочные напряжения и рабочие напряжения будут одного направления – одного знака и просуммируются.

Резервом повышения прочности сварной конструкции являются рабочие и остаточные напряжения разного знака, которые в некоторых случаях могут взаимно компенсироваться, но это носит вероятный характер и встречается редко.

При статической нагрузке остаточные сварочные напряжения в значительно меньшей мере влияют на прочность сварных соединений и конструкций. Если напряжения от внешней нагрузки складываются с остаточными сварочными напряжениями, то наступает местная пластическая деформация конструкции чаще всего в околошовной зоне, в результате которой увеличения напряжений выше предела текучести на отдаленных от шва участках практически не происходит.

Металл утрачивает способность пластически деформироваться в следующих случаях:

– при наличии значительной площади или объема металла с остаточными сварочными напряжениями, т.е. при малых удельных напряжениях;

– при низкой температуре окружающей среды, что может перевести металл в хрупкое состояние, с последующим образованием трещин.

Металлы с низкими пластическими свойствами, такие как некоторые легированные стали склоны к переходу в хрупкое состояние в значительно большей степени. В связи с этим, сварные соединения и конструкции из высокопрочных сталей весьма чувствительны к наличию остаточных напряжений.

Остаточные напряжения увеличивают вероятность усталостного разрушения конструкций при переменных и вибрационных нагрузках, особенно при наличии концентраторов напряжений в виде острых надрезов, а также с понижением пластических свойств металла.

Хрупкое разрушение конструкции при наличии сварочных собственных напряжений растяжения имеет следующие особенности:

– разрушение носит внезапный характер и не имеет следов предшествующей ему пластической деформации;

– хрупкая трещина, возникая в местах концентрации напряжений, пересекает большую часть или все сечение;

– разрушение наступает при незначительных рабочих напряжениях.

В этом случае поле остаточных сварочных напряжений играет роль источника энергии для развития возникающей хрупкой трещины.

В том случае, когда возникают не растягивающие, а сжимающие остаточные сварочные напряжения значительной величины, они могут вызывать потерю устойчивости элементов или конструкции (резервуаров, трубопроводов и др.) в целом, то есть стать причиной значительной деформации или разрушения конструкции.

Влияние остаточных деформаций на качество

Сварных конструкций.

Остаточную деформацию в результате сварочных напряжений могут иметь детали, узлы и крупные конструкции. Эти деформации являются причиной таких негативных явлений, как:

– затрудняют сборку конструкции или монтаж ее на фундаменте без подгонки, правки, подрубки; это усложняет технологию работ и увеличивает их трудоемкость;

– очень опасны искажения геометрической формы элементов и конструкции в целом, так как в процессе их правки и монтажа создаются дополнительные неучтенные напряжения в несущих элементах, что может привести к разрушению конструкции даже при небольших эксплуатационных нагрузках;

– искажение геометрической формы сварных рабочих органов машин (например, шнек дозатора, транспортера или пресса), трубопроводов существенно ухудшает эксплуатационные характеристики этих изделий;

– назначение повышенных припусков на механическую обработку из-за деформации деталей или узлов, предназначенных для механической обработки с целью придания им требуемой точности размеров и геометрической формы, увеличивает расход металла;

– ухудшается внешний вид изделий, что в основном относится к листовым обшивкам кабин автомобилей, комбайнов, вагонов; снижается рыночная конкурентоспособность деформированной конструкции с искаженной геометрической формой.

Прогнозирование возникновения вероятных напряжений и полей их распределения в сварных конструкциях позволяет уже на стадии проектирования этих конструкций и разработки технологии их изготовления уменьшить или почти исключить возникновение сварочных напряжений и вызываемых ими деформации. Аналитические методы определения напряжений, ввиду сложности решения этих задач, большого распространения не получили. Поэтому чаще всего используют экспериментальные методы определения остаточных напряжений и деформаций, а наиболее эффективны – практические приемы минимизации сварочных напряжений на стадиях проектирования конструкций, обработки, технологии подготовки и выполнения сварочных работ, а также ликвидации напряжений путем термообработки готового изделия.