Возникновение напряжении и деформаций при сварке
Любой металл при нагревании расширяется, а при охлажден нии — сжимается. При трансформации температуры изменяется структура металла, происходит перегруппировка атомов из одного типа
кристаллической решетки в второй, возрастает либо значительно уменьшается количество. К примеру, олово способно переходить из одного типа кристаллической решетки в второй с трансформацией количества до 26%.
Эти явления приводят к возникновению больших внутренних напряжений, каковые часто приводят к образованию трещин. К примеру, в случае если олово долгое время находится при температуре около —20 °С, то оно начинает разрушаться от самопроизвольного растрескивания.
Изменение температуры тела ведет к перемещению частиц металла. При наличии сопротивляемости смещению в частице появляется напряженное состояние (напряжение). Величина внутренних напряжений частицы (рис.
1) в ходе нагрева возрастает с повышением сопротивления соседних холодных частиц. С трансформацией температуры величина смещения частиц изменяется.
В случае если все частицы в однообразной мере претерпевают смещения, вызванные трансформациями температуры, то внутренние напряжения в теле не появляются. В случае если смещения неравномерны, в теле появляются внутренние напряжения.
Неравномерные смещения частиц происходят под действием неравномерного нагрева либо охлаждения тела. Внутренние напряжения в теле непрерывно изменяются.
Эти динамические процессы затухают только при полном охлаждении до температуры окружающего воздуха, приводя к, и трещины.
Рис. 1. Схема сопротивляемости расширению: 1 — частица на протяжении нагрева, 2, 3, 4, б — холодные частицы (смещение частицы 1 заштриховано)
Рис. 2. охлаждение и Равномерное нагревание свободного стержня: а —- до нагрева, б — при нагреве, в — по окончании охлаждения
Рис. 3. охлаждение и Нагрев стержня, зажатого между жёсткими стенками: а — схема установки стержня, б— связь между температуры и напряжений нагрева
Рис. 4. охлаждение и Нагрев защемленного стержня: а — схема защемления, 6 и в — связь между температуры и напряжений нагрева
С охлаждением стержня его протяженность значительно уменьшается. По окончании охлаждения. до исходной температуры, стержень получает начальные размеры. Внутренние напряжения в стержне при охлаждении не появляются ввиду отсутствия сопротивления свободному укорочению.
Так, охлаждение и равномерный нагрев свободного стержня приводят к размеров без появления остаточных внутренних остаточных деформаций и напряжений.
Случай охлаждения и равномерного нагревания свободного стержня имеет громадное значение в сварочной практике. Чем равномернее охлаждается на всей протяженности выполненный шов, тем меньше будут остаточные напряжений и де ормации.
Исходя из этого довольно часто на всей протяженности свариваемого шва ставят нескольких сварщиков, дабы выполнять условия равномерного нагр’е i всех швов в изделии.
Для этого же используется и предварительный (перед сваркой) либо сопутствующий (в ходе сварки) подогрев металла изделия, в основном при сварке хрупких высокопрочных — сталей и металлов чугуна.
В начале нагрева в стержне появятся напряжения, каковые имели возможность бы привести к упругим деформациям. Но так как стены не разрешают стержню удлиниться, то в нем будут оставаться напряжения сжатия.
С увеличением температуры они возрастают и достигают предела текучести (точка В), вызывая в ходе увеличения температуры уже пластическую деформацию сжатия (осаживание, обжатие) стержня (линия BD). При укорочении стержня его диаметр (сечение) возрастает, а протяженность не изменяется.
При охлаждении стержня происходит разгрузка от напряжений (линия DE) и величина их делается равной нулю (точка Е). С этого момента (линия ЕО) при предстоящем охлаждении стержень утратит контакт с опорными стенками и будет вольно сокращаться без появления новых внутренних напряжений. К концу полного охлаждения стержень возьмёт 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, поскольку он по окончании равномерного нагрева (со стесненным расширением) равномерно охлаждался.
Пример с охлаждением и нагревом стержня со стесненным расширением растолковывает появление деформаций, направленных поперек шва, при сварке незакрепленных подробностей.
Роль неподвижных стенок делают холодные частицы металла, граничащие со швом. Свариваемые подробности изгибаются в сторону широкой части шва.
При нагреве стержня нарастания и процесс возникновения в нем деформаций и термических напряжений происходит равно как и в прошлом случае. Но свободному укорочению мешает защемление стержня.
Появляются растягивающие напряжени; они смогут быть меньше либо 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 начальные геометрические размеры, а металл стержня будет испытывать остаточные напряжения, равные пределу текучести.
Процессами, происходящими при охлаждении и нагреве защемленного стержня, разъясняются деформации и напряжения, действующие параллельно сварному шву.
В случае если протяженность сварного соединения многократно превосходит ширину, то сопротивляемость холодного металла удлинению при нагреве и укорочению при охлаждении весьма громадна, причем более велика в продольном направлении сварного соединения, чем в поперечном. Благодаря этого в сварных соединениях, в большинстве случаев, остаточные продольные напряжения растяжения равны пределу текучести (для сталей), а остаточное продольное укорочение меньше,. чем поперечное.
Так, при сварке в нагреваемом металле появляются пластические продольные и поперечные деформации.
При сварке металлов, владеющих довольно низкой пластичностью в исходном состоянии, деформации и эти напряжения смогут приводить к появлению трещин в сварных соединениях в любом направлении.
Предотвратить разрушение сварных изделий при сварке и их эксплуатации смогут лишь намерено предусмотренные мероприятия. .
Видно, что недалеко от шва продольные напряжения имеют символ + (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 повышением количества, поскольку плотность мартенсита ниже плотности феррита либо перлита. Исходя из этого при образовании в сварном соединении участка с мартенситной структурой данный участок возможно разглядывать как нагреваемый металлический стержень с препятствием к расширению.
За счет нагрева металла до температуры мартенситного превращения с высокой скоростью появляются громадные напряжения. Мартенситное превращение в разных сталях может происходить при температурах от 120 до 700 °С.
При мартенситного превращения при большой температуре напряжения сжатия приводят к большой 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 смогут быть вре менные и остаточные, местные и неспециализированные, в плоскости и вне пло скости сварного соединения.
Временными именуют деформации, каковые образуются в определенный момент времени при нагреве либо охлаждении в ходе сварки и по окончании сварки исчезают.
Деформации, появляющиеся в изделии к моменту полного охлаждения металла до окружающей температуры, именуются 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, именуются неспециализированными деформациями.
Деформации вероятны в плоскости сварного соединения, к примеру в виде продольных и поперечных деформаций, и деформации вне плоскости, к примеру в виде серповидности, грибовидности и угловой деформации.
