Гипотезы и предпосылки теории сварочных деформаций и напряжений

Как было отмечено выше, причиной появления деформаций и напряжений при сварке является неравномерный нагрев свариваемых деталей и сопротивление (вследствие жесткости самой детали) возникновению тем тепловым и структурным деформациям, которые вызываются нагревом. Поэтому для количественной оценки величины сварочных деформаций и напряжений необходимо знать поведение материала при нагреве: его тепловое расширение и его механические характеристики при различных температурах.

Для упрощения инженерных расчетов в теории сварочных деформаций и напряжений приняты ряд предпосылок и гипотез:

1. Предпосылка о пластичности материала.

Принимается, что свариваемый материал упругопластичный, а свойства металла шва и основного металла одинаковы.

Механические характеристики стали, определяющие связь между деформациями и напряжениями при действии сил, также зависят от температуры. В силу того, что эта зависимость для различных сталей различная и притом достаточно сложная, в основу приводимых ниже расчетов положена диаграмма Прандтля для идеального упругопластического материала (рис. 2.1а). При этом предположено, что для различных температур меняется лишь предел текучести , а модуль упругости Е остается неизменным. Подобно диаграмме Прандтля, принятая диаграмма зависимости предела текучести от температуры представляет собою схематизированную зависимость, которой заменена действительная зависимость  от температуры, изображенная на рис. 2.1б пунктиром (Ст3). Соответственно изменению предела текучести изменяются и те относительные удлинения, при которых достигается предел текучести (рис. 2.1б).

            а                                                       б

Рисунок 2.1 – Зависимость между деформациями и напряжениями для идеального упругопластического материала при различных температурах (а), и предела текучести и относительных деформаций, соответствующих пределу текучести, от температуры (б)

2. Гипотеза плоских сечений.

Сварочные деформации подчиняются гипотезе плоских сечений; сварочные напряжения взаимно уравновешены. На основании этой гипотезы принято, что при различных деформациях элемента, происходящих под действием осевых сил или изгибающих моментов, его поперечные сечения во всех случаях остаются плоскими (т. е. они при этом не искривляются). Поле сварочных напряжений имеет линейный характер.

3. Предпосылка о неизменности теплофизических свойств материала.

Теплофизические свойства (коэффициент теплового расширения, коэффициент теплопроводности, теплоемкость), как это принято в теории.распространения тепла при сварке, принимаются не зависящими от температуры Т.

4. Предпосылка о линейности остаточных напряжений. Условно принято, что поле сварочных напряжений для многих типов соединений и сварных элементов может представляться линейным (одноосным). Температурное поле, образующееся вокруг источника теплоты при сварке, установившееся. Значения местных деформаций (или напряжений) будут определяться законом упругого равновесия.

Сделанные допущения позволяют перейти к определению деформаций и напряжений. Однако прежде чем определять их для условий неравномерного нагрева, характерного для сварки, следует уточнить процесс их возникновения и развития при равномерном нагреве и остывании стержня.