Напряжения и деформации при сварке

НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

Причины возникновения напряжений и деформаций

Во время сварки теплота, выделяемая источником нагрева, расходуется не только на расплавление металла сварочной ванны. Она нагревает также шлаки и газы, окружающие ванну. Кроме того, вместе с ванной нагревается и само изделие. При этом нагревается оно неравномерно: рядом, на границе с ванной, - почти до температуры плавления, а чем дальше от ванны, тем температура ниже. Температура при движении источника нагрева меняется непрерывно: на участках изделия, ближайших к ванне, она сначала резко возрастает, потом снижается. Иная картина в местах, отдаленных от зоны сварки: теплота доходит туда с опозданием, температура плавно повышается и медленно понижается в результате рассеивания теплоты в окружающую среду.

В результате неравномерного нагрева свариваемые изделия коробятся - деформируются, в металле появляются внутренние напряжения. Многие сплавы железа и цветных металлов изменяют свою прочность и пластичность при нагреве выше определенных температур. К тому же часто эти свойства зависят и от скорости охлаждения (как и при закалке сталей). Вот почему так важно знать температурные изменения на различных участках свариваемого изделия.

Что происходит с металлом при нагреве, знают все, - он расширяется. А если кусочек металла зажат так, что ему некуда расширяться? Именно в таком положении находятся при сварке участки шва и околошовной зоны.

Рассмотрим, что происходит на отдельном участке. Вырежем мысленно брусок так, чтобы шов пришелся на середину его длины (рис.1). Условно примем, что дуга будет нагревать брусок равномерно до 600 °С. И, чтобы приблизить модель к реальным условиям (в которых участки металла связаны между собой), положим брусок между прочными неподвижными стенками. Ведь в реальных изделиях участки металла связаны между собой и не имеют возможности перемещаться отдельно.

Рис.1. Изменение размеров бруска (а) при нагреве (б) и охлаждении (в)
     

При нагреве металл будет стремиться к удлинению. Однако нашей модели (да и реальному металлу на участке сварки) удлиняться некуда - мешают стенки, и металл начинает "чувствовать" сжимающее усилие от распираемых им стенок. В то же время нагретый металл становится более пластичным и, поддавшись сжатию, сминается. Он уже не распирает стенки и, когда начинает остывать, укорачивается настолько, насколько не смог удлиниться. Если стенки не позволяют бруску свободно сокращаться, если они его держат, то в нем возникнут внутренние напряжения растяжения.

Так происходит и в реальных условиях сварки, потому что те участки изделия, которые не были нагреты до пластического состояния и сохраняли свою жесткость, препятствуют укорачиванию металла в околошовной зоне. Но и околошовные участки также стремятся сжать расположенный рядом с ними металл. Эта сложная картина деформаций и внутренних напряжений еще более осложняется при сварке пересекающихся швов, при закреплении заготовок перед сваркой, при предварительном подогреве и охлаждении. Конструкции после сварки изгибаются, коробятся, вспучиваются еще задолго до того, как начнут эксплуатироваться и примут на себя рабочую нагрузку.

 Виды деформаций

Возникающие при сварке деформации разделяют на временные, существующие только во время сварки конструкции, и остаточные, остающиеся после завершения сварки и остывания конструкции. Важное значение для практики имеют остаточные сварочные деформации. В зависимости от характера, формы и размеров свариваемых деталей различают деформацию в плоскости и деформацию из плоскости соединяемых элементов (рис.2).

Рис.2. Сварочные деформации

а - изменение размеров деталей после сварки;

б - угловая деформация стыковых соединений;

в, г - угловая деформация тавровых соединений.

Деформация в плоскости проявляется в изменении (уменьшении) размеров конструкции, с чем необходимо считаться при заготовке деталей и сборке под сварку, предусматривая припуск на изменение размеров.

Деформация из плоскости (угловая деформация) проявляется в образовании выпучин (хлопунов), местном изгибе листов, грибовидном изгибе пояса при сварке элементов тавровых и двутавровых сечений, а также других изменениях формы изделий.

Величина и характер остаточных деформаций в значительной степени определяются толщиной и свойствами основного металла, режимом сварки, последовательностью наложения швов, конструктивными формами свариваемых деталей и формой шва. При увеличении толщины свариваемого металла деформации снижаются, что связано с большей жесткостью конструкции.

Изменение размеров и формы сварной конструкции в некоторых случаях снижает ее работоспособность и портит внешний вид. Если остаточные деформации достигают заметной величины, они могут привести к неисправимому браку. При разработке технологии сборки и сварки конструкции учитывают необходимость снижения остаточных деформаций до величины, при которой они не отражаются на работоспособности и внешнем виде конструкции и не затрудняют сборку отдельных элементов.

Способы снижения сварочных напряжений и деформаций

Меры предотвращения деформаций. С целью уменьшения сварочных напряжений и деформаций при сборке деталей перед сваркой применяют ряд мер. Эффективной мерой снижения остаточных деформаций является жесткое закрепление свариваемых деталей в специальных приспособлениях - кондукторах. Часто применяют дополнительную деформацию заготовок, которая должна быть противоположной ожидаемой сварочной деформации. Метод предварительного изгиба свариваемых деталей используют для борьбы с угловыми деформациями при сварке стыковых и нахлесточных соединений. При сварке листов небольшой ширины их располагают с предварительным выгибом в сторону, обратную ожидаемой деформации. Листы большой ширины можно укладывать с предварительным изгибом свариваемых кромок. Для устранения деформаций при сварке тавровых и двутавровых балок используют приспособления, которые изгибают балку в сторону, обратную ожидаемой деформации.

Если меры предотвращения образования сварочных напряжений и деформаций оказываются недостаточными, появляется необходимость в устранении (снятии) возникших напряжений и деформаций.

Отпуск. Для снятия напряжений сварные соединения подвергают термообработке. С этой целью при сварке углеродистых конструкционных сталей проводят общий высокий отпуск конструкции (нагрев до 630-650 °С с выдержкой при этой температуре в течение 2-3 мин на 1 мм толщины металла). Охлаждение должно быть медленным для того, чтобы при этом снова не возникали напряжения. Режим охлаждения в основном зависит от химического состава стали. Чем больше содержание элементов, способствующих закалке, тем меньше должна быть скорость охлаждения. Во многих случаях деталь охлаждают до температуры 300 °С с печью, а затем на спокойном воздухе.

Аргонодуговая обработка. Расплавление участка перехода от шва к основному металлу неплавящимся электродом в аргоне нарушает равновесие внутренних сил напряженного поля вследствие перехода части металла в жидкое и пластическое состояние. Естественно, что при кристаллизации расплавленного металла будут вновь возникать напряжения, однако они сравнительно малы, так как количество этого металла во много раз меньше, чем количество металла шва. Расплавление небольшого количества основного металла и металла шва приводит к уменьшению напряжений на 60-70 %. Получаемый при этом плавный переход от шва к основному металлу способствует значительному повышению прочности сварных соединений, особенно при переменных нагрузках.