А б

Рис. 4. Местные остаточные деформации:

А – выпучивание листов; б – волнистость пояса сварной тавровой балки.

Скручивание (Рис.5.) имеет место при сварке двутавровых, коробчатых и иного сечения балок значительной длины. Деформация этого вида образуется вследствие неодновременности наложения продольных швов или разной жесткости свариваемых элементов.

Рис. 5. Скручивание двутавровой сварной балки.

Такое скручивание по своему действию равносильно приложению фиктивного крутящего момента. Если продольные швы, например, двутавровой балки сваривают не в одном, а в противоположных направлениях (один левосторонний – от начала балки к ее концу, а другой правосторонний – от конца к началу), то скручивание от отдельных швов суммируется. В некоторых случаях при сварке четырех швов угол скручивания балки бывает в четыре раза больше, чем при сварке одного шва. Скручивание балки будет тем больше, чем больше ее длина и меньше площадь поперечного сечения, чем дальше швы от осей симметрии.

Смещение свариваемых кромок возникает чаще всего при сварке металла небольшой толщины. В тонком металле (порядка 1 мм) может возникнуть потеря устойчивости кромок – одна кромка смещается относительно другой, и это положение фиксируется швом. Наиболее заметны перемещения кромок при сварке кольцевых оболочек. Вследствие расширения металла при нагреве зона вблизи кромки оболочки удлиняется в направлении центра окружности, и возникает радиальное смешение одной кромки относительно другой. Радиальные перемещения будут различными, если оболочка имеет разную жесткость.

Деформации сварных конструкций имеют, как правило, сложный характер. Так, в сварных тавровых и двутавровых балках, фермах несущих конструкций, кронштейнах возникают поперечные и продольные укорочения, продольный изгиб, угловые деформации. При сварке листов встык также развиваются деформации продольного и поперечного укорочения, продольный изгиб, угловые деформации и т.д. При сварке листов разной ширины встык деформация соединения будет определяться деформацией более широкого и жесткого листа (Рис. 6).

Рис. 6. Остаточная деформация изгиба при сварке встык двух листов разной ширины.

2.5. Влияние остаточных сварочных напряжений

на прочность сварных соединений и конструкций.

При сварке на отдельных участках сварного соединения часто возникают напряжения, которые достигают величины предела текучести – т.е. напряжения, при котором образец, деформируясь, получает остаточное удлинение еще до приложения к нему внешней нагрузки.

Прочность сварной конструкции может оказаться ниже расчетной, когда остаточные сварочные напряжения и рабочие напряжения будут одного направления – одного знака и просуммируются.

Резервом повышения прочности сварной конструкции являются рабочие и остаточные напряжения разного знака, которые в некоторых случаях могут взаимно компенсироваться, но это носит вероятный характер и встречается редко.

При статической нагрузке остаточные сварочные напряжения в значительно меньшей мере влияют на прочность сварных соединений и конструкций. Если напряжения от внешней нагрузки складываются с остаточными сварочными напряжениями, то наступает местная пластическая деформация конструкции чаще всего в околошовной зоне, в результате которой увеличения напряжений выше предела текучести на отдаленных от шва участках практически не происходит.

Металл утрачивает способность пластически деформироваться в следующих случаях:

– при наличии значительной площади или объема металла с остаточными сварочными напряжениями, т.е. при малых удельных напряжениях;

– при низкой температуре окружающей среды, что может перевести металл в хрупкое состояние, с последующим образованием трещин.

Металлы с низкими пластическими свойствами, такие как некоторые легированные стали склоны к переходу в хрупкое состояние в значительно большей степени. В связи с этим, сварные соединения и конструкции из высокопрочных сталей весьма чувствительны к наличию остаточных напряжений.

Остаточные напряжения увеличивают вероятность усталостного разрушения конструкций при переменных и вибрационных нагрузках, особенно при наличии концентраторов напряжений в виде острых надрезов, а также с понижением пластических свойств металла.

Хрупкое разрушение конструкции при наличии сварочных собственных напряжений растяжения имеет следующие особенности:

– разрушение носит внезапный характер и не имеет следов предшествующей ему пластической деформации;

– хрупкая трещина, возникая в местах концентрации напряжений, пересекает большую часть или все сечение;

– разрушение наступает при незначительных рабочих напряжениях.

В этом случае поле остаточных сварочных напряжений играет роль источника энергии для развития возникающей хрупкой трещины.

В том случае, когда возникают не растягивающие, а сжимающие остаточные сварочные напряжения значительной величины, они могут вызывать потерю устойчивости элементов или конструкции (резервуаров, трубопроводов и др.) в целом, то есть стать причиной значительной деформации или разрушения конструкции.