Классификация сварочных напряжений и деформаций и их влияние на качество конструкций.

Возникающие при сварке напряжения относятся к разряду собственных напряжений, т.е. напряжений, существующих в конструкциях при отсутствии внешних нагрузок. Такие напряжения образуются не только при сварке, но и при других технологических процессах: прокатке, гибке, шлифовании, резании. Собственные напряжения двухзначны: растягивающие усилия всегда в пределах части или всей конструкции уравновешиваются сжимающими усилиями.

Собственные сварочные напряжения классифицируются по следующим признакам:

по времени существования - временные сварочные напряжения, существующие лишь в определенный момент времени нестационарного процесса нагрева и остывания, и остаточные сварочные напряжения, остающиеся после полного остывания конструкции;

по направлению действия напряжений - напряжения продольные, направленные параллельно оси сварного шва, и поперечные, направленные перпендикулярно оси шва.

Продольные напряжения возникают от продольной пластической деформации укорочения металла шва и прилегающих слоев основного металла. Характер распределения остаточных продольных напряжений по длине стыкового шва при однопроходной дуговой сварке пластин толщиной 25 мм представлен на рис. 21.2. Как видно из рисунка, продольные напряжения для швов длиной более 500 мм достигают максимального значения (350 МПа) на расстоянии 200 - 300 мм от концов шва и остаются примерно постоянными на всем среднем участке шва. Для швов длиной менее 500 мм (кривые 1 - 5) значения максимальных продольных напряжений находятся в зависимости от длины шва, снижаясь при уменьшении длины шва и наоборот. В металле шва и околошовной зоны, в которой прошли пластические деформации укорочения, продольные напряжения являются растягивающими. Они уравновешиваются сжимающими напряжениями, действующими за пределами зоны пластических деформаций.

Поперечные напряжения возникают от поперечной деформации металла шва и прилегающих зон металла из-за разновременного охлаждения их по длине и сечению. Они зависят от скорости сварки, длины и ширины пластин, условий охлаждения и закрепления. Поперечные напряжения являются взаимно уравновешенными, поэтому могут быть как растягивающими, так и сжимающими. Значительные растягивающие напряжения с протеканием пластических деформаций удлинения в период охлаждения возникают при сварке коротких швов в жестком контуре, например при заварке дефектных участков сварного соединения.

В зависимости от причины, вызвавшей появление напряжений, различают температурные напряжения, вызванные неравномерным распределением температуры по сечению свариваемого элемента; напряжения, вызванные пластическим деформированием металла;структурные напряжения, связанные со структурными превращениями металла в районе сварного соединения. Температурные напряжения образуются всегда, но после полного остывания исчезают. Структурные напряжения возникают при сварке многих легированных сталей и сплавов, особенно склонных к закалке и старению с образованием малопластичных составляющих, значительно отличающихся по физическим свойствам от основы металла. Они могут развиваться не только при сварке, но и после ее окончания. Напряжения, обусловленные пластическими деформациями металла в зоне шва, практически всегда существуют в сваренных конструкциях.

Рис. Общие сварочные деформации плоскостной конструкции с продольными таврами и поперечными ребрами жесткости: ∆l - продольное укорочение; ∆b - поперечное укорочение; f_l и f_b - стрелы прогиба в продольном и поперечном направлениях

Как и напряжения, сварочные деформации бывают временными и остаточными, а по направлению действия - продольными (параллельно оси шва) и поперечными (перпендикулярно к оси шва). В свою очередь, временные и остаточные деформации можно разбить на две группы в зависимости от того, на какую часть конструкции они распространяются:

- деформации, вызывающие искажение формы и размеров всего свариваемого элемента или конструкции, получили название общих сварочных деформаций (рис.). К ним относятся изменения линейных размеров и искривление осей конструкции в продольном (от действия продольных напряжений) и поперечном (от действия поперечных напряжений) направлениях;

- деформации, распространяющиеся только на отдельные свариваемые элементы конструкции, называют местными сварочными деформациями (рис.). К ним относятся деформации отдельных элементов от потери устойчивости (коробление) и угловые деформации (поворот сечений, грибовидность, "домики", ребристость). Угловые деформации обусловливаются, главным образом, неравномерной поперечной усадкой по толщине листа и по сечению металла шва, особенно при переходе последнего из жидкого состояния в твердое.

Рис. Разновидности местных сварочных деформаций

а - угловая деформация стыкового соединения (поворот сечений); б - угловая деформация таврового соединения (грибовидность); в - "домики" стыкового соединения; г - ребристость; д- деформация тонкого листа вследствие потери устойчивости (хлопуны)