ЭЛЕКТРОГАЗАСВАРЩИК

Деформации и напряжения при сварке

Сварочные деформации и напряжения снижают меха­ническую прочность сварных конструкций. Для получения сварных конструкций высокой прочности необходимо преж­де всего выбрать наиболее рациональное размещение свар­ных швов, сочетая его с оптимальной технологией выполнения. Количество сварных швов, их протяженность и се­чение должны быть минимальными в соответствии с прочностным расчетом конструкций. Не рекомендуются пере-

крещивающиеся швы. Симметричное расположение швов значительно снижает деформацию конструкции. Стыковые швы более желательны, чем угловые.

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 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 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 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.

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. 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. 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.

Для вязких металлов могут быть рекомендованы спо­собы сварки, значительно снижающие остаточные дефор­мации. Например, таким способом является закрепление элементов свариваемой конструкции в сборно-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 отводящих теплоту медных подкладок.

У сталей, склонных к образованию закалочных струк­тур, резкое охлаждение шва и околошовной зоны вызывает значительные внутренние напряжения й 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 обя зателен даже для низкоуглеродистых сталей.

Для снятия внутренних напряжений иногда применяют термическую обработку сварных изделий, главным обра­зом отжиг или нормализацию. Отжиг бывает полный или низкотемпературный. Полный отжиг заключается в нагре­ве изделия до температуры 800—950°С, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. 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. Так как температура нагрева ниже кри­тической, то структурных изменений в металле не проис­ходит. 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 и позволяет полу­чить мелкозернистую структуру металла. Особенно следу­ет рекомендовать нормализацию для сварных изделий из низкоуглеродистых сталей, содержащих углерода менее 0,25%.