Внутренние напряжения. Явление усадки при сварке
Главная / Проектирование стальных конструкций / Сварные соединения / Внутренние напряжения. Явление усадки при сварке

Как уже указывалось, напряжения в материале могут возникать не только в результате приложения внешних сил, но и вследствие тепловых (термических) воздействий. Известно, что при нагревании большинство тел расширяется.

Линейное удлинение при этом определяется уравнением

 

Формула (7.IV)

где ∆l— удлинение элемента;

α — коэффициент линейного расширения (при t ≈ 20° α = 0,000012, при t ≈ 300° α = 0,000018); 

l — первоначальная длина элемента; t = t2 — t1 — разность температур.

Представим себе стержень, зажатый между абсолютно жесткими стенками. Начнем его нагревать до температуры ниже 600°. При такой температуре в стержне, который не сможет удлиниться, возникнут упругие напряжения, равные [смотрите формулу (2.II)]

 

Формула

а в стенках возникнут реактивные силы S, равные S = σF, где F — поперечное сечение стержня.

После прекращения нагревания стержень сохранит свою длину, а напряжение в стержне и реакции в стенках исчезнут. Если этот же стержень нагревать до температуры выше 600°, то развивающиеся в нем напряжения превзойдут предел упругости. Поэтому температуру около 600° для малоуглеродистых сталей называют температурой пластичности. После прекращения нагревания стержень получит остаточную деформацию — он укоротится.

Если бы стержень был закреплен в стенке и не мог укоротиться, то после остывания в нем появились бы напряжения растяжения.


Остаточная деформация после нагрева

Остаточная деформация после нагрева


Теперь представим себе пластинку, в середине которой производится разогрев путем наложения небольшого шва. Отдельные зоны или участки металла получат неравномерную деформацию, будучи нагреты до разных температур.

При этом участки, окружающие место сварки, сопротивляются развитию деформации, подвергаясь сжатию, в результате которого напряжения в них могут достигнуть предела текучести. При охлаждении нагретый металл стремится сократиться, но сокращается он как упругий материал.

Этому сокращению препятствуют более холодные участки.
В результате внутри тела возникают напряжения, являющиеся следствием неравномерности распределения температуры в нем.

Эти напряжения уравновешиваются внутри самого тела, образуя в нем сжатые и растянутые зоны. Часто эти напряжения вызывают изменение формы тела (коробление) и приводят к такой деформации, при которой наступает состояние равновесия.

Деформации конструкции, появляющиеся в результате остывания после сварки, как правило, связаны с уменьшением размеров, поскольку сварные швы, остывая, сокращаются и стягивают прилегающие участки металла, причем в них появляются растягивающие напряжения. Эти деформации называются сварочными деформациям, или усадкой.

Различают усадку поперечную, т. е. усадку поперек шва и продольную, т. е. усадку вдоль сварного шва. Если швы в поперечном сечении элемента расположены несимметрично относительно нейтральной оси, продольная усадка ведет к выгибу элемента, трудно исправимому в производстве. Поэтому конструктивную форму с несимметричным расположением швов следует избегать.


Деформация элементов при сварке

Деформация элементов при сварке


Особенно неблагоприятно сказывается на конструкции поперечная усадка; она почти в 10 раз больше, чем продольная. На фигуре, в показан поперечный стыковой шов. После сварки он не только стягивает листы, но и несколько выгибает их.

По перечная усадка стыкового шва пропорциональна площади сварного шва и может быть определена по формулам:

Формула (8-IV)

где δ — толщина свариваемого металла; α — угол раскрытия шва; b — величина зазора.

Если подлежащие сварке листы жестко закреплены по пери метру, то вследствие сопротивления закреплений в листах и шве после усадки появляются внутренние растягивающие напряжения. Эти напряжения достигают больших величин и могут при вести к образованию трещин.

Для пластичного материала значение внутренних напряжений не столь велико, так как по достижении в материале напряжений, равных пределу текучести, внутренние напряжения частично исчезают, и после первой же разгрузки конструкция работает вполне упруго.

Однако в условиях плоского напряженного состояния, способствующего появлению хрупкости (смотрите Неравномерное распределение напряжений), внутренние напряжения играют существенную роль и в пластическом материале, так как они могут привести к образованию трещин. Поэтому сварку по замкнутому контуру следует избегать, в особенности сварку тех швов, которые направлены поперек основных сил; если же конструкция ее предусматривает, то необходимо во время сварки замыкать контур со стороны более податливых связей.

Можно дать некоторые общие указания о способах борьбы со сварочными деформациями.

  • Конструктивные мероприятия. Следует стремиться к общему уменьшению количества сварных швов, избе гая «лишних» швов. Поскольку усадка пропорциональна объему наплавленного металла, то минимальную толщину швов следует определять точно по прочности, не утолщая швы «в запас».

    Швы в симметричной конструкции следует располагать симметрично или так, чтобы статические моменты площади наплавленного металла по обе стороны нейтральной оси были примерно равны. Нежелательно большое скопление швов в одной точке (пересечение швов) или близкое расположение параллельных швов.

    Следует избегать замкнутых швов, а в случае необходимости их применения предусматривать достаточные свободные поверхности или длины для развития удлинений. Наконец, швы должны располагаться так, чтобы можно было обеспечить рациональную последовательность сварки, для чего составляется карта технологического процесса сварки с учетом применения специальных приспособлений для ручной или автоматической сварки.

  • Технологические мероприятия. Разработка технологического процесса сварки имеет целью установление последовательности и направления наложения швов, а также выбор скорости сварки, зависящей от силы тока. Очень важно, чтобы ванна заполнялась как можно быстрее и не было перерывов в сварке; чем меньше зона разогрева, тем меньше будут деформации.

В необходимых случаях предусматривается создание обратных деформаций (выгибов) или же определенная последовательность сварки с тем, чтобы создать предварительный выгиб.

В некоторых случаях полезно устраивать жесткие закрепления (при помощи прихваток или кондукторов).

При сварке на морозе, нельзя допускать вследствие снижения ударной вязкости как основного, так и наплавленного металла ударных воздействий на металл. При низкой температуре происходит быстрый отвод тепла от изделия, что приводит к большим остаточным деформациям.

Поэтому рационально металл подогревать до температуры, ощутимой рукой (70°), а также предусматривать мероприятия, обеспечивающие свободную усадку швов. Место сварки должно быть защищено от ветра, а для сварщика должны быть созданы благоприятные условия работы.

«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов