Вся бібліотека >>>

Зміст книги >>>

 

Книги з будівництва та ремонту

Ручне дугове зварювання


Побут. Господарство. Будівництво. Техніка

 

Напруження і деформації при зварюванні. Термічна обробка зварних конструкцій

 

 

15.1. Напруження і деформації при зварюванні

 

Нагрівання і плавлення металу при зварюванні створюють внутрішні напруги в металі і його деформацію, викликаються наступними причинами:

нерівномірним нагріванням і розподілом температур по перерізу і довжині зварного з'єднання;

ливарної усадкою наплавленого металу;

структурними змінами металу при охолодженні.

Ці зварювальні напруження і деформації є власними або залишковими напруженнями і деформаціями металу, так як не залежать від додатка до нього зовнішніх сил, а з'являються в результаті внутрішніх сил, що виникли від зварювання.

Зміна механічних властивостей низьковуглецевої сталі в залежно від нагріву графік її залежності від напруги показано на 15.1. Як видно з 15.1, at oB спершу зростає від нагріву, а із збільшенням температури різко падає, падає також 0Т і модуль пружності £, зростає відносне подовження б. На 15.1,6 видно, що із збільшенням напруги сталь деформується незначно (подовжується до 0,2 %) до межі пружності ду. При навантаженні до межі пружності сталь деформується пружно, і зі зняттям навантаження відновлює колишні розміри і форму. Якщо ж навантаження буде незначно збільшена за межа плинності стт, сталь буде подовжуватись навіть без збільшення навантаження до 2 %, і ця деформація від 0,2 до 2 % вже не буде пружною, а пластичної і залишиться при знятті навантаження При подальшому збільшення навантаження пластична деформація сталі буде зростати аж до тимчасового опору ів, після чого сталь зруйнується. Деформацію стали від 0,2 до 2,0 % називають площадкою текучості.

З наведених графіків видно, яке велике значення для роботи зварного з'єднання мають нерівномірне температура нагрівання при зварюванні і виникаючі при цьому навантаження. Нагрів сталі при зварюванні різко знижує межа плинності, збільшує подовження, що викликає незворотні пластичні деформації і, як наслідок, розтягуючі і стискаючі напруги в зварному з'єднанні. Процес цей йде безперервно до закінчення зварювання з'єднання. На 15 2 показано характер деформацій сталевого листа при нагріванні і охолодженні в процесі зварювання і виникаючі при цьому поздовжні напруги паралельно осі шва. При невеликій товщині сталі 3-5 мм це супроводжується викривленням листа, а при більшій товщині жолоблення з площини поступово зменшується, але поздовжня у^^Дк^ (вкорочення) шва і прилеглого металу залишається* Поряд з поздовжніми деформаціями і напруги* мі виникають поперечні, викликають поперечний вкорочення деталей і кутову деформацію.


Виникнення залишкових напруг і деформацій сприяє термічна усадка - зменшення об'єму металу шва при його охолодженні і твердінні. Усадка вимірюється у відсотках початкового об'єму або лінійних розмірів: для низьковуглецевої сталі вона складає 2%; для алюмінію 1,8%.

Значну роль в утворенні напруг у металі грають структурні перетворення, що відбуваються при нагріванні і потім при охолодженні металу шва і біляшовної зони. Ці перетворення у низьковуглецевої сталі відбуваються при температурі вище 600°С, тобто вище температури межі пружності. Внаслідок цього вони не супроводжуються утворенням напруг, так як метал знаходиться в пластичному стані і при зміні обсягу пластично деформується. Виникнення напружень при охолодженні спостерігається у легованих сталей, що загартовуються, зважаючи на те, що розпад аустеніту з утворенням гартівних структур (мартенсіту) у них відбувається при більш низьких температурах (200 - 350 °С), коли метал знаходиться в пружному стані. Перетворення в мартенсит супроводжується збільшенням обсягу; прилеглий до нього метал буде відчувати напруги, що розтягують, а ділянки зі структурою мартенсіту - стискаючі. Якщо сталь недостатньо пластична, прикордонних між цими ділянками районах можуть утворюватися тріщини, для попередження їх появи потрібні додаткові технологічні заходи.

Напруження і деформації, що виникають від нагрівання й охолодження сталевого листа, наочно можна показати при наплавленні з великою швидкістю валика на крайку смуги (15.3). На рис, 15.3,6 видно, як деформувалася смуга безпосередньо після наплавлення валика ще до його остигання. Під впливом тепла дуги і наплавлення валика кромка подовжилася разом з прилеглим металом і змусила подовжитися і зігнутися іншу частину смуги 2, що викликало в ній напруги розтягування, а в смузі / напруги стиснення. Ці напруги викличуть у смузі / пластичні деформації - після остигання вона стане толше і коротше початкових розмірів. Пластичні деформації в смузі / неминучі, так як температура її нагрівання понад 600°С, отже вище межі плинності. За міру охолодження смуги / і валика смуга буде скорочуватися, і їй в цьому буде перешкоджати смуга 2. В результаті в проносі 2 виникнуть напруги стиску, а у смузі / напруги розтягування. На епюрі напрузі вони заштриховані. Незаштрихованная частина епюри ха-пактеризует деформацію смуги / в пластичному стані. Загальний вигляд смуги з наплавленим валиком на кромці показує залишкові напруження і деформації, викликані зварюванням. Напруги в ній врівноважені, сума напруг розтягнень (-)

і стиснень (+) дорівнює нулю.

Наведений приклад утворення деформації та напруги при наплавленні валика на крайку смуги характерний і для інших конструкцій Якщо з'єднати дві смуги стиковим швом (15.4, а), то в кожній смузі характер напруг від зварювання буде з деяким допущенням такий же, як при наплавленні на її крайку валика (15.3). Загальна епюра напружень, наведена на 15.4, а, показує, що в шві і прилеглому металі будуть напруги розтягування, рівні межі плинності, і пластичні деформації розтягування, а в основному металі смуг, не піддаються нагріванню вище 600 °С (температури межі плинності) - тільки напруги стиснення. Розподіл напружень залежить від ширини смуг. Деформації та напруги при зварюванні тавра (15.4,6) характером схожі іа деформації та напруги при наплавленні валика на крайку смуги. Однак, так само, як у стикових з'єднань, вони залежать від товщини і розмірів елементів, що з'єднуються, від послідовності та режимів зварювання, якості металу та інших причин. На епюрі показано поздовжні напруги в тавровом з'єднанні, що викликали його вигин. Неправильна послідовність зварювання також може викликати непоправні деформації (15.5). В результаті зварювання на прохід зварювані кромки зімкнулися і навіть перекрили одна іншу. Великі кутові деформації можуть бути викликані поперечної усадкою стикового або кутового шва (15,6, а). Жорстке закріплення зварюваних деталей і освіта замкнутого контуру є причиною тріщин у шві і зоні термічного впливу (15.6,6), При зварюванні листових конструкцій, наприклад, резервуарів з плоскими днищами, великим дефектом є «хлопуны» - місцеві увігнуте іі або опуклості, що досягають іноді значних розмірів. Вони появлякнея внаслідок неправильної послідовності зварювання швів, надто великої тепловкладення (надмірної погонною енергії) і можуть бути причиною руйнування конструкції.

 

 «Ручне дугове зварювання» Наступна сторінка >>>