Остаточные напряжения и деформации

При сварке в каждой точке сварного соединения или конструкции возникают напряжения и деформации. В начальный период сварки, когда происходит нагрев металла, и в процессе последующего охлаждения они существенно изменяются по величине, знаку, характеру распределения в том или ином сечении и их принято называть временными. Временные напряжения и деформации по мере охлаждения постепенно переходят в остаточные, которые для большинства конструкционных материалов существуют в металле в течение всего дальнейшего периода эксплуатации.

В результате образования в каждой точке металла деформаций, формируются перемещения свариваемых элементов и за счет этого возникает формоизменение свариваемых изделий. Можно выделить несколько наиболее типичных видов формоизменения, которые проявляются отдельно или в определенных комбинациях друг с другом. Принято различать перемещения в плоскости свариваемых листов - продольное укорочение от продольной усадки металла, поперечное укорочение от поперечной усадки, изгиб в плоскости. Далее следует указать на перемещения из плоскости свариваемых листов - угловые деформации при сварке как стыковых, так и тавровых соединений. Важное место занимают деформации балочных конструкций - изгиб и укорочение от сварки как продольных, так и поперечных швов, а также в ряде случаев деформации закручивания балок. При сварке тонкостенных элементов могут возникать деформации в виде бухтиноватости от потери устойчивой формы равновесия при действии сжимающих остаточных напряжений в одном или двух направлениях.

Модуль упругости стали при нагревании постепенно понижается, а коэффициент температурного удлинения возрастает. Предел текучести большинства низкоуглеродистых и низколегированных сталей с повышением температуры примерно до 500°С практически не изменяется, а затем довольно резко падает и при температуре 600 - 650°С имеет незначительную величину. Условно считают, что при 600°С металл теряет упругие свойства и его предел текучести равен нулю. Для других материалов, например алюминиевых и титановых сплавов, это наступает при других температурах. Да и сам характер изменения предела текучести с повышением температуры для различных материалов в большинстве случаев также различен. Большинство сварных конструкций изготовляется из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Применительно к этим материалам принимается схематизированная зависимость предела текучести от температуры, для которой от 0 до 500°С предел текучести остается неизменным, а в интервале от 500 до 600°С снижается до нуля по прямой линии. Такое изменение предела текучести имеет место как при растяжении, так и при сжатии. Изменение механических и теплофизических свойств металла при нагревании необходимо учитывать при анализе термодеформационных процессов при сварке.

Температурная деформация многих объемов металла сварного соединения, как на стадии нагрева, так и на стадии охлаждения не может быть свободно реализована из-за стеснений (связей), обусловленных различными закреплениями со стороны сборочно-сварочной оснастки, а также накладываемых на нагретые области со стороны менее нагретых участков. По этой причине во многих объемах металла, как на стадии нагрева, так и на стадии охлаждения протекает пластическая деформация укорочения (сжатия) и удлинения (растяжения). Как правило, эти деформации по различным причинам не компенсируют друг друга. В результате в сварном изделии после сварки имеет место неравномерно распределенная, преимущественно сосредоточенная вблизи сварного шва, остаточная пластическая деформация. Как правило, это деформация укорочения и в основном продольного по отношению к шву направления. Так возникает усадка металла при сварке. Если мысленно после сварки расчленить изделие на элементарные объемы и убрать между ними силовое взаимодействие, то получим в исходном изделии множество различных щелей, зазоров и т.д., совокупность которых создает общий объем усадки при сварке. Однако в силу гипотезы о сплошности тела, как до нагружения, так и после него, никаких щелей и зазоров в сварном изделии быть не должно и это реализуется путем установления между такими объемами определенного силового взаимодействия, которое и представляет собой не что иное, как остаточные сварочные напряжения.

Сварное соединение условно можно разделить на три части - среднюю высоконагретую, содержащую сварной шов и прилегающие к нему с двух сторон участки некоторой ширины основного металла, а также две мало или приближенно можно считать совсем не нагретые периферийные части. Распределение температур при сварке по ширине сварного соединения резко неравномерное. В высоконагретой области температуры очень высокие и соответствующая температурная деформация продольного направления настолько большая, что в этой зоне в целом кроме упругого сжатия еще возникает и большая пластическая деформация укорочения. На стадии охлаждения сварного соединения в этой высоконагретой области протекает продольная пластическая деформация удлинения. Пластическая деформация удлинения при охлаждении по определенным причинам является несколько меньшей по величине, чем аналогичная деформация укорочения при нагреве и полной компенсации пластического деформирования соединения в данной области не происходит. В итоге имеем здесь неравномерно распределенную продольную пластическую деформацию укорочения. В остальной части соединения она отсутствует. В основном именно по этой причине и возникают остаточные напряжения при сварке. Остаточные напряжения являются самоуравновешенными в любых сечениях соединения. В средней высоконагретой области соединения остаточные напряжения являются растягивающими (знак "+"), в остальной части соединения - сжимающими (знак "-").

Величина продольных и поперечных усадочных явлений при сварке в большинстве случаев различна. Как правило, продольные усадочные явления превалируют над поперечными. Однако встречаются и случаи практически одинакового влияния как продольных, так и поперечных усадочных явлений, например, при вварке круглого элемента в пластину, при заварке коротких трещин в листе, при точечной контактной сварке и т. д. Важное значение имеет соотношение между погонной энергией сварки, усадочными напряжениями и короблением сварных конструкций. Общее положение заключается в том, что чем больше погонная энергия сварки, тем больше ширина высоконагретой зоны сварного соединения, что создает большие объемы усадки, а значит, и большие усадочные силы. Это приводит в конечном итоге к большему короблению изделия.

Относительные деформации в точке определяются путем деления замеренных каким-либо способом абсолютных деформаций на предварительно выбранной базе измерения на величину базы измерения. При использовании тензодатчиков сопротивления методика определения относительных деформаций несколько иная. Однако наиболее часто абсолютные деформации при сварке определяют при помощи механических деформометров с индикаторами часового типа, которые могут иметь различную базу измерения, отличаются высокой надежностью в работе и хорошей точностью определения деформаций. В зависимости от месторасположения (в пределах пластической зоны или за ее пределами) в сварном соединении точки, в которой определяются напряжения, устанавливается необходимость разрезки сварного соединения на отдельные элементы с расположенными на них базами измерения с целью разделения общей деформации на базе измерения на упругую и пластическую составляющие. Если точка заведомо находится вне пределов пластической зоны, то процедура разрезки не нужна. Достаточно произвести замеры до и после сварки. Разница в показаниях приборов будет представлять собой абсолютную упругую деформацию, которую можно непосредственно пересчитывать в относительную упругую деформацию и затем по соответствующим зависимостям закона Гука в напряжения. Одним из существенных недостатков механических методов измерения остаточных напряжений является необходимость в определенной степени разрушать участок сварного соединения или конструкции в том месте, где происходит измерение. Этого недостатка лишены физические методы, такие как голографической интерферометрии и оптически чувствительных покрытий.

Физические методы - это такие, в основе которых лежит использование какого-либо физического явления, проявляющегося при наличии механических напряжений. Наибольшее распространение из физических методов применительно к сварным изделиям получил магнитоупругий метод, основанный на явлении изменения магнитной проницаемости ферромагнитных материалов под действием механических напряжений, которую измеряют в металле до и после сварки и по ее изменению определяют остаточные напряжения. Достоверные результаты получают при измерении остаточных одноосных напряжений в основном металле сварного соединения. Применение этого метода для определения остаточных напряжений в шве и околошовной зоне может приводить к заметным погрешностям. Это объясняется тем, что в результате сварки магнитная проницаемость в шве и околошовной зоне изменяется не только под действием возникших остаточных напряжений, но и вследствие изменения химического состава, роста зерна, изменения структуры и других явлений.

Ультразвуковой метод определения остаточных сварочных напряжений основан на зависимости скорости распространения ультразвуковой волны в металлах от напряженного состояния. Скорость распространения ультразвука измеряют на отдельном участке металла до и после сварки. По изменению скорости судят о величине остаточных напряжений. Метод используют преимущественно для измерения одноосных напряжений. При измерении в шве и околошовной зоне из-за неоднородности свойств металла возможны погрешности результатов. Преимущество данного метода как и магнитоупругого заключается в мобильности проведения измерений без больших подготовительных работ.

В последние годы получает все большее развитие и применение для измерения напряженно-деформированного состояния голография - двухступенчатый метод записи и восстановления волнового фронта, несущего информацию о предмете.

Последовательность сварки отдельных элементов конструкции может оказывать существенное влияние напряженно-деформированное состояние в связи с изменением условий закрепления свариваемых элементов. В качестве примера можно привести случай сварки двутавровой балки со стенкой, составленной из нескольких листов, которые должны быть сварены вертикальными стыковыми швами. Если сначала сварить продольные поясные швы, а затем варить поперечные стыковые на стенке, то в них возникнут высокого уровня поперечные напряжения по причине жесткого закрепления отдельных листов стенки за счет сварки поясных швов. При иной последовательности сварки, когда вначале завариваются стыковые швы на стенке, а затем поясные, в стыковых швах на стенке поперечные напряжения будут незначительными из-за возможности поперечных перемещений листов стенки при сварке стыковых швов. По этим же соображениям при изготовлении днища вертикальных цилиндрических резервуаров из отдельных листов сначала сваривают все поперечные швы, а затем варят продольные швы. Подобных примеров можно привести достаточное количество. Последовательность сварки имеет значение и с точки зрения возникающих деформаций коробления. Не случайно широко известно правило сварки полотнищ от середины к периферии с целью уменьшения коробления. Если последовательность сварки оказывает влияние на распределение остаточных продольных пластических деформаций укорочения, то значит она влияет и на остаточное напряженное состояние в сварном соединении. Примером этому является обратноступенчатый способ сварки, при котором, как известно, остаточные напряжения в соединении уменьшаются по причине изменения характера распределения остаточных продольных пластических деформаций укорочения.

Влияние остаточных напряжений на поведение конструкции при эксплуатации в наибольшей степени проявляется в случае хрупких разрушений. Остаточные напряжения являются силовым фактором, действие которого может в полной мере проявиться при хрупком состоянии металла сварной конструкции. Можно указать на три аспекта влияния остаточных напряжений на хрупкое разрушение сварных конструкций. Во-первых, они могут суммироваться с напряжениями от внешних нагрузок на конструкцию и таким образом уменьшать величину внешней нагрузки, необходимой для разрушения. Во-вторых, они могут в отдельных объемах металла создавать объемное напряженное состояние, которое затрудняет пластическое деформирование металла и способствует переходу его в хрупкое состояние со всеми вытекающими из этого последствиями. Наконец, в-третьих, имея сложный характер распределения в различных сечения сварного изделия, остаточные напряжения могут влиять на устойчивость процесса хрупкого разрушения, что очень важно с точки зрения разработки мероприятий по его предотвращению. Изучение влияния остаточных напряжений на хрупкое разрушения сварных конструкций является крупной научно-технической проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение и которой занимаются исследователи во многих странах в течение многих лет.

Остаточные напряжения и деформации в сварных изделиях необходимо уменьшать. Анализ их образования показывает, что существуют следующие факторы, вызывающие напряженно-деформированное состояние сварной конструк­ции: а) остаточное продольное пластическое укорочение в пластической зоне; б) пластическая деформация укорочения поперечного по отношению к шву направления; в) несовпадение центра тяжести поперечного сечения зоны пластических деформаций укорочения с центром тяжести поперечного сечения свариваемых элементов (внецентренное приложение усадочной силы); г) структурные изменения, вызванные сварочным нагревом.

Уменьшение остаточных напряжений и деформаций может быть достигнуто следующими методами:

1. Рациональное проектирование сварных изделий, заключающееся в расположении сварных швов по возможности ближе к центру тяжести поперечного сечения с целью уменьшения изгибающих моментов от усадочных сил.

2. Рациональный выбор способа и режимов сварки с целью уменьшения тепловложения в металл и таким образом уменьшения эпюры остаточных продольных пластических деформаций укорочения, являющихся, в основном, ответственными за остаточные напряжения и деформации.

- При сварке листов стремиться к возможно более равномерному их разогреву с целью уменьшения угловых деформаций.

- Применение термической печной или локальной обработки сварных изделий.

- Применение вибрационной обработки.

- Применение взрывной обработки.

- Применение активного нагружения свариваемых элементов в процессе сварки.

- Применение сборочно-сварочной оснастки с охлаждением.

- Статическое нагружение после сварки.

- Предварительный подогрев перед сваркой.

- Прокатка тонкостенных сварных соединений после сварки.

- Термическая правка после сварки.

В качестве примеров управления короблением сварных изделий можно назвать термическую правку прогиба сварных балок, тепловую правку местных деформаций потери устойчивости тонколистовыми элементами сварных конструкций, правку грибовидности полок сварных тавровых или двутавровых балок механическим путем, устранение деформаций при вварке фланцев в оболочковые конструкции применением обратного выгиба свариваемых кромок, устранение деформаций "корсетности" при сварке кольцевых швов на тонкостенных цилиндрических оболочках прокаткой роликами зоны пластических деформаций и др.