Внутренние напряжения и деформации - Сварочные напряжения и деформации

Подробности

Опубликовано 25.05.2012 15:51

Просмотров: 25992

Напряжением называют силу, отнесенную к площади, на которой она действует. Деформация - это изменение формы и размеров тела под действием внешних либо внутренних сил. Температурные поля при сварке вызывают усадочные явления и интенсивное развитие деформаций. При неравномерном местном нагреве в зоне соединения возникают напряжения сжатия, уравновешиваемые напряжениями растяжения в остальной части детали. При последующем охлаждении происходят неравномерные объемные изменения, пластическое деформирование и, как результат, образование в зоне шва напряжений растяжения. Рассмотрим упрощенный механизм образования и развития пластических деформаций и напряжений при сварке пластин встык. Мысленно разобьем эти пластины плоскостями, параллельными оси шва, на отдельные бесконечно узкие стержни и рассмотрим процесс деформирования одного из них при нагреве и остывании. При нагреве стержень удлинится на величину г = а Г, где а - коэффициент линейного расширения материала, из которого изготовлен стержень; Температура нагрева. 

Удлинению сопротивляются неподвижные торцы стержня, в нем возникают напряжения сжатия, которые с увеличением температуры возрастают, пока не достигнут предела текучести при соответствующей деформации. Начиная с этого момента, т. е. при Т>Тт , кривые в и а разделяются. Напряжение остается постоянным и равным пределу текучести при нормальной температуре до момента времени, когда температура нагрева достигнет значения Тр. Затем напряжение начнет уменьшаться и достигнет нуля при Т = Т р. Деформация же 8 с момента Т = Тт. будет продолжать увеличиваться, что вызовет в стержне деформации сжатия. К моменту, когда температура нагрева достигнет значения 72Кр, пластические деформации сжатия достигнут максимума -8ПЛ в точке. Последующее охлаждение стержня приведет к восстановлению его прочностных свойств и появлению растягивающих напряжений (прямая S2C2). Напряжения растяжения будут расти, пока не достигнут предела текучести от (точка D1), и далее в процессе остывания до точки С1 сохранят свое постоянное значение. После полного охлаждения в элементе в зоне упруго-пластических деформаций будут остаточные напряжения растяжения, равные пределу текучести при нормальной температуре. Поскольку общая накопленная пластическая деформация в этом случае больше ет, разность между ними приведет к появлению пластических деформаций растяжения е. Причиной появления остаточных напряжений может служить разница в удельных объемах структур определенных участков сварного соединения. Эти напряжения носят название структурных остаточных напряжений. Они в большинстве случаев появляются совместно с температурными напряжениями. Например, при остывании легированных сталей образование мартенсита связано с резким увеличением объема. Так как здесь объемные деформации происходят при низких температурах, когда металл находится в упругом состоянии, то структурные превращения приводят к образованию остаточных напряжений.

Напряжения, которые существуют в конструкции или элементе конструкции при отсутствии приложенных к ним поверхностных или объемных сил, называют собственными напряжениями. Они возникают вследствие различных видов деформаций металла, например появляющихся при изменении температуры, из-за структурных превращений или под действием внешних сил.

Собственные напряжения в зависимости от объема взаимно уравновешенных частиц тела подразделяют на напряжения I рода, которые уравновешиваются в макрообъемах (в сварном соединении, сварном шве), II рода, которые уравновешиваются в пределах зерен металла, и III рода, которые уравновешиваются в пределах кристаллической решетки. По продолжительности существования собственные напряжения бывают временные, которые существуют только во время сварки, и остаточные, сохраняющиеся устойчиво в течение длительного периода после сварки. Распределение остаточных напряжений в сварных соединениях весьма разнообразно и трудно поддается регламентации и четкой классификации. Более или менее стабильный характер имеют остаточные собственные напряжения вдоль швов, в первую очередь стыковых. Для большинства сплавов в сварном шве величина наиболее опасных растягивающих остаточных напряжений достигает значения предела текучести и иногда превышает его. Деформации конструкций, вызванные сваркой, разделяют на общие, характерные для сварной конструкции в целом, и местные, которые образуются в пределах одной или нескольких деталей, или на части одной из деталей конструкции. Наблюдаемые в сварных конструкциях общие и местные деформации вызываются необратимыми усадочными явлениями и пластическими деформациями, сопутствующими тепловому воздействию сварочной дуги, а также возникающими сварочными напряжениями. Деформации зависят от способа сварки, геометрических характеристик сечения, расположения соединения в конструкции, техники выполнения сварных соединений. Различают деформации продольные и поперечные, изгиба, скручивания, потери устойчивости. Продольные и поперечные деформации образуются при выполнении всех типов швов и соединений. Это сокращение размеров сваренных элементов по длине и ширине.

Остаточные продольные деформации зависят от ширины и толщины свариваемых элементов, способа сварки, размеров швов и других факторов.

Поперечные деформации в пластинах конечных размеров зависят от длины швов. При выполнении стыковых соединений с зазором от неравномерного нагрева свариваемых пластин по их ширине пластины изгибаются с раскрытием зазора. Остывание металла в зоне уже сваренного шва приводит к сближению и повороту пластин, стремящемуся закрыть зазор.

Деформации изгиба появляются при сварке листов, стержней и оболочек и являются следствием несимметричного расположения швов относительно центра тяжести сечения, не одновременного выполнения симметрично расположенных швов или не одновременного заполнения разделки кромок валиками сварного шва. Неравномерные по толщине поперечные пластические деформации образуют угловое перемещение.

Деформации полки тавровых соединений носят название "грибовидностъ", эти деформации тем больше, чем больше толщина полки и катет сварного шва. Характерными являются деформации при сварке балочных конструкций, например продольного шва тавра (рис. 26). После окончания сварки возникает укорочение балки и изгиб тавра. Деформации скручивания образуются вследствие несимметричного расположения швов относительно центра изгиба стержней или неодновременного наложения швов.

Деформация тавровой балки: при сварке таврового а - балка до сварки; б - балка после сварки; соединения (3 - угол прогиба; А - величина прогиба Деформации потери устойчивости вызываются сжимающими напряжениями, образующимися в процессе выполнения сварных соединений или после остывания конструкции.

Особенно большие деформации возникают при сварке тонколистовых конструкций. В сварных конструкциях могут быть не только общие, но и местные деформации в виде выпучин и волн. Длинные и узкие листы, сваренные встык, под действием угловых деформаций и собственной массы получают волнистость, размеры которой определяются углом Р и толщиной свариваемых листов, определяющей их массу. При приварке к листу ребер поясные листы получают местные деформации - грибовидность. Кроме местных угловых деформаций могут возникать выпучины и волнистость на поверхности листа. Остаточные деформации, возникающие в результате перераспределения внутренних остаточных напряжений после сварки, называют вторичными. Это перераспределение может произойти при первом нагружении сварной конструкции, при механической, термической и газопламенной обработке сварных изделий. Остаточные сварочные напряжения, перемещения и деформации могут существенно снизить прочность, исказить точность форм и размеров конструкции, ухудшить внешний вид изделия, снизить технологическую прочность сварных соединений, что приведет к возникновению горячих или холодных трещин. В определенных условиях может снизиться статическая прочность или произойти потеря устойчивости сварной конструкции.

Деформации при сварке тонколистовых полотнищ (а) и при приварке ребер к листу очередь, может привести к ее разрушению. Для конструкций, работающих в агрессивной среде, в случае растягивающих остаточных напряжений возникает вероятность появления коррозионного растрескивания или усиления коррозионных процессов. Таким образом, на стадиях проектирования, изготовления и монтажа сварных конструкций необходимо принимать меры по уменьшению влияния сварочных напряжений и деформаций. Нужно уменьшать объем наплавленного металла и тепловложение в сварной шов. Сварные швы следует располагать симметрично друг другу, не допускать, по возможности, пересечения швов. Ограничить деформации в сварных конструкциях можно технологическими приемами: сваркой с закреплением в стендах или приспособлениях, рациональной последовательностью сварочных (сварка обратноступенчатым швом и др.) и сборочно-сварочных операций (уравновешивание деформаций нагружением элементов детали). Нужно создавать упругие или пластические деформации, обратные по знаку сварочным деформациям (обратный выгиб, предварительное растяжение элементов перед сваркой и др.). Эффективно усиленное охлаждение сварного соединения (медные подкладки, водяное охлаждение и др.), пластическое деформирование металла в зоне шва в процессе сварки (проковка, прокатка роликом, обжатие точек при контактной сварке и др.). Лучше выбирать способы сварки, обеспечивающие высокую концентрацию тепла, применять двустороннюю сварку, Х-образную разделку кромок, уменьшать погонную энергию, площадь поперечного сечения швов, стремиться располагать швы симметрично по отношению к центру тяжести изделия. Напряжения можно снимать термической обработкой после сварки. Остаточные деформации можно устранять механической правкой в холодном состоянии (изгибом, вальцовкой, растяжением, прокаткой роликами, проковкой и т.д.) и термической правкой путем местного нагрева конструкции.