Типичные поля остаточных напряжений в сварных соединениях

ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПРЯМОЛИНЕЙНЫХ ОДНО- И МНОГОПРОХОДНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Для случаев однопроходной сварки встык с полным проплав­лением пластин (рис. 11.11, а) из низкоуглеродистой стали рас­пределение остаточных продольных напряжений s_х в поперечном сечении имеет характерный вид, представленный на рис.

а - вид сварного соединения	б – остаточные пластические деформации	в – остаточные продольные напряжения	г - остаточные продольные напряжении с учетом потери устойчивости

Причина возникновения остаточных напряжений s_х — остаточные пластические деформации укорочения e_хпл в шве и околошовной зоне на ширине 2b (рис. 11.11,б).

В про­цессе сварки

на стадии нагрева происходят пластические дефор­мации укорочения, а

на стадии охлаждения — пластические деформации удлинения.

Так как пластические деформации на стадии нагрева по абсолютной величине больше, чем на стадии охлаждения, остаточные пластические деформации представляют собой деформации укорочения.

Вследствие этого в шве и около­шовной зоне на ширине 2b возникают остаточные растягиваю­щие напряжения, имеющие максимальное значение s_{х mах} в шве (рис. 11.11, в).

Эти напряжения уравновешены напря­жениями сжатия в основном металле.

Приведенное на рис. 11.11, в распределение остаточных напряжений характерно для случаев, когда сварные пластины не теряют устойчивости, т. е. не нарушается их плоскостность. Это имеет место при сварке пластин в жестком приспособлении, препятствующем нарушению плоскостности, а также приближенно и при сварке пластин средней толщины 6...15 мм в свободном состоянии. При сварке менее жестких пластин (<6 мм), как правило, происхо­дит потеря устойчивости, существенно изменяющая распределе­ние напряжений, в особенности напряжений сжатия (рис. 11.11, г).

При сварке низкоуглеродистых сталей максимальные оста­точные напряжения s_{х mах}, как правило, близки к пределу теку­чести металла шва. Эпюра остаточных напряжений, приведенная на рис. 11.11,в, характерна для сварки пластин из низколегированной и аустенитной сталей, титановых сплавов или в общем случае для сварки металлов и сплавов, не претерпевающих структурных превраще­ний при температурах Т<600...700 °С.

При сварке аустенитных сталей максимальные остаточные напряжения s_{х mах} обычно превос­ходят предел текучести. Это, по-видимому, связано с большим коэффициентом линейного расширения, а как следствие, большой пластической деформацией, вызывающей упрочнение металла с образованием высоких значений продольных остаточных напряже­ний.

Остаточные напряжения в легированных сталях, претерпе­вающих структурные превращения на стадии охлаждения при низких температурах (Т<600...500 °С), могут иметь принципиаль­но иной характер распределения.

При многопроходной сварке пластин встык в общем случае возникают остаточные напряжения — продольные s_x, поперечные s_у и в направлении толщины s_z.

Однако при толщинах <40...80 мм сопротивление усадке металла по толщи­не незначительное, и поэтому напряжения s_z малы.

При укладке каждого очередного валика многослойного шва формирова­ние продольных напряжений s_x качественно подобно однопроходной сварке. Последующие валики незначительно изменяют значение остаточных напряжений s_x, и поэтому их распределение по толщине можно считать равномерным.

Формирование поперечных напряжений s_у происходит вслед­ствие поперечной усадки укладываемого валика и под сильным воздействием поперечной усадки последующих валиков. В связи с этим распределение напряжений s_у по толщине отличается значительной неравномерностью.