Поперечні напруги і деформації при зварюванні

Напруження, що діють в поперечному напрямку до лінії шва, утворюються в зварних швах від дії поздовжньої і поперечної усадки. В існуванні поперечних напружень від поздовжньої усадки легко переконуємося при розрізі вздовж по шву зварного з'єднання в стик. Обидві пластини, які в зварному з'єднанні утримувалися в випрямленном стані, після розрізу будуть зігнуті. Кожна пластина під дією поздовжньої усадки своєї активної зони зігнеться подібно пластині з наплавленим валиком на її кромку. Це показує, що обидві пластини в зварному з'єднанні утримуються в випрямленном стані поперечними внутрішніми зусиллями.

Незалежно від порядку виконання ділянок шва середина його під дією поздовжньої усадки в поперечному напрямку розтягнута, а кінці шва стиснуті. Величина напружень поперечного розтягування в середній області шва ас в два рази менше абсолютного значення величини напруги поперечного стиснення на кінцях шва.

У кутових швах таврових і з'єднань внапуск закономірність розподілу поперечних напружень від поздовжньої усадки така ж, як і в стикових з'єднаннях, але величина їх менше, ніж в стикових. Це пояснюється тим, що поперечні зусилля від поздовжньої усадки, діючи в процесі охолодження на полицю тавра або будь-яку пластину нахлесточного сполучення в напрямку осі найменшої жорсткості, будуть значно менше внаслідок більшої податливості цих пластин в напрямку осі шва.

Поява в зварних швах поперечних напружень від поздовжньої усадки при зварюванні неминуче, як і неминуче явище самої поздовжньої усадки, проте самі по собі поперечні напруги від поздовжньої усадки не викликають в зварних швах небезпечних перенапруг. Крім поперечних напружень від поздовжньої усадки, в зварних швах виникають напруги і деформації, породжувані поперечної усадкою. Поперечна усадка при зварюванні - є поперечний скорочення шва і околошовной зони в процесі охолодження. Напруги від поперечної усадки є найбільш небезпечними для працездатності зварних з'єднань і зварних конструкцій. Поява подовжніх тріщин в зварних швах і руйнування зварних конструкцій тісно пов'язані з високими значеннями поперечних напружень розтягу від поперечної усадки при зварюванні.

Якщо при еварке в стик пластини безперешкодно переміщаються по мірі поперечного скорочення шва і околошовной зони в процесі охолодження, то залишкові напруги від поперечної усадки в стикових швах будуть незначні і можуть навіть зовсім відсутні. При рівномірному нагріванні металу по товщині або при двосторонньої зварювання залишкова деформація буде у вигляді поперечного укорочення. Величина поперечного укорочення стикового шва при вільної поперечної усадки наближено може бути визначена за формулою.

Основними причинами виникнення в зварних швах напружень від поперечної усадки є: 1) неодночасність нагріву і охолодження металу по довжині шва, 2) нерівномірність нагріву і охолодження шва по товщині металу, 3) жорсткість деталей, що зварюються і 4) характер закріплення деталей, що зварюються в процесі нагрівання і охолодження металу.

При зварюванні від кінців шва до його середині поперечна усадка приводила б до залишковим напруженням розтягу в середині шва і напруженням стиснення на кінцях шва. Такий порядок зварювання призводить до підсумовування в середній області шва напружень розтягу від поперечної усадки з напругою розтягнення від поздовжньої усадки і породжує небезпеку утворення розриву і тріщини. Проводити зварювання від кінців шва до його середини не рекомендується.

Залишкові напруги розтягнення від поперечної усадки можуть досягати в середній частині шва великих значень при зварюванні напроход або від середини до кінців в тому випадку, якщо поставлені перед зварюванням на кінцях шва прихватки НЕ проварені ретельно в процесі виконання зварювання. Внаслідок цього прихватки необхідно ретельно проварювати. Якщо ж прихватки виконувалися електродами, що дають наплавку металу низької якості, то їх слід вирубати, а місця ці заварити якісними електродами. При зварюванні в стик вільних деталей і правильному порядку накладення ділянок шва напруги розтягнення від поперечної усадки зазвичай невеликі.

При зварюванні вільних (незакріплених) пластин з огляду на неодновременного охолодження металу по товщині шва розподіл поперечних напружень по перерізу шва нерівномірне: середина шва стиснута, а зовнішні шари кореня і верхні шари розтягнуті. Наявність розтягування в корені шва змушує ретельно проварювати корінь шва при односторонньому зварюванні з метою підвищення міцності з'єднання. Напруги розтягнення від поперечної усадки досягають високих значень у всіх випадках зварювання, якщо зварюються деталі закріплені і не можуть вільно переміщатися в поперечному напрямку при усадки шва.

Бази закріплення при зварюванні в стик, а також прихватки поясних швів в таврових з'єднаннях, повинні бути розташовані не ближче 500 мм. від стикового шва при товщині листів не вище 10 мм. При зварюванні великої товщини бази закріплення слід збільшувати. При односторонньому зварюванні стикових швів і особливо швів зі скосом кромок розподіл розігрітого металу по товщині пластин, нерівномірне. Величина поперечної усадки в верхніх шарах шва більше ніж в корені шва. Під дією поперечної усадки верхніх шарів шва відбувається поворот пластин відносно один одного і утворюється деякий кут.

Для запобігання кутовий деформації зварювання листів в стик виконують на магнітному стенді. Магнітні стенди вельми ефективні при зварюванні тонких листів, приблизно до 6 мм. Іноді ставлять на аркушах поблизу шва вантажі. Магнітні стенди і вантажі утримують листи від повороту, допускаючи переміщення їх в своїй площині під дією поперечної усадки, що зменшує кутову деформацію і не викликає великих напруг від поперечної усадки. При двосторонньої зварювання залишкова кутова деформація майже усувається. У таврових і напусткових з'єднаннях поперечна усадка одного шва зустрічає перешкоду з боку іншого шва, розташованого поруч, паралельно першому, і залишкові напруги розтягнення від поперечної усадки в цих швах зазвичай досягають межі текучості.

Накладення одного кутового шва в таврових і напусткових з'єднаннях може викликати кутову деформацію ще в більшій мірі, ніж в стикових швах, але при накладенні другого шва, паралельного першому, кутова деформація від першого шва майже усувається. У таврових з'єднаннях під дією поперечної усадки утворюється грибоподібних полки. Глибокий проварена кореня кутових швів в таврових з'єднаннях знижує грибоподібних полки.