Напряжения и деформации при сварке. Термическая обработка сварных конструкций

НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Напряжения и деформации при сварке

Нагрев и плавление металла при сварке создают внутренние напряжения в металле и его деформацию, вызываемые следующими причинами: неравномерным нагревом и распределением температур по сечению и длине сварного соединения; литейной усадкой наплавленного металла; структурными изменениями металла при охлаждении.

Эти сварочные напряжения и деформации являются собственными или остаточными напряжениями и деформациями металла, так как не зависят от приложения к нему внешних сил, а появляются в результате внутренних сил, возникших от сварки.

Изменение механических свойств низкоуглеродистой стали в зависимости от нагрева и диаграмма ее зависимости от напряжений показаны на рис.1. Как видно из рис.1, а сперва растет от нагрева, а с увеличением температуры резко падает, надает также от и модуль упругости Е, растет относительное удлинение . На рис.1, б видно, что с увеличением напряжения сталь деформируется незначительно (удлиняется до 0,2%) до предела упругости . При нагрузке до предела упругости сталь деформируется упруго и со снятием нагрузки восстанавливает прежние размеры и форму. Если же нагрузка будет незначительно увеличена за предел текучести , сталь будет удлиняться даже без увеличения нагрузки до 2 %, и эта деформация от 0,2 до 2 % будет уже не упругой, а пластической и останется при снятии нагрузки. При дальнейшем увеличении нагрузки пластическая деформация стали будет возрастать вплоть до временного сопротивления , после чего сталь разрушится. Деформацию стали от 0,2 до 2,0 % называют площадкой текучести.

Рис.1. Изменение механических свойств стали от температуры (а), от нагрузки (б)

Из приведенных графиков видно, какое большое значение для работы сварного соединения имеют неравномерная температура нагрева при сварке и возникающие при этом нагрузки. Нагрев стали при сварке резко снижает предел текучести, увеличивает удлинение, что вызывает необратимые пластические деформации и, как следствие, растягивающие и сжимающие напряжения в сварном соединении. Процесс этот идет непрерывно до окончания сварки соединения. На рис.2 показаны характер деформаций стального листа при нагревании и охлаждении в процессе сварки и возникающие при этом продольные напряжения параллельно оси шва. При небольшой толщине стали 3-5 мм это сопровождается короблением листа а при большей толщине коробление из плоскости постепенно уменьшается, но продольная усадка( )(укорочение) шва и прилегающего металла. Наряду с продольными деформациями и напряжения, ми возникают поперечные, вызывающие поперечное укорочение деталей и угловую деформацию.

Рис.2. Характер деформации стального листа при сварке стыкового шва:

а - удлинение l, вызванное нагревом при сварке; б - укорочение l после остывания; в - эпюры напряжений при сварке и после охлаждения;
l - первоначальный размер листа; l - размер листа после нагрева

Возникновению остаточных напряжений и деформаций способствует термическая усадка - уменьшение объема металла шва при его остывании и затвердевании. Усадка измеряется в процентах первоначального объема или линейных размеров: для низкоуглеродистой стали она составляет 2%; для алюминия 1,8%.

Значительную роль в образовании напряжений в металле играют структурные превращения, происходящие при нагреве и затем при остывании металла шва и околошовной зоны. Эти превращения у низкоуглеродистой стали происходят при температуре выше 600 °С, т.е. выше температуры предела упругости. Вследствие этого они не сопровождаются образованием напряжений, так как металл находится в пластическом состоянии и при изменении объема пластически деформируется. Возникновение напряжений при охлаждении наблюдается у легированных закаливающихся сталей, ввиду того, что распад аустенита с образованием закалочных структур (мартенсита) у них происходит при более низких температурах (200-350 °С), когда металл находится в упругом состоянии. Превращение в мартенсит сопровождается увеличением объема; прилегающий к нему металл будет испытывать растягивающие напряжения, а участки со структурой мартенсита - сжимающие. Если сталь недостаточно пластична, в приграничных между этими участками районах могут образовываться трещины, и для предупреждения их появления потребуются дополнительные технологические меры.

Напряжения и деформации, возникающие от нагрева и остывания стального листа, наглядно можно показать при наплавке с большой скоростью валика на кромку полосы (рис.3). На рис.3, б видно, как деформировалась полоса непосредственно после наплавки валика еще до его остывания. Под влиянием тепла дуги и наплавки валика кромка удлинилась вместе с прилегающим металлом и заставила удлиниться и изогнуться остальную часть полосы 2, что вызвало в ней напряжения растяжения, а в полосе 1 напряжения сжатия. Эти напряжения вызовут в полосе 1 пластические деформации - после остывания она станет толще и короче первоначальных размеров. Пластические деформации в полосе 1 неизбежны, так как температура ее нагрева более 600 °С, следовательно, выше предела текучести. По мере охлаждения полосы 1 и валика полоса будет сокращаться, и ей в этом будет препятствовать полоса 2. В результате в полосе 2 возникнут напряжения сжатия, а в полосе 1 напряжения растяжения. На эпюре напряжений они заштрихованы. Незаштрихованная часть эпюры характеризует деформацию полосы 1 в пластическом состоянии. Общий вид полосы с наплавленным валиком на кромке показывает остаточные напряжения и деформации, вызванные сваркой. Напряжения в ней уравновешены, сумма напряжений растяжений (-) и сжатий (+) равна нулю.

Рис.3. Напряжения и деформации при наплавке валика на кромку полосы:

а - полоса; б - полоса поели наплавки валика до остывания; в - полоса после остывания с эпюрой напряжений;
1 - часть полосы, нагретая до температуры более 600 °С; 2 - остальная часть полосы; 3 - характер остаточных пластических деформаций

Приведенный пример образования деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку полосы характерен и для других конструкций. Если соединить две полосы стыковым швом (рис.4, а), то в каждой полосе характер напряжений от сварки будет с некоторым допущением такой же, как при наплавке на ее кромку валика (рис.3, в). Общая эпюра напряжений, приведенная на рис.4, а, показывает, что в шве и прилегающем металле будут напряжения растяжения, равные пределу текучести, и пластические деформации растяжений, а в основном металле полос, не подвергавшемся нагреву выше 600( )°С (температуры предела текучести) - только напряжения сжатия. Распределение напряжений зависит от ширины полос.

Деформации и напряжения при сварке тавра (рис.4, б) по своему характеру похожи на деформации и напряжения при наплавке валика на кромку полосы.

Рис.4. Остаточные продольные напряжения при сварке двух полос (а), при сварке тавра (б)

Однако, так же, как у стыковых соединений, они зависят от толщины и размеров соединяемых элементов, от последовательности и режимов сварки, качества металла и других причин. На эпюре показаны продольные напряжения в тавровом соединении, вызвавшие его изгиб. Неправильная последовательность сварки также может вызвать непоправимые деформации (рис.5). В результате сварки на проход свариваемые кромки сомкнулись и даже перекрыли одна другую.

Рис.5. Деформация стыка из-за неправильной сварки на проход

Большие угловые деформации могут быть вызваны поперечной усадкой стыкового или углового шва (рис.6, а). Жесткое закрепление свариваемых деталей и образование замкнутого контура является причиной трещин в шве и зоне термического влияния (рис.6, б). При сварке листовых конструкций, например резервуаров с плоскими днищами, большим дефектом являются "хлопуны" - местные вогнутости или выпуклости, достигающие иногда значительных размеров. Они появляются вследствие неправильной последовательности сварки швов, слишком большого тепловложения (чрезмерной погонной энергии) и могут быть причиной разрушения конструкции.