Влияние сварочных напряжений и деформаций на механические свойства и геометрические параметры деталей

1 В процессе изготовления, транспортировки, монтажа и экс­плуатации сварных деталей с остаточными напряжениями собствен­ные напряжения складываются с напряжениями от различных внешних нагрузок. Из-за этого происходят пластические деформа­ции, которые дополнительно возрастают при неблагоприятных температурных условиях и изменяют размеры деталей.

2 Растягивающие остаточные напряжения снижают вибрацион­ную прочность сварных конструкций. Если они действуют в зонах, где есть концентрация напряжений и неоднородность механических свойств, то там в первую очередь возникают разрушения от уста­лости. Степень отрицательного влияния растягивающих напряже­ний зависит от уровня эксплуатационных напряжений и коэффи­циента концентрации напряжений. Чем выше рабочие напряжения и чем выше концентрация напряжений, тем меньше доля влияния растягивающих напряжений и, наоборот, при невысоких рабочих напряжениях и малых концентрациях напряжений относительное отрицательное влияние растягивающих остаточных напряжений обнаруживается сильнее. Объясняется это тем, что остаточные напряжения взаимно уравновешены, и если произошла пластиче­ская деформация, в результате которой они понизились, то соб­ственные напряжения самопроизвольно не восстанавливаются. Поэтому при высоких рабочих напряжениях и высокой концентра­ции напряжений на первых же циклах нагрузки возникают пла­стические деформации от суммы рабочих и остаточных напряже­ний. Кроме того, значительная концентрация напряжений по своему влиянию превалирует над собственными напряжениями. При небольшой концентрации напряжений остаточные растягивающие напряжения сохраняют свой высокий уровень в процессе эксплуа­тации и увеличивают средние напряжения цикла, тем самым пони­жая выносливость.

3 Остаточные растягивающие напряжения могут понижать статическую прочность сварных соединений. Степень влияния зависит от свойств металла, его деформационной способности, уровня концентрации напряжений, предварительной пластической дефор­мации металла. Если металл при рассматриваемой температуре мало чувствителен к концентрации напряжений и не испытал большой предварительной пластической деформации, то остаточные растягивающие напряжения не влияют на статическую прочность. В противном случае даже сами собственные напряжения могут вызвать самопроизвольные разрушения.

Остаточные напряжения, возникающие в глубине металла при сварке деталей толщиной более 150—200 мм, могут быть растягивающими по всем направлениям. В этом случае, несмотря на высокий уровень отдельных компонентов напряжений, пластическая деформация не будет возникать вследствие малой интенсивности напряжений. Возникает так называемая жесткая схема напряжений, при которой отдельные компоненты могут существенно превышать уровень предела текучести металла. Кроме того, металл большой толщины менее однороден, чем тонкий; в нем могут быть скопления неметаллических включений, рыхлоты. Разрушение может произойти, когда напряжения достигнут критического уровня, который зависит от характера скопления микро- и макродефектов и свойств металла.

4 Сжимающие остаточные напряжения понижают местную устойчивость тонкостенных элементов сварных конструкций. При суммировании рабочих и остаточных напряжений потеря устойчивости может возникнуть при нагрузках меньше расчетных, а в некоторых случаях — даже от остаточных напряжений.

5 Коррозионное растрескивание, а иногда и процессы коррозии усиливаются под влиянием остаточных растягивающих напряжений как первого, так и более высоких родов.

6 Остаточные растягивающие напряжения являются необходимым условием появления так называемых холодных трещин в закаливающихся сталях. Они возникают непосредственно после сварки в процессе вылеживания сварных конструкций.

7 Остаточные напряжения являются носителями энергии упругой деформации. При одноосных напряжениях энергия, запасенная в единице объема, пропорциональна квадрату напряжения:

Так как напряжения максимальны в зоне сварных соединений, то значительная часть энергии сосредоточена там. Начавшееся по каким-либо причинам разрушение в дальнейшем поддерживается энергией остаточных напряжений. Трещина может распространиться на значительную длину, сделав невозможным последующий ремонт разрушившейся детали. Энергия остаточных напряжений усиливает динамику процесса разрушения, увеличивает скорость движения трещин и способствует переходу от вязкого разрушения к хрупкому.

8 Перемещения свариваемых деталей создают деформации в зоне кристаллизующегося металла и могут привести к образова­нию горячих трещин.

9 Во время сварки в ряде случаев возникают перемещения в зоне формирования сварного соединения. При электрошлаковой сварке изменение зазора изменяет скорость сварки. Сварочный зазор может закрываться или открываться в таких пределах, что процесс может даже прерваться. При дуговой сварке тонкого металла из-за потери устойчивости возникает прожог листов. В результате перемещений при сварке кромки листов смещаются по толщине и образуют ступеньки. При сварке нахлесточных соединений возникшие ранее остаточные перемещения не позво­ляют деталям плотно прилегать друг к другу и сварка углового шва ведется в этом случае по зазору, что приводит к затеканию металла в зазор. Чтобы обеспечить соединение листов, необходимо завышать катет шва. При автоматической сварке угловых швов возможно даже их несплавление. При шовной сварке из-за ранее возникшей волнистости металл набегает впереди роликов и воз­никает непровар.

10 Перемещения элементов при сварке затрудняют последую­щий процесс сборки деталей между собой, а иногда делают ее невоз­можной без проведения дополнительной правки. Например, после сварки тонких листов (s <4 мм) их приходится править, так как отклонения от плоскости велики и не позволяют проводить каче­ственную сборку. Если тонкостенные оболочки имеют кольцевые швы, выполненные вблизи края, то это приводит к местному изме­нению диаметра и при последующей сборке таких оболочек друг с другом возникает ступенька, что обычно недопустимо. При поузловой сварке часто возникают затруднения из-за несовпадения поса­дочных и присоединительных размеров собираемых после сварки узлов вследствие возникших перемещений. Искажения в про­странстве бывают иногда настолько существенны и сложны, что приходится подгонку отдельных мест осуществлять вручную, а в не­которых случаях вынуждены проводить предварительную полную сборку, что уменьшает возможности механизации и автоматиза­ции сварочного производства.

11 Из-за возникающих от сварки перемещений приходится назначать завышенные припуски на механическую обработку, чтобы иметь возможность обработать все предусмотренные черте­жом поверхности.

12 Некоторые виды перемещений изменяют геометрические характеристики сечений. Например, изгиб колонн от сварки, окружные сокращения оболо­чек от кольцевых швов, уменьшение кривизны в оболочках в ме­стах приварки к ним различных элементов создают при эксплуата­ции более высокие напряжения при тех же нагрузках вследствие появления не учтенных расчетом изгибающих моментов и растя­гивающих напряжений.

13 Начальные перемещения могут вызывать уменьшение устой­чивости, в особенности местной. Общая устойчивость изогнутых колонн, сжатых труб с местными деформациями стенок также несколько снижается. С течением времени происходит небольшая релаксация напря­жений и превращения нестабильных составляющих структуры металла, если они имеются. Возникают дополнительные переме­щения.

14 В летательных аппаратах, судах, энергетических установ­ках перемещения, искажающие поверхности, которые обтекаются потоками газа или жидкости, увеличивают сопротивление потоку. В деталях машин и механизмов искажения размеров вызывают увеличение сил трения или даже заклинивание.

15 Значительные отклонения от правильных геометрических форм нарушают требования технической эстетики, ухудшают товарный вид таких изделий, как вагоны, автомобили, суда, пред­меты бытовой техники.