Деформации и напряжения при сварке
Классификация напряжений и деформаций. Кроме деформаций и напряжений, появляющихся в подробностях под действием приложенных нагрузок, в них смогут быть так именуемые деформации и собственные напряжения, каковые существуют в телах кроме того при отсутствии каких-либо внешних сил.
В зависимости от длительности существования деформации и собственные напряжения при сварке разделяют на временные, т. е. существующие период исполнения свари либо сопутствующих технологических операций, и на остаточные, т. е. устойчиво сохраняющиеся в теченидц долгого времени сварки.
Различают личные напряжения I рода, каковые уравновешиваются в макрообъемах тела, II рода—в пределах зерен, III рода в пределах кристаллической решетки.
В зависимости от характера напряженного состояния собстве ные напряжения смогут быть одноосными — линейными, двухо ными — плоскостными и трехосными — объемными.
Различают деформации в плоскости, проявляющи еся в трансформации размеров и формы подробности либо конструкции в пло кости, к примеру, в виде продольных и поперечных деформаци деформации вне плоскости, к примеру в виде угловых деформаци грибовидности, серповидности и т. д.
Деформации, каковые изменяют размеры всего изделия, иска; жают его геометрические оси, именуются неспециализированными. Деформации относящиеся к отдельным элементам изделия в виде выпучин, хло-
32 пуНов, волнистости и других местных искажений, именуются устными.
направляться различать деформации конкретно в зоне сварных деформации и соединений элементов конструкции в целом. Последние являются следствием напряжений и деформаций в сварном соединении.
Образование сварочных напряжений и деформаций. Главными обстоятельствами образования собственных деформаций и напряжений в конструкциях и сварных соединениях являются охлаждение металла и неравномерный нагрев при сварке, структурные и фазовые превращения, механическое (упругое и пластическое) деформирование при сборке, правке и монтаже сварных конструкций и узлов.
Представление о обстоятельствах происхождения тепловых сварочных напряжений и деформаций дает последовательное ознакомление с элементарным процессом охлаждения и нагрева стержня при различных условиях его заделки (закрепления).
В случае если совершенно верно на расстоянии поставить твёрдую преграду, мешающую удлинению стержня, и снова нагревать его, то при расширении стержень будет давить на левую и правую преграды, со стороны которых появляются противодействующие силы реакции на давление стержня R, каковые по отношению к стержню являются внешними сжимающими силами. В стержне появятся напряжения о- сжатия, каковые будут расти по мере роста температуры Т в соответствии с выражением а—аЕТ, где произведение аТ Равняется относительному удлинению, а Е — модуль упругости. В случае если нагревать стержень до температур, вызывающих лишь упругое Деформирование, то при его охлаждении до исходной температуры Е нем не появится никаких остаточных деформаций и напряжений, его протяженность останется неизменной.
Рис. 1. Схема деформации стержня с разными условиями закрепления при нагреве
При нагреве металлического стержня выше 100 °С в нем вероятно появление пластических деформаций.
Разглядим, наконец, случай, в то время, когда стержень закреплен жестко с обоих финишей, закрепление мешает как его удлинению, так и укорочению.
По окончании нагрева до температур, не вызывающих пластического деформирования , и последующего охлаждения в стержне не останется никаких напряжений, поскольку при нагреве
стержень деформировался (сжимался) лишь упруго. На стадии нагрева в нем воз-i никали сжимающие напряжения.
Нагрев до температур, превышающих температуру успехи от (100 °С), ведет к возникновению напряжений и пластическому обжатию стержня сжатия аг. При остывании стержень будет стремиться укоротиться на величину обжатия А/Пл. Но твёрдое закрепление будет мешать сокращению.
Реакция закрепления приведёт к появлению в стержне растягивающих напряжений. Эти остаточные напряжения растяжения не показались бы, если бы стержень при нагреве не претерпел пластического обжатия.
Нагрев стержня из низкоуглеродистой стали при твёрдом его закреплении до температур 200° С ведет к появлению в нем по окончании остывания растягивающих напряжений, равных пределу текучести а также к пластическим деформациям растяжения.
Процессами, происходящими при охлаждении и нагреве защемленного стержня, разъясняется образование временных и остаточ ных напряжений.и деформаций, действующих в сварном шве и при легающей территории, где металл подвергается упругопластическому де формированию при охлаждении и нагреве в ходе сварки. Территорий нагрева при сварке ведет себя как защемленный нагреваемый стержень, а холодные участки металла как защемление.
Необходимым условием происхождения остаточных деформация и напряжений есть наличие пластической деформации при нагреве. Чем выше нагрев и больше его неравномерность, тем более возможно появление при нагреве пластических деформаций, а cледовательно, и деформаций и остаточных напряжений.
Величина остаточных напряжений для углеродистых сталей достигает предела текучести, для сталей высоколегированных может быть больше условный предел текучести, для титана, алюминия, меди, и тугоплавких металлов, в большинстве случаев, меньше предела текучести.
При сварке закаливающихся сталей наровне с напряжениями и тепловыми деформациями появляются структурные напряжения связи с образованием закалочной, мартенситной структуры, поскольку образование мартенсита сопровождается повышением количества если сравнивать с количеством перлита и феррита.
—
Главные понятия. Изменение размеров и формы жёсткого тела под влиянием внешней либо внутренней силы именуется деформацией. В случае если размеры и форма восстанавливаются по окончании прекращения действия силы, то такая деформация будет упругой. В случае если тело не принимает начальной формы, оно взяло остаточную, либо пластическую, деформацию. Размеры деформации определяются величиной приложенного упрочнения. Чем больше упрочнение, тем больше вызываемая им деформация.
О величине упрочнения делают выводы по напряжению, вызываемому данным упрочнением в теле. Напряжением именуется внутренняя сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения тела. Так, между напряжением и вызываемой им деформацией существует прямая зависимость.
деформации и Напряжения, появляющиеся от охлаждения материала и неравномерного нагревания, именуются тепловыми либо термическими. Величина расширения металла зависит от температуры его коэффициента и нагрева линейного расширения — величины в миллиметрах, на которую удлиняется железный стержень длиной 1 м при нагревании его на 1 °С. Чем больше коэффициент термического линейного расширения и выше температура нагрева, тем громадную деформацию будет испытывать металл при охлаждении и нагревании.
В случае если закрепить финиши стержня так, что он не сможет вольно удлиняться либо сокращаться, то термические деформации стержня позовут в нем термические напряжения, соответствующие этим деформациям. Чем громадную нагрузку будет испытывать закрепленный стержень, тем больше будет его деформация и тем выше будут появляющиеся в нем напряжения.
На величину деформаций при сварке воздействует теплопроводность металла. Чем выше теплопроводность свариваемого металла, тем равномернее распределяется по его сечению тепловой деформация и поток будет меньше. Так, к примеру, при сварке нержавеющих сталей, владеющих большим коэффициентом и меньшей теплопроводностью термического линейного расширения, чем малоуглеродистая сталь, деформации получаются больше, чем при сварке малоуглеродистой стали.
Напротив, алюминий, владеющий более высоким коэффициентом термического линейного расширения, но существенно лучше проводящий теплоту, чем низкоуглеродистая сталь, дает при сварке меньшие деформации если сравнивать с малоуглеродистой сталью.
Термические напряжения смогут появляться в металле и без действия внешних упрочнений. Такие напряжения именуются собственными. Из собственных термических напряжений громаднейшее значение имеют те, каковые появляются на протяжении охлаждения изделия.
Если они действуют лишь на протяжении шва, это не отражается на прочности сварного соединения. Более страшны напряжения, действующие перпендикулярно оси шва (поперечные), так как они смогут привести к появлению трещин в шве и околошовной территории.
Обстоятельства происхождения деформаций. Внутренние напряжения появляются лишь в том случае, если сокращению детали и свободному расширению что-либо мешает. Таким препятствием являются соседние участки металла, оставшиеся более холодными благодаря неравномерного нагрева и потому менее расширившиеся.
Наличие сосредоточенного источника теплоты (электрическая дуга), перемещающегося на протяжении шва с определенной скоростью и вызывающего неравномерное нагревание металла при сварке, есть главной причиной происхождения внутренних деформаций и напряжений в сварных изделиях.
Усадка наплавленного металла появляется в следующих случаях. При переходе наплавленного металла из жидкого состояния в жёсткое количество его значительно уменьшается, происходит усадка. Явление усадки разъясняется тем, что при затвердевании металла он делается более плотным, благодаря чего количество его уменьшается.
В следствии усадки появляются растягивающие напряжения в соседних частях подробности, каковые вызывают соответствующие им деформации и напряжения. Разные металлы имеют различную усадку. Она в большинстве случаев измеряется в процентах от начального линейного размера. Так, усадка алюминия 1,7…1,8; латуни — 1,45…1.6; латуни — 2,06; меди — 2,1; малоуглеродистой стали — 2.
Напряжения, вызванные усадкой, возрастают , пока металл не начнет вытягиваться”. Если он не хватает пластичен, подробность может дать трещину в самоё слабом месте. Этим местом часто бывает околошовная территория термического влияния. Благодаря усадки либо сокращения количества металла образуются трещины в ходе сварки, именуемые тёплыми трещинами.
При сварке происходит продольная и поперечная усадка.
Продольная усадка приводит к сокращению длины страниц при сварке продольных швов. В случае если центр тяжести поперечного сечения шва не сходится с центром тяжести сечения свариваемого элемента, то от продольной усадки неизбежно появляется коробление этих элементов в продольном направлении. Поперечная усадка дает коробление страниц. Усадка неизменно больше в том месте, где больше количество наплавленного металла. Исходя из этого при поперечной усадке страницы будут коробиться вверх, в сторону усиления шва.
В случае если подробность закрепить, не давая ей деформироваться от усадки, то это приведёт к в закрепленных участках изделия.
Величина деформаций и связанных с ней напряжений зависит от величины территории нагрева при сварке. Чем больший количество металла разогревается при сварке, тем посильнее будут деформации и коробление. Исходя из этого разные методы сварки дают разную величину деформаций.
Рис. 1. Деформации от поперечной усадки наплавленного металла: а — соединение до сварки, б — по окончании сварки
Рис. 2. Продольная усадка и вызываемые ею деформации: а — при симметричном б, в, г — при несимметричном размещении швов относительно центра тяжести сечения элемента;
положения и Размеры швов воздействуют на величину деформации при сварке. Громаднейшие деформации появляются в долгих швах, расположенных несимметрично относительно сечения свариваемого профиля. Чем сложнее форма подробности, чем больше в ней разных швов, тем больше она может деформироваться.
Неестественное охлаждение подробности в ходе сварки сокращает величину деформации.
Методы деформаций и снижения напряжений. Для понижения сварочных деформаций и напряжений при разработке линии;;;ей железных конструкций учитывают следующее. Сварные соединения конструируют так, дабы количество наплавленного металла был минимальным. С целью этого прерывистые швы заменяют целыми меньшего сечения.
Стыковые швы проектируют с минимальным минимальным раскрытия зазором и углом шва. Избегают резких переходов сечений, и используют в основном стыковые соединения. Не допускают концентрации и пересечений сварных швов.
Порядок сборки под сварку, метод сварки, последовательность наложения и режимы сварки шва по его сечению и длине влияют на величину напряжений и деформаций при сварке.
Дабы уменьшить напряжения конструкций и остаточные деформации и изделий при сборке, по возможности не допускают скрепления подробностей прихватками, каковые создают твёрдые закрепления. Для обеспечения подвижного состояния закрепленных подробностей применяют клиновые, центровочные и другие сборочные приспособления.
На образование остаточных напряжений и деформаций большое влияние оказывает метод сварки. На характер и величину сварочных остаточных деформаций и напряжений воздействуют режим и энергия сварки. Повышение сечения шва, в большинстве случаев, содействует росту деформаций. Величина остаточных напряжений и деформаций зависит и от порядка наложения швов по сечению и длине.
К примеру, при сварке листовых конструкций сначала делают поперечные швы отдельных поясов, а после этого сваривают пояса между собой.
Чтобы не допустить деформации в ходе сварки, используют следующие методы.
Уравновешивание деформаций содержится в том, что устанавливают определенную последовательность наложения швов, при которой деформации от прошлых швов понижаются при исполнении последующих швов. Данный метод обширно используют при сварке конструкций симметричного сечения.
Обратные деформации делают так. Перед сваркой конструкций либо элемента для уменьшения остаточной деформации искусственно создают деформацию, обратную по отношению к той, которая может появиться при сварке. На рис.
3 продемонстрированы примеры применения обратной деформации.
Твёрдое закрепление подробностей перед сваркой снабжает уменьшение сварочных деформаций.
Проковка швов и околошовной территории легкими ударами молотка содействует понижению деформаций и напряжений. При исполнении проковки нужно выполнять следующие условия. При многослойной сварке проковку делают послойно, а первый и последний швы не проковывают; шов проковывают участками длиной 150…200 мм сразу после сварки либо подогрева его до 150…200 °С; при сварке металла толщиной более 16 мм проковывают и металл околошовной территории.
Рис. 3. Применение обратных деформаций при сварке: а — клиновидный зазор, равный 10 … 20 мм на 1 м шва, б, в —предварительный выгиб (/, II — положения до и по окончании сварки)
Неспециализированный отжиг сварных конструкций делают тогда, в то время, когда они изготовлены из сталей, имеющих склонность к образованию закаленных территорий вблизи сварного шва (особенно при громадной толщине свариваемого металла), а также в том случае, в то время, когда конструкции трудятся в сооружении при знакопеременных нагрузках.
Механическую правку конструкций создают приложением ударной либо статической нагрузки при холодном либо нагретом состоянии металла.
Термическую правку конструкций делают наплавкой валиков с обратной стороны шва либо местным нагревом.
Для получения сварных конструкций заданных проектных размеров нужно давать припуски на усадку сварных швов. На один поперечный стыковой шов проката страниц толщиной 8… 16 мм припуск обязан составлять около 1 мм.
