Основные сведения о сварочных деформациях и перемещениях.

В процессе сварки металл сварного соединения и электрода плавится под действием концентрированного источника тепла – дуги, газового пламени и т.д. При дуговой сварке объем расплавленного металла относительно невелик и составляет 4…60 см³. Расплавленный металл до начала кристаллизации существует всего несколько секунд. Длину сварной ванны можно определить по формуле: L=P´U_д´I (1)

где U_д – напряжение дуги (В);

I – ток (А);

P=(1,7…2,3)´10^-3 мм/Вт.

Ширина сварочной ванны составляет 2…4 диаметра электрода, а глубина проплавления свариваемых элементов 2…4 мм.

Рассмотрим условия возникновения напряжений и деформаций.

Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Равномерно нагретый незакрепленный стержень после постепен­ного охлаждения примет свои первоначальные размеры (длину) и в нем не возникнут напряжения или деформации.

Если же изменению размеров стержня при нагреве или охлажде­нии будут препятствовать какие-либо силы или связи, то в нем воз­никнут напряжения, которые вызовут пластические деформации, т. е. изменения формы и размеров стержня.

При сварочных процессах изменение линейных и объемных размеров металла в большинстве случаев происходит при наличии многих связей. На процессы возникновения и развития напряжений и деформаций в значительной степени влияют механические свой­ства металла при высоких температурах.

Предел проч­ности s_в стали в интервале температур от 200 до 350°С достигает максимума, а относительное удлинение d снижается; при дальней­шем повышении температуры s_в падает, а d возрастает. Модуль упругости стали Е и предел текучести s_т с повышением температуры падают, и примерно при 650° С сталь теряет свои упругие свойства. Из этого следует, что при указанной температуре нагрева достаточно небольшого усилия для создания пластической деформации металла.

Для уяснения механизма возникновения напряжений и дефор­маций при сварке рассмотрим случай нагрева до высокой темпе­ратуры средней полосы стальной пластины. Условно расчленим эту пластину (рис. 1, б) на три стержня — /, II и ///. До нагрева длина всех стержней одинакова и равна l₀.

При равномерном нагреве (с изменением температуры по линей­ному закону) длина незакрепленного стального стержня / изме­нится аналогично кривой абв (рис. 1, а). Допустим, что при этом; стержень / удлинится на величину Dl₁. После охлаждения до началь­ной температуры приращение длины стержня стало бы равным 0, т. е. он принял свой первоначальный размер (кривая вг).

В нашем случае стержень / не является свободным. При на­греве связанные с ним стержни // и ///, обладающие более низкой температурой, будут препятствовать удлинению его на величину Dl₁. Приращение длины стержня / ограничится условно кривой аб и при последующем повышении температуры прекратится (кривая бд). В нем возникнут напряжения сжатия (—), которые вызовут соответствующую пластическую деформацию укорочения. В стерж­нях // и /// при этом возникнут напряжения растяжения (+). Удлинение стержня в этих условиях составит Dl₂ < Dl₁.

Рис. 1. Схема возникновения напряжений и деформаций при нагреве средней зоны пластины:а – диаграмма приращений длины стержня I; б – размеры пластины после нагрева; в – то же, после охлаждения.

При последующем охлаждении стержень / будет стремиться (соответственно достигнутой температуре нагрева) к укорочению на длину, равную примерно Dl₁ (кривая дз), однако этому вновь будут препятствовать связанные с ним стержни // и ///.

В начальный период охлаждения напряжения сжатия в стерж­не / будут уменьшаться до 0 (кривая де), а при дальнейшем пони­жении температуры изменят знак. Теперь в стержне / возникнут и останутся напряжения растяжения (кривая еж), а в стержнях // и III — напряжения сжатия как результат противодействия их дальнейшему укорочению стержня /. После охлаждения до на­чальной температуры стержень / будет иметь размер l₃, который меньше первоначальной его длины /₀ на величину Dl₃, следовательно, неравномерный нагрев вызвал напряженное состояние и пластическую деформацию пластины.

Напряжения, которые остаются в металле от местного неравно­мерного нагрева или сварки, называются остаточными, или соб­ственными, так как существуют в изделии без воздействия внеш­них сил.

При сварке кроме неравномерного местного нагрева возникно­вению остаточных напряжений способствуют литейная усадка рас­плавленного металла шва и структурные изменения металла в зоне термического влияния.

Литейной усадкой называют уменьшение объема металла в ре­зультате остывания и твердения жидкою расплава. Усадка изме­ряется в процентах от первоначального линейного размера и состав­ляет: для низкоуглеродистой стали — 2%; алюминия —1,8%.

В результате литейной усадки металла шва возникают сжимающие силы как в продольном, так и в поперечном направлениях к оси шва.

Структурные изменения в зоне термического влияния пред­ставляют собой изменения размеров и взаимного расположения кри­сталлов металла, которые сопровождаются изменением объема металла, подверженного термическому воздействию. Такое местное изменение объема металла приводит к возникновению внутренних напряжений. При сварке легированных и высокоуглеродистых ста­лей, склонных к закалке, эти напряжения могут достигать больших значений.

Напряжения от структурных изменений при сварке низкоугле­родистой стали весьма незначительны и ими можно пренебречь.

Величина и распределение напряжений и дефор­маций зависят от жесткости свариваемых конструкций и изделий; при этом большое значение имеет толщина металла. При сварке металла толщиной до 3 мм проявляются преимущественно большие деформации, а напряжения ничтожны. Сварка металла толщиной от 4 до 16…18 мм сопровождается значительными деформациями; при этом с увеличением толщины в большой степени начинают про­являться остаточные напряжения. При сварке металла толщиной от 18 до 50…60 мм основным фактором является возникновение значи­тельных остаточных напряжений; деформации при этом невелики.

Остаточные напряжения действуют в непосредственной близости к шву и резко затухают на расстоянии 50…80 мм от шва.

Деформации и перемещения в зоне сварного соединения классифицируются следующим образом (рис. 2):

1. Продольные остаточные пластические деформации вдоль сварного шва, создающие условную усадочную силу (усадка составляет от 0,05 до 0,3 мм на 1 пог. м шва при толщине металла от 5 до 16 мм).

2. Равномерные по толщине поперечные остаточные пластические деформации, дающие поперечную усадку (для металла толщиной 6…8 мм поперечные перемещения при ручной, автоматической и полуавтоматической сварке практически одинаковы и составляют около 1 мм на один стык, для металла толщиной 12…20 мм перемещения при авто­матической сварке увеличиваются незначительно, а при ручной — возрастают до 2…3 мм на один стык).

3. Неравномерные по толщине пластические деформации, образующие угловые перемещения (при сварке стыковых соединений с V-образной разделкой кромок угловые деформации могут достигать 3° при толщине металла 6…12 мм и 7° при толщине металла 13…20 мм).

4. Перемещения в зоне шва в направлении перпендикуляра к поверхности свариваемых листов.

5. Сдвиговые деформации, которые образуют в сварном соединении смещения вдоль шва.

Рис. 2. Виды перемещений и деформаций при сварке.