Основные причины образования сварочных деформаций и напряжений

Основные причины образования сварочных деформаций и напряжений

На примере продольных напряжений σ_x по краю полубесконечной пластины рассмотрим механизм образования остаточных напряжений. Поперечные напряжения σ_y для простоты рассматривать не будем, тем более, что они в данном случае у края невелики. Пренебрежем также влиянием пластической деформации на искажение поля напряжений.

Допустим, что при нагреве распределенным движущимся источником тепла типа газового пламени кромки металла, обладающего бесконечно большим пределом текучести, образуются сжимающие напряжения σ_x(рис. 1). Отсутствие пластических деформаций при нагреве не вызывает остаточных напряжений. После полного остывания остаточные напряжения σ_x=0.

Допустим, что по такому же режиму нагревается кромка металла с пределом текучести σ_T = 400Мпа (рис. 1, б) и что металл не нагревается выше температуры, при которой снижается предел текучести, а модуль упругости Е остается неизменным.

Напряжения σ_x по кромке металла до точки А₁ будут возрастать, оставаясь меньше предела текучести. За точкой А₁ начнется пластическая деформация, а напряжения будут оставаться примерно равными пределу текучести. В точке В₁ сжимающие напряжения начнут уменьшаться, следуя по кривой В₁С₁D₁, эквидистантной кривой BD. В точке С₁ напряжения окажутся равными нулю, а затем перейдут в растягивающие. После полного остывания возникнут остаточные напряжения, примерно равные 190 МПа. Причиной образования остаточных напряжений явились неравномерный нагрев и пластическая деформация металла в период нагрева. Остаточные напряжения оказались растягивающими и меньше предела текучести σ_T=400МПа.

Если предположить, что нагревается кромка металла с меньшим пределом текучести σ_T=200МПа, то картина образования временных и остаточных напряжений изменится. Пластические деформации начнутся заметно раньше и будут протекать вплоть до точки В₂ (рис. 1, в). Затем сжимающие напряжения начнут уменьшаться, в точке С₂ они станут равными нулю, а при дальнейшем остывании металла перейдут в растягивающие.

В точке N напряжения достигнут предела текучести и вплоть до точки D₂ будет происходить пластическая деформация металла. После полного остывания в кромке пластины будут наблюдаться остаточные растягивающие напряжения, равные пределу текучести.

В обоих последних случаях остаточные напряжения будут являться следствием протекания пластических деформаций в период нагрева металла. Возникающие после остывания усилия создают деформацию конструкции - укорочение, изгиб, а в некоторых случаях и потерю устойчивости. Таков в общих чертах механизм образования сварочных напряжений и деформаций.

Рис. 1. Схема образования временных и остаточных продольных напряжений σ_x в процессе нагрева кромки пластины движущимся источником тепла при различных значениях предела текучести металла:
а – σ_T →∞; б – σ_T = 400МПа; в – σ_T = 200МПа