Особенности физического процесса

Возникновения напряжений и деформаций при сварке

При нагревании все металлы расширяются (удлиняются), а при охлаждении – сжимаются. Рассмотрим пример, когда к пластине АВСД, длина которой l_нач, приварены сверху пластина EFMN и снизу пластина RTSP на ограниченных участках шириной «в». При сварке нагревается не весь металл изделия, а лишь узкая его полоса, шириной «в» (Рис. 1).

Рис.1. Схема образования сварочных напряжений

Участок III длиной l_нач удлинится на величину 2∆l и шов EN поднимется до E¹N¹, шов PR опустится до P¹ R¹, а соседние участки I и II будут препятствовать удлинению участка III. При этом в удлинившемся участке III. возникнут напряжения сжатия, а в участках I и II – напряжения растяжения. При охлаждении после сварки участок III сократится только на величину 2∆l < 2 ∆l, и швы займут положение E²N² и P² R ² так как дальнейшему сокращению его длины препятствуют участки I и II, которые вытянулись – получив небольшую пластическую деформацию растяжения при удлинении участка III. Тогда в среднем участке III возникнут напряжения растяжения «+», а в наружных участках I и II – напряжения сжатия «-».

Напряжения и деформации, возникающие при сварке от неодинакового нагревания и охлаждения разных участков изделия, называются так же тепловыми или термическими напряжениями. В данном случае – это внутренние сварочные напряжения.

Сварка металлических конструкций сопровождается нагревом шва и околошовной зоны до 3000...4000°С. С удалением от оси шва температура нагрева заготовок снижается, и отдаленные периферийные участки свариваемых изделий могут вообще не нагреваться. Если свободно лежащую незакаленную заготовку нагреть, то это не вызовет появления в ней ни временных, ни остаточных напряжений после охлаждения, так как заготовка свободно удлинится, а затем свободно сократится. Однако если нагреваемый элемент закреплен, то даже одинаковый нагрев всех его участков, вызывает появление в нем напряжений, т.к. закрепление препятствует удлинению. Если неодинаковость нагрева участков изделия, различно удаленных от шва, очень высока, то между нагретыми (увеличивающимися в объеме и длине) и не нагретыми (не изменившимися) слоями металла возникают напряжения. Если возникающее напряжения не превысят предела упругости металла, то после охлаждения они исчезнут, не вызвав остаточной деформации изделия. В том же случае, если напряжения растяжения при нагреве в каком-либо объеме элемента превысят предел упругости и достигнут величины предела текучести, то в элементе произойдут некоторые смещения сечений – остаточное удлинение, и после охлаждения возникнут остаточные напряжения. Такие остаточные напряжения возникают при сварке, если элемент не имеет внешних закреплений, но нагревается или охлаждается в разных участках изделия до разных температур. Роль закрепления нагреваемых элементов в этом случае играют ненагретые или слабо нагретые слои металла этого изделия.

Рассмотрим механизм возникновения собственных напряжений и деформаций при наплавке сварного шва. В процессе наложения валика шва быстрому высокотемпературному нагреву подвергаются только свариваемые кромки пластин и околошовная зона, а удаленные по обе стороны от них участки остаются не нагретыми. В процессе нагрева при наплавке шва возникнут такие напряжения: в шве и сваренных кромках – сжатия, так как соседние слои препятствовали их свободному удлинению, а в участках металла слева и справа от этих кромок – напряжения растяжения. Поскольку в процессе сварки и кристаллизации горячего шва, напряжения сжатия кромок заготовок и шва, как правило, превосходят пределы упругости и даже текучести, которые очень малы в нагретом пластичном металле, то шов и околошовная зона претерпят пластическую деформацию сжатия.

При охлаждении же шов и околошовная зона будут стремиться укоротиться на величину полученной деформации сжатия, но этому препятствуют соседние участки металла, которые укоротятся на меньшую величину, так как были меньше нагреты. После полного охлаждения сваренной детали в ней возникнут остаточные сварочные напряжения:

– в шве и околошовной зоне – растяжения, то есть они будут стремиться сжаться и тянуть металл соседних слоев «на себя»;

– в соседних со швом участках – сжатия.

В результате действия этих напряжений в сварной конструкции будут участки, пластически деформированные, и участки с остаточными сварочными напряжениями. Чаще всего это участки шва и околошовной зоны. Протяженность этих участков в поперечном направлении шва зависит от многих факторов, главным из которых является количество тепла, полученное при сварке, способ сварки, продолжительность нагрева металла, количество наплавленного металла, геометрическая форма и размеры изделия.

Максимальные растягивающие направления в низкоуглеродистых сталях обычно достигают в шве и околошовной зоне значений предела текучести. Далее в зоне термического влияния они уменьшаются, падают до нуля и затем переходят в сжимающие в основном металле изделия.

Распределение остаточных напряжений в сталях, титановых и алюминиевых сплавах имеют, как правило, одинаковый характер.