Основы сварочного дела

Деформации и напряжения при сварке

Сварочные деформации и напряже­ния являются следствием многих при­чин. Они значительно снижают меха­ническую прочность сварной конст­рукции. 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 тепловые напря­жения и деформации. При сварке происходит местный нагрев неболь­шого объема металла, который, рас­ширяясь, 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 большие тепловые напряжения и деформации развиваются в сваривае­мое 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
А) I слой

I 2 3 k 5 6 7 3

Hw-l-e-l-e—l-e—l-e—l*—I-»—И—I

I, j, j---- j-- j-- j-- ]-- 1

Ш слой

Виды десрорпаций: Непрерывный шов

Обратно - ступенчатый шов

Рис. 53

Силы. Чем меньше количество рас­плавленного металла, тем меньшие возникают напряжения и деформации.

Структурные превращения вызы­вают растягивающие и сжимающие напряжения в связи с тем, что они в некоторых случаях сопровождаются изменением объема свариваемого ме­талла. Например, у углеродистых сталей при нагреве происходит об­разование аустенита из феррита — этот процесс сопровождается умень­шением объема. При больших скорос­тях охлаждения высокоуглеродистых сталей аустенит образует мартенсит- ную структуру, менее плотную, чем аустенит; этот процесс сопровождает­ся увеличением объема. 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 разви­вающиеся напряжения оказываются достаточными для возникновения тре­щин в шве.

Внутренние напряжения умень­шают прочность сварной конструк­ции. Кроме того, если сварной шов нагружен внешними силами, то внут­ренние напряжения, накладываясь на напряжения от внешних сил, снижают запас прочности конструкции, а в не­которых случаях могут вызвать ее разрушение. Для уменьшения внут­ренних напряжений и деформаций применяют 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 об - ратноступенчатым способом на проход (рис. 53, а). Многослойную сварку выполняют 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. 53, - б, в). Последовательность выполнения швов должна допускать свободную дефор­мацию элементов конструкций. Напри­мер, при сварке настила из несколь­ких листов следует в первую очередь выполнять швы, соединяющие листы полос, и лишь затем швы, соединяю­щие эти полосы между собой (рис. 54).

Для вязких металлов могут быть рекомендованы способы сварки, зна­чительно снижающие остаточные де­формации. Первый способ: элементы свариваемой конструкции закрепляют в сборочно-сварочном приспособле­нии, в котором изделие собирают, сваривают и оставляют до полного остывания. Второй способ, широко применяемый на практике, заключа­ется в интенсивном отводе теплоты, например, частичным погружением из­делия в воду, охлаждением струей
воды, применением различных мед­ных подкладок.

У сталей, склонных к образованию закалочных структур, резкое охлаж­дение сварного 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 до 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 600 ... 650°С, выдержке при этой температуре и последующем охлаж­дении вместе с печью. Так как температура нагрева ниже критичес­кой, структурные изменения в металле не происходят. При меньших темпе­ратурах нагрева сварочные напряже­ния снимаются частично.

Нормализация заключается в наг­реве изделия до температуры на 30... 40° С выше критической, вы­держке при этой температуре и охлаждении 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 применяют мощные термо­печи.