Напряжения и деформации при сварке

В процессе сварки конструкций и изделий в них возникают напряжения, которые могут вызвать изменение геометрических размеров изделий и деформации отдельных элементов конструкции или всего изделия.

Иногда внутренние напряжения могут привести к образованию трещин в швах или в основном металле и даже к разрушению конструкции.

Известно, что металл при нагреве расширяется, а при охлаждении сжимается. И, если при нагреве или охлаждении изменению размеров стержня будут препятствовать какие-либо силы или связи, то в нем могут возникнуть напряжения, способные вызвать пластические деформации и привести даже к разрушению.

Расчеты показывают, что при нагреве стержня из низкоуглеродистой стали выше 100 С уже может возникнуть пластическая деформация, если закрепление стержня будет достаточно жестким. А при нагреве до 800 С требуется небольшое усилие, чтобы вызвать местную пластическую деформацию, т.е. разрушение.

Причины возникновения остаточных напряжений в стальных конструкциях

Ими являются:

1. Неравномерный нагрев свариваемого металла.

2. Литейная усадка расплавленного металла шва.

3. Структурные изменения в околошовной зоне.

При неравномерном нагреве расширению участков, нагретых до высоких температур, препятствуют соседние, менее нагретые слои металла, в связи с чем в зоне высокого нагрева возникнут пластические деформации, которые при охлаждении шва вызовут в конструкции остаточные напряжения и деформации.

Литейная усадка вызывает уменьшение объема в результате остывания и твердения жидкого расплава. В результате в сварочном шве возникнут сжимающие усилия как в продольном, так и в поперечном направлении оси шва.

Структурные изменения в околошовной зоне – это изменение размеров и взаимного расположения кристаллов металла и сопровождаются изменением объема металла в зоне термического влияния.

Классификация напряжений и деформаций при сварке стали

Различают напряжения: продольные, поперечные и угловые.

Продольными называют напряжения, действующие по длине шва.

Продольная усадка вызывает искривление оси изделия (а).

При расположении сварного шва по оси центров тяжести сечений (в) происходит укорочение размера изделий по оси шва. Усадка продольных швов колеблется в пределах от 0,05 до 0,03 мм на 1 п.м. шва и при большой длине шва достигает значительных размеров.

Поперечные напряжения возникают от поперечной усадки сварных швов. При разрезе стыкового соединения по оси шва произойдет искривление пластин, при этом максимальные поперечные напряжения будут сосредоточены в средней части длины шва.

Напряжения от поперечной усадки приводят к появлению трещин и разрывов в сварных соединениях.

Величина поперечных напряжений возрастает с увеличением толщины металла и числа слоев шва.

Угловые деформации возникают при сварке стыковых швов с V-образной разделкой кромок и при сварке угловых швов за счет неравномерной литейной усадки металла по сечению шва.

Угловые деформации могут достигать 3^о при толщине металла 6…12 мм и 7^о при толщине 13…20 мм.

Исправление грибовидности очень трудоемкая операция и требует специального оборудования.