Napětí a deformace ve svarových spojích

A DEFORMACE Základní pojmy. Napětí se nazývá vnitřní síla na jednotku plochy průřezu těla. Nazývá se změna tvaru a velikosti pevného tělesa vlivem vnější nebo vnitřní síly deformace. Pokud se tvar a velikost obnoví poté, co síla ustane, dojde k deformaci elastický. Pokud tělo nezíská svůj původní tvar, znamená to deformaci reziduální, nebo plast. Velikost deformace je určena působící silou. Čím je větší, tím větší deformaci způsobuje. Velikost úsilí se posuzuje podle napětí způsobeného tímto úsilím v těle. Existuje tedy přímý vztah mezi napětím a deformací, kterou způsobuje.

• • lineární (jednoosá) svařovací napětí působící pouze podél jedné osy;
• • rovinný (dvouosý), působící ve dvou vzájemně kolmých směrech;

• objemový (triaxiální), působící ve třech vzájemně kolmých směrech.

Existují přípustná a provozní napětí. Přípustná napětí určit maximální úrovně zatížení, které výrobek vydrží (pevnost v tahu, mez kluzu, mez únavy atd.). Li provozní napětí ve svařovaných konstrukcích jsou menší než přípustné hodnoty, pak je možná jejich deformace, a pokud jsou větší než přípustné hodnoty, pak dochází k jejich destrukci.

Změna teploty součásti během svařování vede ke změně jejích rozměrů. Při nerovnoměrném zahřátí se kov v oblastech s vysokou teplotou nemůže volně roztahovat kvůli odporu sousedních, chladnějších oblastí, což způsobuje vznik vnitřních pnutí a vede k deformacím a pohybům jednotlivých prvků svařovaných konstrukcí.

Napětí a deformace vznikající nerovnoměrným ohřevem a ochlazováním materiálu se nazývají tepelný nebo tepelný. Roztažnost kovu závisí na teplotě jeho ohřevu a koeficientu lineární roztažnosti – množství, o které se kovová tyč protáhne až do 1 m při zahřátí o 1 °C. Čím vyšší je koeficient tepelné lineární roztažnosti a čím vyšší je teplota, tím větší bude deformace kovu při zahřívání a chlazení.

Pokud jsou konce tyče zajištěny tak, že se nemůže volně prodlužovat nebo zkracovat, tepelné deformace tyče v ní způsobí teplotní pnutí. Čím větší je zatížení pevné tyče, tím větší je její deformace a tím vyšší napětí v ní vznikají. Velikost deformace při svařování je ovlivněna tepelnou vodivostí kovu. Čím vyšší, tím menší deformace. Při svařování nerezové oceli, která má nižší tepelnou vodivost a vyšší koeficient tepelné lineární roztažnosti než nízkouhlíková ocel, tedy dochází k větší deformaci. Hliník, který má vyšší koeficient teplotní lineární roztažnosti, ale mnohem lépe vede teplo než nízkouhlíková ocel, se při svařování méně deformuje ve srovnání s nízkouhlíkovou ocelí.

Tepelná napětí, která vznikají v kovu bez působení vnějších sil, se nazývají vlastní. Největší význam mají pnutí, která vznikají při chlazení produktu. Pokud působí pouze podél švu, nemá to vliv na pevnost svarového spoje. Nebezpečnější jsou napětí působící kolmo na osu švu (příčná), protože mohou způsobit vznik trhlin ve švu a v tepelně ovlivněné zóně.

Podle délky existence jsou vnitřní napětí dočasný, které existují pouze při svařování, a reziduální, zůstávají stabilní po dlouhou dobu po svařování.

Rozložení zbytkových napětí ve svarových spojích je velmi různorodé a obtížně regulovatelné a jednoznačně klasifikovatelné. Zbytková vlastní napětí podél švů, především tupých švů, jsou víceméně stabilní (obr. 12.1). U většiny slitin ve svaru velikost nejnebezpečnějších tahových zbytkových napětí dosahuje hodnoty meze kluzu a někdy ji překračuje.

Rýže. 12.1. Rozložení zbytkových napětí podél švu v průřezu svarových spojů: а — nízkouhlíková ocel, slitiny titanu; b – středně legovaná ocel; v – středně legovaná ocel se švem vyrobeným z austenitických (korozivzdorných ocelových) elektrod; ulice_т — mez kluzu svařovaného materiálu;

ulice; x je mez kluzu austenitické oceli; © — protahování; © – komprese

Důvodem vzniku zbytkových napětí může být rozdíl ve specifických objemech struktur určitých úseků svarového spoje. Tato napětí se nazývají strukturální zbytková napětí. Ve většině případů se objevují společně s teplotním namáháním. Například při ochlazení legovaných ocelí je tvorba martenzitu spojena s prudkým nárůstem objemu. Protože zde dochází k objemovým deformacím při nízkých teplotách, kdy je kov v elastickém stavu, strukturální přeměny vedou ke vzniku zbytkových napětí.

Strukturální deformace způsobené svařováním se dělí na obecné, charakteristické pro svařovanou konstrukci jako celek, a lokální, které se tvoří v rámci jedné nebo více částí nebo na částech jedné z částí konstrukce. Obecné a lokální deformace pozorované u svařovaných konstrukcí jsou způsobeny nevratnými jevy smršťování a plastickými deformacemi doprovázejícími tepelné působení svařovacího oblouku, jakož i výsledná svářecí napětí.

Deformace závisí na metodě svařování, geometrických charakteristikách průřezu, umístění spoje v konstrukci a technice provádění svarových spojů.

Dochází k podélným a příčným deformacím, ohýbání, kroucení a ztrátě stability.

Příčiny deformací. Hlavní příčiny deformace: nerovnoměrné zahřívání kovu; smršťování odlévání roztaveného kovu; změny ve struktuře kovu.

Při nanášení housenky na okraj pásu se housenka a zahřátá část pásu roztahují a natahují studenou část pásu a vytvářejí tah s ohybem v něm (obr. 12.2, Obr. ). Samotný válec a ohřátá část pásu budou stlačeny, protože jejich tepelné roztažnosti je zabráněno studenou částí pásu. Pás se ohne svým vyboulením nahoru.

Při chlazení (obr. 12.2, b) válec a zahřátá část pásu, které prošly plastickou deformací, se zkrátí, ale tomu bude opět zabráněno vrstvami studeného kovu.

Válec a zahřátá část pásu napnou horní vlákna a pás se ohne konvexně dolů.

Obr. 12.2. Nerovnoměrný ohřev kovu: o. — mez průtažnosti; © — protahování; © – komprese

Slévárenské smrštění roztaveného kovu. Chladnutím kov zhušťuje, zmenšuje se jeho objem a ve svarovém spoji vznikají vnitřní pnutí (obr. 12.3). Vlivem podélných napětí se výrobek deformuje v podélném směru (obr. 12.4), příčná napětí vedou zpravidla k úhlovým deformacím – deformacím směrem k většímu objemu roztaveného kovu (obr. 12.5).

Obr. 12.3. Smrštění odlévaného kovu:

• 1 – podélná napětí;
• 2 – příčná napětí

Obr. 12.4. Deformace z podélného smršťování

Rýže. 12.5. Deformace v důsledku příčného smrštění: a – před svařováním; b – po svařování

Vnitřní pnutí vzniká pouze tehdy, pokud něco brání volnému roztahování a smršťování součásti, například sousední oblasti kovu, které zůstávají chladnější v důsledku nerovnoměrného ohřevu, a proto se méně roztahují. Přítomnost koncentrovaného zdroje tepla (elektrický oblouk), pohybující se podél švu určitou rychlostí a způsobující nerovnoměrné zahřívání kovu při svařování, je hlavní příčinou vnitřních pnutí a deformací ve svařovaných výrobcích.

Když nanesený kov přechází z kapalného do pevného skupenství, smrštění uloženého kovu. Tento jev se vysvětluje skutečností, že během tuhnutí se kov stává hustším, v důsledku čehož se jeho objem zmenšuje.

Různé kovy mají různé smršťovací vlastnosti. Obvykle se měří jako procento původního lineárního rozměru vzorku nebo součásti. Tedy smrštění hliníku je 1,7-1,8%, bronzu 1,45-1,6%, mosazi 2,06%, mědi 2,1%, nízkouhlíkové oceli 2%.

Napětí způsobené smršťováním se zvyšují, dokud se kov nezačne natahovat. Pokud není dostatečně pružný, může díl prasknout v nejslabším místě. Toto místo je často tepelně ovlivněnou oblastí. V důsledku smrštění nebo zmenšení objemu kovu během procesu svařování vznikají horké trhliny. Deformace a související napětí závisí na zóně ohřevu během svařování. Čím větší je objem kovu zahřátého při svařování, tím větší je deformace a deformace.

Rozměry a polohy švů ovlivňují velikost deformace při svařování. K největším deformacím dochází u dlouhých švů umístěných asymetricky vzhledem k úseku svařovaného profilu. Čím složitější je tvar dílu, čím má více různých švů, tím více se deformuje.

Při svařování se teplo oblouku vynakládá nejen na roztavení kovu svarové lázně, ale také na ohřev produktu. Zároveň se zahřívá nerovnoměrně: na hranici s lázní – téměř na teplotu tání, a čím dále od lázně, tím nižší je teplota.

V důsledku smršťování při tuhnutí vyloučeného kovu, nerovnoměrného ohřevu a ochlazování různých úseků svarového spoje při procesu svařování, změny objemu kovu způsobené změnami struktury kovu při svařování, vznikají napětí v kovová konstrukce.

Napětí ve svarových spojích. Napětí o je určeno vzorcem

о = P / F, pá,

kde R – zatížení; F – oblast, na kterou zatížení působí.

Vnitřní síly generované v kovu během svařování mohou být dostatečné k tomu, aby způsobily tvorbu trhlin ve svarech nebo v jejich blízkosti.

Namáhaný stav způsobený svařováním nízkoplastických materiálů, které jsou náchylné ke zpevnění (litina, legované oceli, nástrojové oceli atd.), přispívá ke vzniku trhlin ve svaru a v základním kovu.

Velikost a povaha zbytkových deformací jsou do značné míry určeny tloušťkou a vlastnostmi základního kovu, způsobem svařování, posloupností švů, strukturními tvary svařovaných dílů a tvarem švu. S rostoucí tloušťkou svařovaného kovu se deformace snižují, což je spojeno s větší tuhostí konstrukce.

Změna velikosti a tvaru svařované konstrukce v některých případech snižuje její výkon a kazí její vzhled. Při vývoji technologie montáže a svařování konstrukce se počítá s nutností snížit zbytkové deformace na hodnotu, při které neovlivňují výkon a vzhled konstrukce a nekomplikují montáž jednotlivých prvků.

Deformace a pnutí při svařování vznikají vlivem tepla generovaného zdrojem svařovacího proudu. K hlavním příčinám svářecí napětí a napětí zahrnují: nerovnoměrný ohřev a ochlazování svařované konstrukce, smrštění odlitku kapalné svarové lázně, jakož i strukturální přeměny ve svarovém kovu a tepelně ovlivněné oblasti.

Nerovnoměrný ohřev a ochlazování kovových konstrukcí při svařování způsobuje vznik tepelných vnitřních pnutí. Ke změnám pevnosti a tažnosti kovů dochází jak při svařování železných kovů, tak při svařování neželezných kovů a slitin. Navíc, čím vyšší je teplota ohřevu a čím nižší je tepelná vodivost kovu, tím vyšší budou tepelné deformace a napětí ve svarovém spoji.

Smrštění odlitku svarové lázně způsobuje vznik zbytkových pnutí a deformací v kovových vrstvách přiléhajících ke svaru. To je způsobeno skutečností, že po ochlazení se svarová lázeň zmenší na objemu a začne natahovat blízké vrstvy kovu. Zároveň platí, že čím menší je objem svarové lázně, tím menší je velikost napětí a deformací, které vznikají při jejím tuhnutí.

Strukturální přeměny v kovu způsobují tahová a tlaková napětí. A v některých případech tyto transformace způsobují změnu objemu svařovaného kovu. Při svařování nízkouhlíkových ocelí jsou napětí od strukturálních přeměn nevýznamná a výrazně neovlivňují kvalitu svarového spoje. Při svařování legovaných ocelí obsahujících více než 0,35 % uhlíku jsou deformace a napětí při svařování poměrně značné a mohou způsobit vznik trhlin za tepla ve svaru.

Vnitřní pnutí a deformace při svařování negativně ovlivňují pevnost kovové konstrukce. Pokud mají svařované oceli tendenci tvořit kalící struktury, mohou být napětí velmi vysoká a v některých případech dokonce způsobit horké a studené trhliny během svařování.

Mechanismus vzniku deformací a pnutí při svařování

Uvažujme mechanismus vzniku zbytkových deformací a napětí. Každý ví, že když se kov zahřívá, roztahuje se, a když se ochladí, smršťuje se. Co se ale stane, když je kov sevřen a není prostor pro jeho expanzi?

Položme například mezi stěny kovovou tyč, jak je znázorněno na obrázku. V tomto případě se uprostřed tyče vytvoří svar a tato tyč se působením elektrického oblouku rovnoměrně zahřeje na teplotu 600 °C. Při zahřátí se blok zahřeje a má tendenci se prodlužovat. Ale není kam prodloužit laťku, protože překáží stěny, mezi nimiž je sevřeno. V důsledku toho začnou na blok působit tlakové síly z bočních stěn.

Vlivem bočních stěn se zahřátý blok, který se stal plastičtějším, zmačká a přestane odtlačovat stěny od sebe. Pak se při chladnutí začne zužovat a zkracovat o tolik, o kolik se prodloužit nepodařilo. Boční stěny nedovolily tyči se volně roztahovat a v důsledku toho v ní vznikala vnitřní tahová napětí.

K podobným mechanismům dochází při svařování kovů. Vrstvy základního kovu, které nebyly vystaveny ohřevu a zachovaly si svou tuhost, neumožňují zkrácení kovu tepelně ovlivněné zóny. A vrstvy kovu v tepelně ovlivněné zóně mají zase tendenci rozdrtit kov umístěný vedle nich.

Složitý obraz pnutí a deformací uvnitř kovu při svařování se ještě více zkomplikuje při provádění křížících se švů nebo v případě předehřívání nebo při upevňování svařovaných výrobků. V důsledku toho se kovové konstrukce po svařování deformují, ohýbají a deformují. A to se děje dlouho předtím, než jsou vystaveny provoznímu zatížení. Dále vám doporučujeme přečíst si článek: „Druhy deformací a napětí při svařování“, který je pokračováním tématu deformací při svařování.

Další související materiály: