Деформации и напряжения при сварке

Сварочные деформации и напряжения являются следствием мно­гих причин. Они значительно снижают механическую прочность свар­ных конструкций. Для получения сварных конструкций высокой проч­ности необходимо прежде всего выбрать наиболее рациональное раз­мещение сварных швов, сочетая ее с оптимальной технологией их вы­полнения. Количество сварных швов, их протяженность и сечение должны быть минимальными в соответствии с прочностным расчетом конструкции. Не рекомендуются перекрещивающиеся швы. Симмет­ричное расположение швов значительно снижает деформацию конст­рукции. Стыковые швы более желательны, чем угловые. Швы должны быть удобно выполнимые.

Основными причинами возникновения сва­рочных деформаций и напряжений являются неравномерное нагревание и охлаждение изделия, литейная усадка наплавленного металла и струк­турные превращения в металле шва.

Неравномерное нагревание и охлаждение вызывают, так называе­мые, тепловые напряжения и деформации. При сварке происходит ме­стный нагрев небольшого объема металла, который при расширении воздействует на близлежащие менее нагретые слои металла. Напряже­ния, возникающие при этом, зависят главным образом от температуры нагрева, коэффициента линейного расширения и теплопроводности сва­риваемого металла. Чем выше температура нагрева, а также чем больше коэффициент линейного расширения и ниже теплопроводность металла, тем больше тепловые напряжения и деформации, развиваемые в свари­ваемом шве.

Литейная усадка вызывает напряжения в сварном шве в связи с тем, что при охлаждении объем наплавленного металла уменьшается. Вследствие этого в близлежащих слоях металла возникают растяги­вающие усилия, являющиеся причиной образования напряжений и де­формаций в металле. При этом, чем меньше количество расплавленного металла, тем меньше значения возникающих напряжений и деформа­ций.

Структурные превращения вызывают растягивающие и сжимаю­щие напряжения в связи с тем, что они в некоторых случаях сопровож­даются изменениями объема свариваемого металла. Например, у угле­родистых сталей при нагреве происходит образование аустенита из феррита. Этот процесс сопровождается некоторым уменьшением объе­ма. При больших скоростях охлаждения металла шва у высокоуглеро­дистых сталей аустенит образует мартенситную структуру, менее плот­ную, чем аустенит. Это сопровождается увеличением объема наплав­ленного металла. При сварке низкоуглеродистой стали напряжения, возникающие от структурных превращений, небольшие и практическо­го значения не имеют. Стали, содержащие более 0,35% углерода, и большинство склонных к закалке легированных сталей дают значитель­ные объемные изменения от структурных превращений. Вследствие этого развиваемые напряжения оказываются достаточными для возник­новения трещин в шве.

Внутренние напряжения, возникающие от указанных выше при­чин, уменьшают прочность сварной конструкции. Кроме того, если сварной шов нагружен внешними усилиями, то внутренние напряжения, накладываясь на напряжения от внешних усилий, снижают запас проч­ности конструкции, а в некоторых случаях могут вызвать ее разруше­ние.

Для уменьшения внутренних напряжений и деформаций, возни­кающих при сварке, рекомендуется ряд технологических мер и приемов наложения сварных швов. Важное значение имеют правильный выбор конструкции изделия, расположение сварных швов, последовательность их выполнения и режимы сварки.

Уменьшения внутренних напряжений достигают следующими ме­рами. Длинные швы выполняют обратноступенчатым способом на про­ход (рис.10, а). Многослойная сварка выполняется каскадным спосо­бом или горкой. При этом хорошие результаты дает послойная проковка шва (кроме первого и последнего слоя). Швы накладывают с таким рас­четом, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные воз­никшим от предыдущего шва (рис. 10, б, в). Последовательность вы­полнения швов должна допускать свободную деформацию элементов конструкций. Например, при сварке настила из нескольких листов сле­дует в первую очередь выполнить швы, соединяющие листы полос, и лишь затем швы, соединяющие эти полосы между собой.

Рисунок 10. Способы снижения внутренних напряжений

Для вязких металлов могут быть рекомендованы способы сварки, значительно снижающие остаточные деформации. Например, закрепле­ние элементов свариваемой конструкции в сборочно-сварочных при­способлениях (сборка, сварка и остывание изделия). Широко применя­ется на практике способ, заключающийся в интенсивном отводе тепло­ты. Например, частичным погружением изделия в воду, охлаждением струей воды, применением различных отводящих теплоту медных под­кладок.

У сталей, склонных к образованию закалочных структур, резкое охлаждение сваренного шва и околошовной зоны вызывает значитель­ные внутренние напряжения и даже появление трещин в наплавленном металле. Для уменьшения разности температур в изделии и обеспечения медленного охлаждения применяют предварительный подогрев изде­лия. При сварке в условиях низких температур такой подогрев обязате­лен даже для низкоуглеродистых сталей.

Для снятия внутренних напряжений иногда применяют термиче­скую обработку сварных изделий, главным образом отжиг или нормали­зацию. Отжиг применяют полный или низкотемпературный. Полный отжиг заключается в нагреве изделия из стали до температуры 800...950°С, выдержке при этой температуре и последующем медлен­ном охлаждении вместе с печью. В результате такой обработки пла­стичность и вязкость наплавленного металла и металла зоны термиче­ского влияния возрастают, а твердость металла снижается. При этом в сварном изделии полностью снимаются внутренние напряжения. Низ­котемпературный отжиг (или высокий отпуск) заключается в нагреве сварного изделия до температуры 600...650°С, выдержке при этой тем­пературе и последующем охлаждении вместе с печью. Так как темпера­тура нагрева ниже критической, то структурные изменения в металле не происходят. При меньших температурах нагрева сварочные напряжения снимаются частично.

Нормализация производится нагревом изделия до температуры на 30...40°С выше критической, выдержкой при этой температуре и охла­ждением на воздухе (т. е. с несколько большей скоростью, чем при от­жиге). Такая обработка является наилучшей для сварных изделий, так как не только снимает внутренние напряжения, но позволяет получить мелкозернистую структуру металла. Особенно следует рекомендовать нормализацию для сварных изделий из низкоуглеродистых сталей, со­держащих углерода менее 0,25%. Для термообработки крупногабарит­ных сварных изделий применяются специальные мощные термопечи.

Литература: 1осн.[249-258], 1-2 доп.

Контрольные вопросы

1. Какие электроды применяются для глубокого проплавления сварного шва?

2. Какие схемы используются при сварке трехфазной дугой?

3. В чем заключается сущность сварки ванным способом?

4. Какие причины лежат в основе сварочных деформаций?

5. Какими мерами можно уменьшить внутренних напряжений?

6. Какие виды отжига вам известны?

7. Каким образом производится нормализация сварного шва?

Дата добавления: 2015-08-20