Основными причинами возникновения сварочных деформаций и напряжений являются неравномерность распределения температуры при сварке и жесткость свариваемых элементов, препятствующая свободному развитию тепловых деформаций.

По времени их существования различают деформации и напряжения временные – существующие в процессе сварки и последующего остывания, и остаточные – устанавливающиеся после полного остывания.

Для наглядного представления механизма возникновения и развития сварочных деформаций и напряжений можно составить упрощенную схему явлений, приняв некоторые допущения. Так, действительную зависимость предела текучести  от температуры (кривая 1 на рис. 2.1а) можно упростить, и графически представить в виде ломаной линии 2. Если действительное распределение температуры в момент, когда зона с температурой выше 600° С достигнет наибольшей ширины, представляется графиком на рис. 2.1б то с небольшой погрешностью можно пренебречь нагревом той части полосы, где температура ниже 600° С, и принять распределение температуры по схеме рис. 2.1в.

Приняв указанные упрощения, можно для случая наплавки валика на кромку полосы всю ширину полосы разбить на две части (рис. 2.2а): на полоску шириной равномерно нагреваемую, и на полосу шириною , остающуюся холодной.

Если бы нагреваемая полоска  I  шириною b и полоса  II шириною c не были связаны между собою (рис. 2.2а), то при нагреве до температуры  T полоски I ее длина оказалась бы равной

,

где  – коэффициент линейного теплового расширения.

Рисунок 2.2 – Схема развития деформаций и напряжений в связанных полосах I и II при нагреве и остывании полоски I

Длина полосы  II  при этом осталась бы неизменной и равной  (рис. 2.2б).

Так как нагреваемая полоска I  и полоса  II  связаны между собою, то, удлиняясь, нагреваемая полоска заставит удлиниться и крайнее волокно полосы II  (за счет изгиба и растяжения полосы II), что вызовет напряжения сжатия в нагреваемой полоске и изгибные напряжения (т. е. меняющие знак) в полосе II. До тех пор, пока напряжения сжатия в нагреваемой полоске I  будут, увеличиваясь, оставаться меньше предела текучести, – изгиб полосы будет увеличиваться. При достижении напряжениями нагреваемой полоски I предела текучести, – дальнейший  рост деформации изгибаемой полосы II  прекратится, увеличение длины нагреваемой полоски I  остановится, и дальнейший нагрев вызовет в ней рост пластических деформаций укорочения . Вместо длины   длина нагретой полоски будет определяться длиною   крайнего волокна изогнутой полосы  II.  

Тогда, в случае независимого деформирования при остывании (рис. 2.2в), полоса II заняла бы свое первоначальное положение,  а нагревавшаяся полоска  I оказалась бы укороченной на величину пластических деформаций   и ее длина была бы

.

Так как деформации полоски I  и крайнего волокна полосы II должны быть совместными, то укороченная полоска будет стремиться так изогнуть полосу, чтобы прилегающее волокно оказалось такой же длины, как и нагревавшаяся полоска. При этом последняя будет испытывать напряжения растяжения (рис. 2.2г).

Приведенная на рис. 2.2 принципиальная схема возникновения и развития сварочных тепловых деформаций и напряжений в действительности значительно усложняется, так как нагреву подвергается не только полоска I , а более широкая часть полосы, сам нагрев меняется в зависимости от режима сварки, пластические деформации сжатия возникают не только в зоне нагрева свыше 600°, но и в частях полосы, нагревавшихся до более низких температур, а также и вследствие ряда других причин.

На рис. 2.3 приведена кинетика деформаций и напряжений, вызванных наплавкой валика на кромку полосы. Видно, что полоса вначале будет выгибаться в сторону наплавляемого шва (рис. 2.3а), а затем по мере остывания направление прогиба меняется на противоположный, и, после полного остывания она получит остаточный прогиб f и абсолютное укорочение по линии центров тяжести –  (рис. 2.3б). Учитывая сложность теоретического определения временных деформаций и напряжений, в данной работе будем оценивать только остаточные деформации и напряжения полосы, и сравнивать с опытным значением их.