Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§ 41. Тепловые (термические) деформации и напряжения

Деформации и напряжения, возникающие от неравномерного нагревания и охлаждения изделия, называются тепловыми или термическими. Как известно, при нагревании все металлы расширяются, а при охлаждении—сжимаются. Незакрепленный кусок металла, будучи нагрет и затем охлажден до первоначальной температуры, примет те же размеры, которые он имел до нагревания.

Величина расширения металла зависит от температуры его нагрева и коэффициента линейного расширения. Коэффициентом линейного расширения называется величина в миллиметрах, на которую удлиняется металлический стержень длиной в 1 м при нагревании его на 1°. Коэффициенты линейного расширения различных металлов следующие:

Малоуглеродистой стали……………………………. 0,0115

Чугуна серого литейного…………………………… 0,011

Меди…………………………………………….. 0,0162

Латуни……………………………………………. 0,01

Бронзы……………………………………………. 0,017

Нержавеющей стали……………………………………. 0,0185

Алюминия……………………………………………. 0,0238

Чем больше коэффициент линейного расширения и выше температура нагрева, тем большую деформацию будет испытывать металл при нагревании и охлаждении.

Зная коэффициент линейного расширения и температуру нагрева, можно определить изменение длины стержня при нагревании по формуле

где lt — длина стержня при температуре t, м;

10 — длина стержня при начальной температуре, м; а — коэффициент линейного расширения, мм/м град; t — температура нагрева, град.

Если закрепить концы стержня так, что он не сможет свободно изменять свою длину, то термические деформации стержня вызовут в нем термические напряжения, соответствующие по величине этим деформациям. Допустим, что стержень 1, длина которого равна заштрихованной части (рис. 54), закреплен в абсолютно жесткой рамке 2. Нагревание стержня вызвало бы его удлинение на длину АБ, если бы стержень мог свободно расширяться в рамке. Так как стержень не может свободно удлиняться, то он начнет оказывать на рамку давление изнутри. Рамка в свою очередь как бы сжимает стержень с концов, вызывая в нем напряжения сжатия. Нагретый стержень, длина которого должна остаться без изменения, получит пластическую деформацию.

В сечениях 1—1 и II—II рамки возникнут напряжения растяжения, которые будут тем больше, чем больше стремится удлиниться стержень, т. е. чем выше температура его нагрева. Если взять очень толстый стержень и слабую рамку, то последняя может разорваться по сечениям 1—1 nil — II. Если рамка будет жестче и прочнее стержня, то последний изогнется и примет положение, показанное на рис. 54 пунктиром.

При последующем охлаждении нагретый стержень, подвергающийся пластической деформации, стремится сократить свою длину на величину АБ. В этом случае сопротивление рамки вызовет появление в стержне напряжений растяжения и он может или разорваться или изогнуть рамку 2. Это же произойдет, если будем нагревать рамку 2 в сечениях 1—4 и И—2, оставляя стержень холодным.

На величину деформаций при сварке влияет теплопроводность свариваемого металла: чем выше его теплопроводность, тем равномернее распределяется по сечению тепловой поток и тем меньше будет деформация. Поэтому при сварке нержавеющих сталей, обладающих меньшей теплопроводностью и большим коэффициентом линейного расширения, чем малоуглеродистая сталь, деформации получаются большими, чем при сварке малоуглеродистой стали. Наоборот, алюминий, хотя и обладающий более высоким коэффициентом линейного расширения, но значительно лучше проводящий тепло, чем малоуглеродистая сталь, дает при сварке меньшие деформации по сравнению с малоуглеродистой сталью. Термические напряжения от местного неравномерного нагрева при сварке возникают в металле без воздействия внешних усилий. Такие напряжения называются внутренними или собственными. Из собственных термических напряжений наибольшее значение имеют те, которые возникают во время охлаждения изделия. Если эти напряжения действуют только вдоль шва, то они не влияют на прочность сварного соединения. Более опасны напряжения, действующие перпендикулярно оси шва (поперечные), так как они могут вызвать появление трещин в шве и околошовной зоне. Если деформации и напряжения появляются в изделии только в процессе сварки и исчезают при его остывании после сварки, то они называются временными. Те деформации и напряжения, которые сохраняются в изделии после сварки, при полном охлаждении швов, называются остаточными. Остаточные напряжения и деформации имеют наибольшее практическое значение, так как могут отражаться на работе сварной конструкции.

Деформации возрастают при увеличении неравномерности нагрева, поэтому подогрев изделия при сварке существенно уменьшает деформации и напряжения от них.

вверх страницы