Главной причиной, вызывающей появление деформаций и напря­жений при электродуговой сварке, является локальный высокотемпе­ратурный нагрев металла соединяемых элементов мощным источником теплоты (сварочной дугой), характеризующийся резкой неравномерно­стью нагрева.

Представим, что тело составлено из большого количества малых кубических элементов одинаковых размеров. При равномерном повы­шении температуры тела каждый элемент будет расширяться на одну и ту же величину, пропорциональную повышению температуры, равно­мерно во всех направлениях. Таким образом, элементы будут оставать­ся кубиками одинаковых размеров, при этом никаких напряжений не возникнет. В случае, если повышение температуры в теле неравномер­но, то каждый элементарный кубик стремится расшириться на величи­ну, пропорциональную повышению его температуры: для соседних ку­биков эта величина различна. Поскольку тело должно оставаться сплошным, менее нагретый кубический элемент будет ограничивать свободное расширение соседнего, более нагретого кубика, что сопро­вождается возникновением силовой ситуации между ними, т. е. появ­лением напряжений. Таким образом, в теле возникает сложное напря­женное состояние. Если неравномерное нагружение кубиков по всему телу происходит только в упругой области, то после полного охлажде­ния каждый кубический элемент восстанаваливает свои первоначаль­ные размеры, и в теле исчезает напряженное состояние.

Если же в процессе нагрева в отдельном кубике или группах куби­ков возникнут объемные изменения, обусловленные пластическим

деформированием металла, то после полного охлаждения он или они стремятся изменить свои размеры на величину возникших в них при нагреве пластических деформаций, что будет являться причиной появ­ления остаточных напряжений, которые остаются в теле после полного охлаждения. Аналогичное объемное изменение в группах кубиков мо­жет быть и результатом происходящих в них структурных превраще­ний: изменением объема металла при полиморфных превращениях, свя­занных с переупаковкой атомов, или образованием вынужденных пересыщенных твердых растворов, например мартенсита.

Таким образом, неравномерный нагрев тела и местные необратимые объемные изменения, обусловленные пластической деформацией или структурными превращениями, являются причиной появления соответ­ственно температурных напряжений; напряжений, обусловленных пла­стическими деформациями; напряжений вследствие структурных пре­вращений.

Обобщая сказанное, можно отметить, что при электродуговой свар­ке неравномерный нагрев всегда приводит к пластическому деформи­рованию металла (ниже смотри пример), поэтому первые два вида на­пряжений неизбежны при сварке всех металлов, в то время как напряжения, обусловленные структурными превращениями, образуют­ся при сварке только таких металлов, превращения в которых происхо­дят при относительно низких температурах, когда металл уже восста­новил свои упругие свойства, например в сталях мартенситного класса, в сталях перлитного класса, склонных к закалке, и др. Для малоуглеро­дистых и низколегированных конструкционных сталей этими напря­жениями можно пренебречь.

Пример. Стержень из малоуглеродистой стали длиной /, жестко за­крепленный по торцам, нагревается равномерно по всей длине. При ка­кой температуре Тнапряжения в нем достигнут значений предела теку­чести стали с?

Потребные для расчета теплофизические константы и механичес­кие свойства для малоуглеродистой стали (по справочным данным):

• коэффициент теплового расширения (сжатия) а = 12 • 10 (’ 1 /°С;

• предел текучести а = 240 МПа;

• модуль нормальной упругости Е = 20 • 10Г) МПа.

Если бы стержень длиной / был свободен, то при нагреве до темпе­ратуры Т он увеличил бы свою длину на

Д/Г=сс77.

/

Но так как стержень закреплен, т. е. свободное его удлинение запреще­но, то при нагреве в нем возникнут напряжения сжатия. Относительная деформация сжатия, возникающая в стержне при нагреве:

Согласно закону Гука, при одномерном сжатии деформации и на­пряжения связаны между собой соотношением

а = гЕ.

В рассматриваемой задаче это соотношение имеет вид

а(Г) = є(Г)£ = - схГ£.

Разрешим это выражение относительно Т, когда о(Г) = о,:

Анализируя полученный результат, можно сделать правомерный вывод: пластическое деформирование при сварке в металле шва и дос­таточно широких околошовных зонах неизбежно.