Возникновение напряжении и деформаций при сварке

Категория:
Деформации при сварке


Возникновение напряжении и деформаций при сварке

Любой металл при нагревании расширяется, а при охлажден нии — сжимается. При изменении температуры меняется структура металла, происходит перегруппировка атомов из одного типа

кристаллической решетки в другой, увеличивается или уменьшается объем. Например, олово способно переходить из одного типа кристаллической решетки в другой с изменением объема до 26%. Эти явления вызывают возникновение значительных внутренних напряжений, которые нередко приводят к образованию трещин. Например, если олово длительное время находится при температуре около —20 °С, то оно начинает разрушаться от самопроизвольного растрескивания.

Изменение температуры тела приводит К перемещению частиц металла. При наличии сопротивляемости смещению в частице возникает напряженное состояние (напряжение). Величина внутренних напряжений частицы (рис. 1) в процессе нагрева возрастает с увеличением сопротивления соседних холодных частиц. С изменением температуры величина смещения частиц меняется. Если все частицы в одинаковой мере претерпевают смещения, вызванные изменениями температуры, то внутренние напряжения в теле не возникают. Если смещения неравномерны, в теле возникают внутренние напряжения. Неравномерные смещения частиц происходят под действием неравномерного нагрева или охлаждения тела. Внутренние напряжения в теле непрерывно меняются. Эти динамические процессы затухают лишь при полном охлаждении до температуры окружающего воздуха, вызывая деформации, а также трещины.

Рис. 1. Схема сопротивляемости расширению: 1 — частица во время нагрева, 2, 3, 4, б — холодные частицы (смещение частицы 1 заштриховано)

Рис. 2. Равномерное нагревание и охлаждение свободного стержня: а —- до нагрева, б — при нагреве, в — после охлаждения

Рис. 3. Нагрев и охлаждение стержня, зажатого между твердыми стенками: а — схема установки стержня, б— зависимость напряжений от температуры нагрева

Рис. 4. Нагрев и охлаждение защемленного стержня: а — схема защемления, 6 и в — зависимость напряжений от температуры нагрева

С охлаждением стержня его длина уменьшается. После охлаждения. до исходной температуры, стержень приобретает первоначальные размеры. Внутренние напряжения в стержне при охлаждении не возникают ввиду отсутствия сопротивления свободному укорочению. Таким образом, равномерный нагрев и охлаждение свободного стержня вызывают изменения размеров без появления остаточных внутренних напряжений и остаточных деформаций.

Случай равномерного нагревания и охлаждения свободного стержня имеет большое значение в сварочной практике. Чем равномернее охлаждается по всей длине выполненный шов, тем меньше будут остаточные напряжений и де ормации. Поэтому часто по всей длине свариваемого шва ставят нескольких сварщиков, чтобы соблюдать условия равномерного нагр’е i всех швов в изделии.

Для этого же применяется и предварительный (перед сваркой) или сопутствующий (в процессе сварки) подогрев металла изделия, главным образом при сварке хрупких металлов — чугуна и высокопрочных сталей.

В начале нагрева в стержне возникнут напряжения, которые могли бы вызвать упругие деформации. Но так как стенки не позволяют стержню удлиниться, то в нем будут оставаться напряжения сжатия.

С повышением температуры они возрастают и достигают предела текучести (точка В), вызывая в процессе повышения температуры уже пластическую деформацию сжатия (осаживание, обжатие) стержня (линия BD). При укорочении стержня его диаметр (сечение) увеличивается, а длина не изменяется.

При охлаждении стержня происходит разгрузка от напряжений (линия DE) и величина их становится равной нулю (точка Е). С этого момента (линия ЕО) при дальнейшем охлаждении стержень потеряет контакт с опорными стенками и будет свободно укорачиваться без появления новых внутренних напряжений. К концу полного охлаждения стержень получит остаточную деформацию AL, которая определяется по формуле AL=aLT, т. е. остаточное укорочение пропорционально термическому линейному коэффициенту а, длине стержня L и температуре нагрева Т.

Остаточных напряжений в стержне нет, так как он после равномерного нагрева (со стесненным расширением) равномерно охлаждался.

Пример с нагревом и охлаждением стержня со стесненным расширением объясняет появление деформаций, направленных поперек шва, при сварке незакрепленных деталей.

Роль неподвижных стенок выполняют холодные частицы металла, граничащие со швом. Свариваемые детали изгибаются в сторону широкой части шва.
При нагреве стержня процесс возникновения и нарастания в нем термических напряжений и деформаций происходит так же, как и в предыдущем случае. Однако свободному укорочению препятствует защемление стержня. Возникают растягивающие напряжени; они могут быть меньше или равны пределу текучести, что зависит от температуры нагрева.

При достижении растягивающими напряжениями предела текучести происходит вытяжка металла по длине стержня. К моменту полного охлаждения стержень будет иметь первоначальные геометрические размеры, а металл стержня будет испытывать остаточные напряжения, равные пределу текучести.

Процессами, происходящими при нагреве и охлаждении защемленного стержня, объясняются напряжения и деформации, действующие параллельно сварному шву.

Если длина сварного соединения в несколько раз превосходит ширину, то сопротивляемость холодного металла удлинению при нагреве и укорочению при охлаждении очень велика, причем более значительна в продольном направлении сварного соединения, чем в поперечном. Вследствие этого в сварных соединениях, как правило, остаточные продольные напряжения растяжения равны пределу текучести (для сталей), а остаточное продольное укорочение меньше,. чем поперечное.

Таким образом, при сварке в нагреваемом металле возникают пластические продольные и поперечные деформации.

При сварке металлов, обладающих относительно низкой пластичностью в исходном состоянии, эти напряжения и деформации могут приводить к появлению трещин в сварных соединениях в любом направлении.

Предупредить разрушение сварных изделий при сварке и их эксплуатации могут только специально предусмотренные мероприятия. .

Видно, что в районе шва продольные напряжения имеют знак + (растяжения), а по бокам соединения действуют напряжения со знаком — (сжимающие). Величина растягивающих напряжений равгга пределу текучести.

Напряжения ог структурных превращений в металле. При сварке закаливающихся сталей образуются структурные ндцря-жения. Образование мартенсита сопровождается увеличением объема, так как плотность мартенсита ниже плотности феррита или перлита. Поэтому при образовании в сварном соединении участка с мартенситной структурой этот участок можно рассматривать как нагреваемый стальной стержень с препятствием к расширению.

За счет нагрева металла до температуры мартенситного превращения с высокой скоростью возникают большие напряжения. Мартенситное превращение в различных сталях может происходить при температурах от 120 до 700 °С. В случае мартенситного превращения при высокой температуре напряжения сжатия приводят к значительной пластической деформации.

Рис. 4. Распределение остаточных продольных напряжений в стыковом соединении

Растягивающие напряжения мартенситном участке достигают разрушающей величины в любоц направлении сварного соединения.

Виды деформаций при сварке. Деформации могут быть вре менные и остаточные, местные и общие, в плоскости и вне пло скости сварного соединения.

Временными называют деформации, которые образуются в определенный момент времени при нагреве или охлаждении в процессе сварки и после сварки исчезают.

Деформации, возникающие в изделии к моменту полного охлаждения металла до окружающей температуры, называются остаточными (конечными) .

Местные деформации относятся к отдельным элементам изделия и выражаются в виде выпучи-

ны, хлопуна, волнистости или других искажений в плоскости изделия. Деформации, при которых изменяются размеры всего изделия, искривляются геометрические оси, называются общими деформациями.

Деформации возможны в плоскости сварного соединения, например в виде продольных и поперечных деформаций, и деформации вне плоскости, например в виде серповидности, грибовидности и угловой деформации.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум