Деформации в сварных конструкциях являются результатом наличия внутренних напряжений, которые могут вызываться различными причинами. К неизбежным причинам, способствующим возникновению напряжений и деформаций, относятся такие, без которых процесс обработки происходить не может - неравномерный нагрев, кристаллизационная усадка швов, структурные изменения металла шва и околошовной зоны и т. д.
К сопутствующим причинам, способствующим возникновению напряжений и деформаций, относятся неправильные решенная конструкции сварных узлов (близкое расположение швов, их частое пересечение, неправильно выбранный тип соединения и т. п.), применение устаревшей техники и технологии сварки (неверно выбраны способы наложения слоев и диаметр электрода, не соблюдаются режимы сварки и т. д.), низкая квалификация сварщика, нарушение геометрических размеров сварных швов и т. п.
Кристаллизационная усадка металла шва вызывается тем, что при охлаждении металл шва уменьшается в объеме, но поскольку одновременно шов имеет жесткую связь с относительно холодным основным металлом, его усадка вызывает появление внутренних напряжений.
Кристаллизационная усадка незакрепленного (свободного) образца приведет лишь к его укорочению. Если же усадка будет иметь место в условиях жесткого закрепления свариваемых деталей или в условиях неравномерного (неодинакового) нагрева, то в этом случае в конструкции после остывания образуются внутренние напряжения, вызывающие ее деформацию. В процессе снижения температуры в жестко закрепленной детали будут возникать силы растяжения, стремящиеся ее разорвать.
Классификация напряжений. Остаточные напряжения при сварке возникают в результате появления термопластических деформаций, которые образуются от неравномерного распределения температуры в изделии, такие деформации бывают упругие и упруго-пластические.
Остаточные напряжения в зависимости от объема тела, в пределах которого они уравновешены, классифицируются следующим образом. Остаточные напряжения первого рода уравновешиваются в крупных объемах, соизмеряемых с размерами изделия или его частей, и обладают определенной ориентацией в зависимости от формы изделия. Эти напряжения определяют расчетом исходя из теории упругости и пластичности, а также экспериментально.
Остаточные напряжения второго рода уравновешиваются в пределах микрообъемов тела, т. е. в пределах одного или нескольких зерен металла. Эти напряжения не имеют определенной направленности и не зависят от формы изделий. Находят эти напряжения опытным путем.
Остаточные напряжения третьего рода уравновешиваются в мельчайших объемах – в пределах атомной решетки. Они также не имеют определенной направленности и определяются экспериментально по степени изменения интенсивности линий на рентгенограммах.
В строительных конструкциях и в машиностроении инженерными расчетами определяют только напряжения первого рода.
По направлению в теле собственные напряжения (рис. 79) могут быть одноосными - линейными, двухосными – плоскостными и трехосными - объемными.
При рассмотрении процесса возникновения деформаций при сварке следует учитывать, что в процессе охлаждения стали изменяются ее физические и механические свойства (рис. 80). Работа стали под нагрузкой зависит от вида силового воздействия; формы элемента, подвергнутого силовому воздействию; структуры и химсостава стали; влияния температурных и собственных напряжений.



Рассмотрим влияние силовых воздействий, которые могут вызывать одноосное, двухосное или трехосное напряженное состояние стали.
Одноосное напряженное состояние стали вызывается центральным растяжением или сжатием, чистым изгибом, внецентренным растяжением или сжатием малогибких элементов и т. д. Работа стали при указанных силовых воздействиях выражается диаграммой растяжения или сжатия. При этом имеются четко выраженные области:
до предела пропорциональности - упругие деформации;
до предела текучести - упругопластические деформации;
на пределе текучести - упругие и пластические;
на площадке текучести - пластические;
до предела прочности - упругопластические.
Классификация сварочных деформаций. Сварные конструкции в результате появления упругопластических деформаций в сварных соединениях могут изменить свои размеры и претерпеть общие деформации - продольные и поперечные, изгиба, скручивания и потери устойчивости.
В результате продольных и поперечных деформаций происходит сокращение элементов по длине и ширине, эти деформации образуются при симметричной укладке сварных швов.
Деформации изгиба появляются при несимметричном расположении сварных швов в конструкциях и сопровождаются продольным сокращением элементов (продольной усадкой) и поперечным сокращением (поперечной усадкой швов). Этот вид деформации в практике встречается довольно часто.
Деформации скручивания образуются вследствие несимметричного расположения швов в поперечных сечениях элементов и встречаются относительно редко.
Деформации потери устойчивости вызываются сжимающими напряжениями, которые образуются в процессе нагревания и остывания изделий.