В сварном соединении

Процесс образования напряжений и деформаций рассмотрим при трех допущениях:

· справедлива гипотеза плоских сечений;

· шов заваривается по всей длине одновременно;

· возникающее напряженное состояние - линейное.

Для бруса гипотеза плоских сечений (гипотеза Я. Бернулли) формулируется следующим образом: сечения бруса плоские и нормальные к его оси до деформации, остаются плоскими и нормальными к его оси при деформации. Правомерность гипотезы плоских сечений определяется принципом Сен-Венана, заключающегося в том, что распределение напряжений, возникающее при действии продольных сил, существенно зависит от способа приложения этих сил лишь вблизи места нагружения. В частях, удаленных от места приложения сил, распределение напряжений практически зависит только от статического эквивалента этих сил, а не от способа их приложения. Поэтому можно утверждать, что на некотором удалении от места приложения сил гипотеза плоских сечений справедлива.

Представим, что перед сваркой двух пластин из низкоуглеродистой стали каждая из них разрезана на узкие полоски и торцом опирается на жесткое основание (рис. 2.5). Продольные полоски касаются друг друга, и перенос тепла в поперечном направлении не изменяется по сравнению с монолитными пластинами.

В процессе нагрева при сварке каждая полоска получила бы температурное удлинение

,

пропорциональное величине температуры нагрева конкретной полоски. В результате верхний торец соединения принял бы вид, изображенный на рис. 2.5, а. Но реальные свариваемые пластины монолитны и в соответствии с гипотезой плоских сечений все сечение 1-1 переместится вверх в новое положение 1^/ - 1^/на некоторую величину Δ L_удл. Таким образом, сварное соединение в результате нагрева, получило некоторое удлинение. Величины температурных удлинений отдельных полосок (см. кривую Δ L_α на рис. 2.5, а) и фактическое удлинение Δ L_удл. не соответствуют друг другу (за исключением двух точек). Чтобы привести отдельные полоски в то состояние, в котором они реально находятся в неразрезанном соединении, то есть в положение по линии 1^/ - 1^/, необходимо центральные полоски сжать, а боковые растянуть на соответствующую величину. Это означает, что на стадии нагрева в сварном соединении в продольном направлении возникают напряжения сжатия в средней зоне, нагретой до высокой температуры, и напряжения растяжения в менее нагретых боковых участках.

Для центральных, наиболее нагретых полос, разница между температурной и фактической деформациями настолько велика, что их сжатие будет приводить к возникновению в них напряжений равных пределу текучести, то есть на стадии нагрева в средней высокотемпературной области соединения, в продольном направлении протекают пластические деформации сжатия и формируется зона пластических деформаций, ширина которой больше ширины шва.

Внутренние относительные деформации ε _вн. сваренной пластины в момент, когда еще не началось ее остывание можно изобразить в виде эпюры относительно линии 0-0. Кривая, ограничивающая эпюру ε _вн, повторяет кривую Δ L_a, а линия 0-0 расположена относительно кривой ограничивающей эпюру также, как и линия 1^/ - 1^/ относительно Δ L_a. Прямой вертикальной штриховкой на эпюре отмечены уравновешенные по сечению пластины упругие деформации, а двойной штриховкой - пластические деформации сжатия ε _пл.сж. Уравновешенность упругих деформаций предполагает, что площади эпюры
отмеченные знаком плюс равны площади эпюры со знаком минус.

Рис. 2.5

Итак, в момент максимального нагрева, в середине сваренной пластины имеется зона металла шириной b_п, которая подвержена как упругим, так и пластическим деформациям сжатия. Упругие деформации одинаковы по ширине этой зоны, а пластические изменяются от нуля на ее границах до максимума на оси шва (см. кривую ограничивающую область двойной штриховки). За зоной b_п в пластине наблюдаются только упругие деформации сжатия, которые уменьшаются до нуля и переходят в упругие деформации растяжения у краев пластины.

Если из общей эпюры внутренних относительных деформаций выделить только ту часть, которая отражает упругие деформации, то ее можно одновременно считать и эпюрой напряжений в сваренной пластине. Изменится только масштаб эпюры на величину модуля упругости.

Рассмотрим теперь изменение деформаций и напряжений на стадии охлаждения пластины (рис. 2.5, б).

Если бы в момент максимального нагрева реальное соединение расчленить на отдельные полоски, то после полного остывания верхний торец соединения принял бы криволинейную форму с провалом в средней части по линии отображающей пластическую составляющую эпюры деформаций (по линии ограничивающей часть эпюры с двойной штриховкой на рис. 2.5, а). Однако в реальном соединении отдельные полоски в средней части не могут стать короче остальных каждая на величину пластического сжатия полученного на стадии нагрева, так как деформация соединения подчинена гипотезе плоских сечений. Поэтому, все крайнее сечение после охлаждения переместится в положение 1^//-1^// и будет наблюдаться некоторое равномерное по ширине продольное укорочение сварного соединения Δ L_ук. В результате того, что центральная часть сваренной пластины из-за сдерживающего действия крайних частей не смогла стать короче на величину пластических деформаций сжатия, полученных при нагреве, а укоротилась на меньшую величину, в ней возникли деформации (и напряжения) растяжения. По краям пластины на стадии нагрева возникали лишь упругие деформации и эти части после полного охлаждения должны были приобрести первоначальную длину L, однако центральная часть заставила их несколько укоротиться, вызвав появление напряжений сжатия. Это показано на эпюре деформаций изображенной относительно линии 0^/-0^/.

Существенным является тот факт, что величина пластической деформации сжатия центральных полос на стадии нагрева весьма большая, поэтому в процессе их растяжения на стадии охлаждения до уровня 1^//-1^// напряжения, сначала упругие, достигнут предела текучести задолго до выхода полосок на уровень 1^//-1^//.

Итак, на стадии охлаждения в средней части соединения протекают продольные сначала упругие, а затем пластические деформации удлинения, а по краям - упругие деформации укорочения. Вся пластина при этом становится короче.

Деформации пластического удлинения ε _пл.уд. при охлаждении показаны на эпюре двойной штриховкой и отдельной эпюрой. Упругие деформации, как и при нагреве, уравновешены по сечению и показаны прямой штриховкой.

На стадии охлаждения, протекающие в средней части продольные пластические деформации удлинения в значительной мере компенсируют пластическое сжатие, возникшее на стадии нагрева. Тем не менее, компенсация проходит лишь частично. В итоге в средней части остаются пластические деформации сжатия, равные (см. верхнюю эпюру на рис. 2.5, 6)

.

Именно остаточные пластические деформации укорочения являются причиной образования в сварном соединении остаточных напряжений.

Приведенные в этом параграфе рассуждения остаются верными и в случае нестрогого соблюдения гипотезы плоских сечений.