Механизм образования временных и остаточных деформаций и напряжений

Если осуществлять равномерный нагрев материала, то его свободное расширение будет происходить без возникновения напряжений. При неравномерном нагреве тела связи между нагретыми и ненагретыми участками препятствуют свободному расширению тела. Вследствие этого в нем возникают собственные температурные напряжения, действующие при отсутствии внешних сил.

Температурные напряжения, возникающие и действующие в процессе тепловой обработки, принято называть временными. Таким образом, при лазерной обработке на стадиях нагрева, выравнивания температур и охлаждения имеют место временные напряжения.

Наряду с температурными деформациями и напряжениями в теле также могут возникать деформации и напряжения, обусловленные фазовыми или структурными превращениями, происходящими с увеличением или уменьшением объема.

Неравномерный нагрев и изменение объема тела вследствие температурного расширения, а также фазовых или структурных превращений приводят к возникновению упругих и пластических деформаций. Пластические деформации в теле после его полного охлаждения являются причиной действия собственных напряжений, называемых остаточными.

Рассмотрим механизм образования временных и остаточных напряжений при нагреве кромки пластины движущимся источником теплоты. В длинной пластине при перемещении источника создается установившееся температурное поле, характеризуемое по линии перемещения (ось х) участком нагрева, находящимся впереди источника, максимальной температурой нагрева в точке расположения источника (точка 0) и участком охлаждения позади источника (рис. 3.1).

Вследствие этого в пластине возникают временные температурные напряжения , действующие в продольном направлении, совпадающие с осью х. Распределение напряжений в крайнем волокне пластины, т. е. по оси х, показано на рис. 3.1, а. Напряжения ах, действующие на стадиях нагрева и охлаждения, являются сжимающими. Если условно принять предел текучести металла бесконечно большим, то это означает, что максимальные значения напряжений не будут достигать уровня и, следовательно, процесс деформирования будет осуществляться в упругой области без образования пластических деформаций. В этом случае после полного охлаждения напряжения окажутся равными нулю.

Предположим, что и в процессе нагрева пластины они не изменяются. В этом случае напряжения на стадии нагрева достигают предела текучести в точке А₁ (рис. 3.1, б). На участке А₁В₁ происходит пластическая деформация укорочения. Если не учитывать упрочнение металла, то Начиная с точки В₁, сжимающие напряжения уменьшаются по кривой B₁C₁D₁, которая эквидистантна кривой BD. В точке С₁ напряжения равны нулю, далее они переходят в растягивающие. В результате этого после полного остывания (точка D₁) будут действовать остаточные растягивающие напряжения которые при этом не достигают предела текучести металла.

Рассмотрим этот же случай в предположении о том, что предел текучести имеет меньшее значение, например (рис. 3.1, в).

Напряжения сжатия на стадии нагрева достигают в точке А₂ предела текучести, и на участке А₂В₂ будет происходить пластическая деформация укорочения. На стадии охлаждения напряжения сжатия уменьшаются, в точке С₂ они становятся равны нулю и далее переходят в растягивающие. В точке N растягивающие напряжения достигают предела текучести, и на участке ND₂ могут возникнуть пластические деформации удлинения. После полного остывания пластины (точка D₂) имеют место остаточные собственные напряжения, равные пределу текучести металла. Рассмотренные схемы образования деформаций и напряжений соответствуют различным случаям теплового воздействия на металлы. Если температура нагрева в процессе обработки незначительна, то предел текучести металла остается без изменений и возникающие напряжения не достигают предела текучести. Практически деформирование осуществляется в упругой области. Это соответствует случаям нагрева в процессе обработки до максимальных температур

Реальные технологические процессы лазерной обработки проводятся при существенно более высоких температурах, и, следовательно, возникновение деформаций и напряжений происходит в условиях упругопластического деформирования.

Собственные напряжения (временные и остаточные) независимо от характера распределения в теле всегда уравновешены. В зависимости от объема взаимного уравновешивания напряжения подразделяют на напряжения первого рода, уравновешенные в макрообъемах; напряжения второго рода, уравновешенные в объемах одного или нескольких зерен; напряжения третьего рода, уравновешенные в микрообъемах, соизмеримых с размером кристаллической решетки.

Изменение формы и размеров конструкции обусловлено действием напряжений первого рода, тогда как напряжения второго и третьего рода имеют определающее значение при анализе условий возникновения разрушения в процессе обработки.

Собственные напряжения в зависимости от направления действия подразделяют на одноосные, или линейные, действующие в теле лишь в одном направлении; двухосные, или плоскостные, действующие в плоскости; трехосные, или объемные, действующие по всем направлениям в пространстве.

В зависимости от формы и размеров обрабатываемых лазерным излучением элементов, а также характера действующего излучения могут возникать одно-, двух- или трехосные напряжения. При лазерной наплавке валика на кромку пластины, лазерной сварке или резке длинных узких полос, а также лазерной термообработке кромок элементов напряженное состояние можно считать одноосным. В случае лазерной однопроходной сварки и резки элементов небольшой толщины, наплавки и термообработки поверхностей возникает двухосное напряженное состояние. И наконец, при лазерной сварке и резке элементов большой толщины имеет место трехосное напряженное состояние, являющееся наиболее сложным для расчетного и экспериментального определения.

Компоненты напряжений обозначают в соответствии с расположением осей координат. Общепринятая схема, когда продольная ось х совпадает с направлением лазерной обработки, показана на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Общепринятая схема расположения осей координат

Соответственно напряжения, действующие в направлении лазерной обработки, называют продольными и обозначают Напряжения, действующие в плоскости перпендикулярно направлению обработки, называют поперечными и обозначают су. Напряжения, действующие в направлении, перпендикулярном плоскости обработки , называют напряжениями по толщине элементов и обозначают . Наряду с нормальными компонентами напряжений могут действовать соответствующие касательные напряжения

Деформации, возникающие при лазерной обработке, обозначают аналогично напряжениям. Различают нормальные и сдвиговые компоненты деформации. Деформации определяют изменение линейных и угловых размеров тела и характеризуют состояние его отдельных участков.