Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

4.2. Влияние термодеформационных процессов на качество сварных конструкций

4.2.1. Изменение размеров разделки кромок при сварке

Перемещения кромок свариваемых деталей в направлении по­ перек шва происходят за счет местного расширения металла вблизи сварочного источника и поперечной усадки уже зава­ ренного и остывающего участка шва. В случае электрошлаковой сварки, когда поперечная усадка составляет несколько миллиметров, а шов до нескольких метров длины, перемеще­

ния кромок могут привести к прекра­ щению процесса сварки *либо за счет увеличения зазора и вытекания сва­ рочной ванны, либо за счет полного закрывания зазора и невозможности подачи присадочной проволоки. В тех случаях, когда не происходит полной остановки сварочного процесса, воз­ можно существенное изменение каче­ ства сварки, так как при изменении сварочного зазора изменяются состав и свойства шва за счет изменения долей основного и присадочного ме­ талла в сварочной ванне. При дуго­ вой сварке возможно также появле­

ние непроваров и натеков металла в корне шва. Продольная усадка часто вызывает искривление свариваемых пластин в плоскости (серповидность) и потерю устойчивости. При этом взаимные перемещения кромок в плоскости свариваемых пла­ стин и в направлении толщины суммируются с погрешностями формы свариваемых кромок и погрешностями при сборке и могут приводить к невозможности сварки и снижению каче­ ства сварного шва. Значительные перемещения кромок в на­ правлении толщины пластин наблюдаются при сварке тонко­ листовых конструкций малой жесткости.

4.2.2. Изменение формы и размеров конструкции

Искажения, вызванные наложением сварных швов, ухудшают внешний вид, а иногда и снижают работоспособность кон­ струкции. В листовых конструкциях причиной перемещений яв­ ляются угловые деформации и потеря устойчивости при про­ дольной усадке. Балки от наложения продольных и попереч­ ных швов испытывают укорочение, изгиб и закручивание (рис. 4.8). Оценить величину перемещений можно с помощью мето­ дов, приведенных в 4.3.1.4.

4.2.3. Остаточные наряжения

Остаточные паст#гИвающие напряжения создают в металле за­ пас энергии, котОРый может способствовать разрушению ме­ талла. Они также способствуют ускорению коррозионных про­ цессов. Связанные с ними пластические деформации приводят к уменьшение пластичности соединения. Складываясь с рабо­ чими напряжении*111’ остаточные напряжения ухудшают рабо­ тоспособность конструкции: сжатые элементы могут потерять устойчивость- в элементах, работающих при переменных на­ грузках, снижается предел выносливости; в элементах, рабо­ тающих на изгиб» уменьшается жесткость сечения за счет пе­ рехода части селения в пластическое состояние. Остаточные напряжения существенно влияют на точность и стабильность размеров сварных деталей. При механической обработке за счет перераспределения остаточных напряжений происходит изменение формы и размеров детали. Под действием остаточ­ ных напряжений возникают деформации ползучести, особенно при повышенных температурах. При первом приложении рабо­ чей нагрузки рабочие напряжения, складываясь с остаточными, могут в отдельных местах превысить предел текучести и вы­ звать пластические деформации. Происходящие под действием остаточных напряжений деформации обычно не превышают долей процента.

4.3. Определение сварочных деформаций, напряжений и перемещений

4.3.1. Расчетные методы

4.3.1.1. Основые этапы расчета. Расчет сварочных деформаций

инапряжений состоит из определения:

1)температурных полей при сварке;

2)свободных температурных деформаций и деформаций от структурных превращений, механических свойств материала, зависящих от температуры;

3)собственных деформаций, напряжений и перемещений.

Для проведения расчета необходимы следующие исходные данные:

1. Характеристики сварочного источника нагрева, условия теплоотвода и теплофизические свойства материалов (коэффи­ циенты теплоемкости ср, теплопроводности А,, теплоотдачи с поверхности ат). Справочные данные и методы расчета тем­ пературных полей приведены в главе 2.

2. Дилатометрические характеристики материалов, обра­ зующих сварное соединение. В случае сварки разнородных ма­ териалов или применения присадочного материала, отличаю­

щегося от основного, эти характеристики для разных зон со­ единения могут не совпадать. Примеры дилатограмм показаны

на рис. 4.9.

Для приближенных расчетов может быть использована усредненная дилатограмма, соответствующая уравнению пря­

мой Деа =аД Т Значения коэффициентов линейного расширения а для раз­

личных материалов приведены в табл. 4.1. В таблице указаны также интервалы изменения температуры 7\ для которых опре­ делены средние значения а. Более точное определение дилатограммы требует проведения испытаний в

ния, имитирующие условия в различных точках свариваемой детали по температуре и деформации (термодеформационный цикл). Полученные из эксперимента напряжения используются в расчете в качестве характеристики материала, отражающей его реальное поведение с учетом релаксации и упрочнения.

4.3.1.2. Уравнения упругопластического деформирования.

При сварке в каждой точке детали возникают в общем случае 6 компонент напряжения, 6 компонент деформации и 3 компо­ ненты перемещения. На рис. 4.12 показано расположение ко­

стины. Соответствующие компоненты деформации и напряже­

ез1 ,. oi2 , о2з, о31 . Для каждой компоненты деформации можно выделить наблюдаемые, собственные и свободные температур­ ные деформации согласно формуле (4.1). При этом для изо­

Наблюдаемые деформации связаны с перемещениями то­ чек тела

Собственные деформации связаны с напряжениями. Упру­ гие деформации связаны с напряжениями законом Гука. Закон Гука записывается отдельно для деформаций изменения объ­ ема и деформаций изменения формы, так как модули упруго­ сти при изменении объема и формы тела различны. Изменение объема выражается через средние нормальные деформации е0.