15. Напряжения и деформации при сварке строительных конструкций и изделий

15.1. Процесс возникновения деформаций и напряжений от сварки

Для современных способов сварки характерен быстрый местный нагрев металла до высоких температур. Так как источник тепла подвижный, то изотермы, характеризующие распределение температур при сварке, приобретают форму эллипсов, сгущаясь в направлении движения дуги и вытягиваясь в зоне выполненного сварного соединения (рис. 15.1). Вдоль оси сварки зона нагрева узка и температура быстро падает – на расстоянии 60-80 мм металл имеет начальную температуру. Характер температурного поля зависит от режима сварки, т.е. от эффективной мощности q источника нагрева и скорости v_св его перемещения.

Рис. 15.1. Изотермы, характеризующие распределение температур при сварке

По объему нагреваемого до высоких температур металла способы сварки плавлением распределяются в такой последовательности (по степени возрастания): дуговая автоматическая сварка под флюсом, дуговая ручная, дуговая в среде защитного газа, электрошлаковая и газовая сварка.

При неравномерном концентрированном местном нагреве с последующим охлаждением узких полос швов и прилегающих зон основного металла образуются сварочные напряжения, вызывающие сварочные деформации.

Нагревание стали приводит к существенному изменению ее механических свойств. В интервале температур от 150 до 400°С возрастает временное сопротивление σ_в, уменьшается относительное удлинение δ, при дальнейшем нагреве σ_в падает, а δ возрастает. Модуль упругости Е и предел текучести σ_т при повышении температуры падают (рис. 15.2) и примерно при t=650 °С сталь теряет свои упругие свойства (для расчетов принимают t=600 °С).

Рис. 15.2. Изменение свойств малоуглеродистой стали в зависимости от температуры нагрева

Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Изменение размеров детали в свободном состоянии зависит от температуры нагрева и коэффициента линейного расширения.

Механизм возникновения напряжений и деформаций при равномерном нагреве и остывании стержня объяснен проф. В.П. Вологдиным.

1^й случай. Стержень, закрепленный одним концом при равномерном нагревании и охлаждении свободно будет удлиняться и укорачиваться до первоначальной длины (при охлаждении до Т₀); и никаких остаточных напряжений и деформаций в нем не будет (рис. 15.3, а).

Рис. 15.3. Деформации и напряжения при нагревании и остывании стальных стержней:

1. Защемленного одним концом;

2. То же с упором на другом конце;

3. Защемленного двумя концами

2^й случай. Стержень защемлен с одной стороны, а с другой примыкает к несмещаемой опоре. При равномерном нагревании и охлаждении такого стержня при некоторых условиях произойдет его укорочение, т.к. его удлинению препятствует неподвижная опора – при нагреве – и вместо удлинения произойдет пластическая деформация, а при охлаждении – свободное укорочение стержня против начальной длины (рис. 15.3, б).

Образование напряжений, вызывающих пластичность, можно увидеть из графика (рис. 15.3, б), где дана зависимость напряжений от температуры. При наличии несмещаемой связи в стержне возникают напряжения, увеличивающиеся с ростом температуры.

В т. А напряжения достигнут предела текучести, и при дальнейшем увеличении температуры будут развиваться пластические деформации, а напряжения изменяться по кривой АВ. При остывании напряжения снизятся до нуля (прямая ВС), а дальнейшее охлаждение приведет к укорочению стержня без остаточных напряжений.

При какой же температуре возникает текучесть в стержне? Определим, пользуясь законом Гука.

где =0,000012 – коэффициент линейного расширения стали.

( - начальная температура).

Далее получим

.

Считая приближенно, что (т.к. при повышении температуры увеличивается, а - уменьшается, но до ), и полагая , получим

Значит, при нагревании закрепленного стержня из малоуглеродистой стали с начальной температурой до возникнут напряжения, равные пределу текучести.

3^й случай. Стержень защемлен с двух сторон и не имеет свободы ни удлинения, ни укорочения. При нагревании и охлаждении в нем возникнут остаточные напряжения, которые могут быть достигать предела текучести (рис. 15.3, в).

При нагревании в стержне возникнут напряжения, пропорциональные температуре, и при достижении предела текучести (т. А) рост напряжений прекратится. При дальнейшем нагреве напряжения изменяются по кривой изменения (АВ), а в стержне происходят пластические деформации, приводящие к утолщению стержня.

При остывании напряжения достигают нуля (т. С), а при дальнейшем охлаждении при отсутствии свободы укорочения в стержне возникают растягивающие напряжения, достигающие или меньше – в зависимости от температуры нагрева.

В отличие от такой схемы в сварных конструкциях происходит местный непрерывный нагрев и остывание узкой полосы металла. Поэтому деформации и напряжения образуются по несколько другой схеме, предложенной проф. Н.О. Окербломом, который рассматривает пластину, на кромку которой наплавляют сварной шов.

При наплавке сварного шва происходит местный нагрев кромки до температуры плавления стали (1530°С), причем по мере удаления от оси шва температура нагрева резко снижается (рис. 15.4, а).

Рис. 15.4. Деформации стальной пластины при наплавке шва на кромку: