Причины возникновения напряжений и деформаций

28 сентября 2017
Категории: Напряжения и деформации

Одним из свойств металла является изменение размера под воздействием температур. Под воздействием высокой температуры металл расширяется. Как сильно он расшириться зависит от температуры нагрева и коэффициента линейного расширения материала.

Деформации и напряжения могут быть вызваны не только воздействием внешних сил. Существуют так званые собственные напряжения и деформации, которые присутствуют в металле даже без воздействия на него. Собственные напряжения могут быть реактивными и остаточными. Остаточные напряжения появляются в результате местной пластичной деформации и остаются у изделия после сварки. Реактивными называют напряжения возникшие во время сварки жестко закрепленной конструкции.

Классификация напряжений и деформаций

В зависимости от причины возникновения собственные напряжения разделяют на:

  • тепловые напряжения — появляются в следствии неравномерного распределения температуры во время сварки;
  • структурные напряжения — появляются в следствии преобразования структуры во время нагревания выше критической температуры.

В зависимости от времени существования собственные напряжения бывают:

  • временные — существуют при определенных фазовых преобразованиях и исчезают при охлаждении;
  • остаточные — остаются даже после исчезновения причин их образования.

Зависимо от площади действия различают три вида напряжений:

  • напряжения которые действуют в объемах конструкции;
  • напряжения которые действуют в рамках зерен металла;
  • напряжения которые существуют в кристаллической решетке металла.

По направлению действия напряжения и деформации бывают:

  • продольные — вдоль оси сварочного шва;
  • поперечные — направленны перпендикулярно оси шва.

По виду напряженного состояния напряжения бывают:

  • линейные — действуют в одном направлении;
  • плоскостные — действуют в двух направлениях;
  • объемные — действуют в трех направлениях.

Напряжения также могут быть сдавливающими и растягивающими.

Деформацию называют общей если она изменяет размер всего изделия, и местной — если она изменяет часть изделия.

Деформации могут быть пластичными и упругими. Если конструкция восстанавливает свою форму и размер после сварки, то такая деформация называется упругой, а если не восстанавливается — пластичной.

Во время выполнения сварки конструкций возникают напряжения и деформации. Напряжение которое превышает границы текучести метала приводит к появлению пластических деформаций, которые изменяют размеры и форму конструкции. Напряжения превышающие границу прочности приводит к появлению в трещин.

Причины появления напряжений и деформаций

Структурные преобразования

При сварке легированных и высокоуглеродистых сталей часто возникают структурные преобразования в металле — меняются размеры и расположение зерен металла при охлаждении. Поэтому меняется первоначальный объем металла и возникают внутренние напряжения.

Неравномерное нагревание

неравномерный нагрев металла

Рис. Неравномерный нагрев металла

При нагревании металла жестко связанного с холодным металлом образовываются сдавливающие и растягивающие напряжения. Это связано с изменением размеров размеров металла при нагревании.

Литейная усадка

Литейная усадка расплавленного металла сопровождается уменьшением объема металла при его кристаллизации. Так как расплавленный металл связан с основным в под воздействием литейной усадки возникают продольные и поперечные напряжения.

Поперечные деформации

Рис. Деформации от поперечной усадки

Продольные деформации

Рис. Деформации от продольной усадки

 

Методы противодействия напряжениям и деформациям

Предварительный и сопроводительный подогрев

Предварительный и сопроводительный подогрев сталей улучшает механические качества шва и прилегающей зоны, уменьшает пластические деформации и остаточные напряжения. Используют для сталей склонных к закалке и образованию кристаллизационных трещин.

Обратно ступенчатый порядок наложения швов

Обратно ступенчатый порядок наложения швов

Рис. Обратно ступенчатый порядок наложения швов

Длинные швы (свыше 1000 мм) разбиваются на участки по 100-150 мм и каждый из них ведется в направлении обратном направлению сварки. Используя обратно ступенчатый порядок наложения швов можно добиться более равномерного нагревания металла в сравнении с последовательным наложением. Равномерное нагревание металла значительно уменьшает деформации.

Проковка швов

Проковывать можно как нагретый так и холодный металл. При ударе металл разжимается в разные стороны, что уменьшает растягивающие напряжения. Сварочные швы на металле склонному к образованию закалочных структур не проковывают.

Уравновешивание деформаций

Способ заключается в выборе такого порядка наложения швов при котором каждый следующий шов создает деформацию противодействующую предыдущему. Например, поочередное наложение слоев при сварке двусторонних соединений.

Создание обратных деформаций

Детали собирают под сварку изначально под определенным углом. Когда во время сварки детали сближаются друг к другу деформация уменьшается.

Жесткое крепление деталей

Для этого используют жесткое закрепление деталей в кондукторах. Детали находятся закрепленными все время сварки, вынимают их после охлаждения. Недостатком является возможность возникновения внутренних напряжений.

Термическая обработка

Термическая обработка хорошо влияет на свойства шва и околошовной зоны, снижает внутренние напряжения и выравнивают структуру шва.