Bilim.techО проекте

Сварочные деформации и остаточные напряжения

Почему полосу после сварки ведет саблей, а стык листов складывается галочкой? Свари полосу и смотри, как она коробится при остывании, меняй порядок швов, обратный выгиб и закрепление, а потом сними напряжения отпуском.

01 Что это такое

Шов при остывании укорачивается и тянет за собой деталь. Поэтому после сварки лист коробится, а внутри металла остаются напряжения, хотя снаружи на него ничего не действует.

Металл у дуги нагревается до тысячи градусов и хочет расшириться, но холодный металл вокруг не пускает. Горячий и мягкий, он сминается. Потом остывает и становится короче, чем был. Холодные соседи теперь не дают ему сжаться: у шва остается растяжение почти до предела текучести, а подальше от шва сжатие. Если шов лежит не посередине детали, она выгибается. Если с одной стороны листа шов шире, лист ломается по шву на угол. Сварщики борются с этим порядком швов, обратным выгибом и закреплением, а напряжения снимают отпуском.

УГЛОВАЯαшов шире сверху:лист поднимается галочкойПРОДОЛЬНАЯfшов у кромки:полоса выгибается саблейНАПРЯЖЕНИЯ+σт у швасжатиесжатиешовКАК С ЭТИМ БОРЮТСЯштрих: обратный выгиб до сваркипосле сварки лист ровный321обратноступенчатый: участки 1, 2, 3идут навстречу общему ходу600–650 °Cотпуск снимает напряжения
Деформации видны глазом, напряжения нет. Но именно они вместе с нагрузкой помогают трещине появиться у шва.
Fус
Усадочная сила шва, кН. С такой силой остывший шов стягивает деталь вдоль себя. Растет вместе с погонной энергией.
α
Угловая деформация, градусы. На сколько листы поднимаются по шву, если с одной стороны металла наплавлено больше.
σост
Остаточное напряжение, МПа. Напряжение, которое осталось в детали после сварки без всякой нагрузки. У шва доходит до предела текучести.
02 Опыт
Свари полосу. Смотри, как она коробится, когда остывает. НАГРЕВ И УСАДКА
СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Куда поведет деталь?

Рис. 10.4
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
Прогиб полосы f
Угловая деформация α
Напряжение у шва
03 Формулы по буквам

Сила усадки, прогиб и ширина растянутой зоны

Остывший шов работает как натянутая струна, вплавленная в деталь. Если знать силу этой струны и где она лежит, можно оценить и прогиб, и напряжения. Числа берутся из опыта.

С какой силой шов стягивает деталь?

Fус ≈ 0,2 · q

Чем больше тепла вложено в каждый миллиметр шва, тем шире полоса смятого металла и тем сильнее она тянет. Коэффициент получен из опытов со сталью.

Fус
продольная усадочная сила, кН
q
погонная энергия, Дж/мм. Как ее считать, разобрано в теме «Сварка и зона термического влияния»
0,2
опытный коэффициент для стали, кН·мм/Дж

Насколько выгнется полоса?

f = Fус · e · L² / (8 · E · I)

Сила усадки, приложенная не по оси, изгибает полосу моментом F·e. Дальше как в балке: прогиб растет с квадратом длины и падает с жесткостью.

f
прогиб посередине, мм
e
расстояние от шва до оси полосы, мм
L
длина полосы, мм
E
модуль упругости стали, 2,1·10⁵ МПа
I
момент инерции сечения в плоскости изгиба, s·B³/12, мм⁴

Какая полоса у шва растянута?

b ≈ Fус / (2 · σт · s)

У шва металл растянут до предела текучести. Сила этой растянутой полосы равна силе усадки, отсюда ее ширина. Сжатие за ней уравновешивает растяжение.

b
ширина растянутой зоны с одной стороны шва, мм
σт
предел текучести стали, МПа
s
толщина листа, мм

Откуда берутся остаточные напряжения: опыт с тремя стержнями

Представь три стальных стержня, концы которых приварены к двум жестким плитам. Средний стержень греем, крайние холодные. Средний хочет удлиниться, но крайние не дают: он сжат, а они растянуты. При 600 °C сталь мягкая, и средний стержень, не выдержав сжатия, сминается: становится толще и короче.

Теперь он остывает. Остыв, он оказался бы короче крайних, но они держат его за концы. Получается наоборот: средний растянут, крайние сжаты. Нагрузки нет, а напряжения есть.

Шов и есть средний стержень, а холодный лист вокруг него крайние. Поэтому у шва остается растяжение. Отпуск при 600–650 °C делает металл снова мягким: растянутый шов слегка вытягивается, и напряжения падают в несколько раз. Держат около часа на каждые 25 мм толщины и остужают медленно, вместе с печью.

нагревсредний сжатостылсредний растянуткрайние стержни: лист вокруг шва
Средний стержень сначала сжат и сминается, а после остывания остается растянутым.
04 Где и зачем это применяют

Деформации и напряжения в ремонте техники

Допущения модели+

Усадочная сила считается по опытной оценке F ≈ 0,2·q для стали, без учета толщины и числа проходов. Изгиб полосы посчитан как изгиб упругой балки постоянным моментом F·e по всей длине; полоса свободна. Угловая деформация стыка взята по условной кривой от q/s² с максимумом около 3,5° при q/s² ≈ 3 Дж/мм³, реальные значения зависят от разделки и числа проходов. Влияние порядка швов и закрепления задано постоянными коэффициентами: обратноступенчатый уменьшает изгиб на 30 %, симметричный в 6–7 раз, закрепление в 2,5 раза. Профиль остаточных напряжений построен по формуле Масубучи с вершиной на пределе текучести, после отпуска 20 % от него. Анимация нагрева условная по времени.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →