СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Возникновение напряжений и деформаций при сварке

Любой металл при нагревании расширяется, а при охлаждении — сжимается. При изменении температуры меняется структура металла, про­исходит перегруппировка атомов из одного ти­па кристаллической решетки в другой, увеличи­вается шш уменьшается объект. Например, оло­во способно переходить из одного типа кристал­лической решетки в другой с изменением объема до 26%. Эти явления вызывают возникновение значительных внутренних напряжений, которые нередко приводят к образованию трещин. На­пример, если олово длительное время находит­ся при температуре около —20°С', то оно начи­нает разрушаться от самопроизвольного рас­трескивания.

Изменение температуры тела приводит к перемещению частиц металла. При наличии сопротивляемости смещению в частице возни­кает напряженное состояние (напряжение). Ве­личина внутренних напряжений частицы 1 (рис. 26) в процессе нагрева возрастает с увели­чением сопротивления соседних холодных час­тиц. С изменением температуры величина сме­щения частиц меняется. Если все частицы в оди­наковой мере претерпевают смещения, вызван­ные изменениями температуры, то внутренние напряжения в теле не возникают. Если смещения неравномерны, в теле возникают внутренние напряжения. Неравномерные смещения частиц происходят под действием неравномерного на­грева или охлаждения тела. Внутренние напря­жения в теле непрерывно меняются. Эти дина­мические процессы затухают лишь при полном охлаждении до температуры окружающего воз­духа, вызывая деформации, а также трещины.

Представление о причинах возникновения тепловых деформаций и напряжений может дать ознакомление с элементарным процессом равномерного охлаждения свободного стерж-

Рис. 27. Равномерное нагревание и охлаждение сво­бодного стержня:

а — цо нггрева, 6 — при нагреве, в — после охлаж­дения

ня. Длина стержня (рис. 27) при изменении тем­пературы определяется по формуле

Z/t“^(1 4- Gt7),

где LT —длина стержня, нагретого до темпе­ратуры Т; L — длина стержня до нагрева; а — коэффициент термического линейного рас­ширения.

Все частицы стержня, условно показанные на рис. 27 кружками, при нагреве свободно, без сопротивления со стороны соседних частиц, смещаются на одинаковую величину, поэтому при равномерном нагреве внутренние напряже­ния не возникают.

С охлаждением стержня его длина уменьша­ется. После охлаждения до исходной темпера­туры стержень приобретает первоначальные размеры. Внутренние напряжения в стержне при охлаждении не возникают ввиду отсутствия сопротивления свободному укорочению. Таким образом, равномерный нагрев и охлаждение свободного стержня вызывают изменения раз­меров без появления остаточных внутренних напряжений и остаточных деформаций.

Случай равномерного нагревания и охлаж­дения свободного стержня имеет большое зна­чение в сварочной практике. Чем равномернее охлаждается по всей длине выполненный шов, тем меньше будут остаточные напряжения и деформации Поэтому часто по всей длине сва­риваемого шва ставят нескольких сварщиков, чтобы соблюдать условия равномерного нагре­ва всех швов в изделии..

Для этого же применяется и предваритель­ный (перед сваркой) или сопутствующий (в про­цессе сварки) подогрев металла изделия, лав - ным образом при сварке хрупких металлов — чугуна и высокопрочных сталей.

Равномерный нагрев и охлаждение стержня, зажатого между двумя неподвижными венка­ми, не позволяющими ему удлиняться при на­греве и допускающими укорочение при охлаж­дении, показан на рис. 28.

В начале нагрева в стержне возникнут на­пряжения (линия ОВ, рис. 28, б), которые могли бы вызвать упругие деформации. Но так как стенки не позволяю! стержню удлиниться, то в нем будут оставаться напряжения сжатия.

С повышением температуры они возраста­ют и досгигают предела текучести (точка В), вызывая в процессе повышения температуры уже пластическую деформацию сжатия (осажи­вание, обжатие) стержня (линия BD). При уко­рочении стержня его диаметр (сечение) увели­чивается, а длина не изменяется.

При охлажделии стержня происходит раз­грузка от напряжений (линия DE) и величина их становится равной нулю (точка Е). С этого момента (линия ЕО) при дальнейшем охлаж­дении стержень потеряет контакт с опорными стенками и будет свободно укорачиваться без поя: леним новых вну-леннил напряжений.. К концу полного охлаждения стержень получит остаточную деформацию Д L, которая опреде­ляется по формуле AL =aLT, т. е..остаточное укорочение пропорционально термическому ли­нейному коэффициенту а, длине стеижня L и температуре нагрева Т.

Остаточных напряжений в стержне нет, так как он после равномерного нагрева (со стес-

Ряс. 29. Нагрея и охлаждение защемленного стержня:

а — схема защемления, 6 ні — зависимость напря­жений от температуры нагрева

ненным расширением) равномерно охлаждался.

Пример с нагревом и охлаждением стержня со стесненным расширением объясняет появле­ние деформаці й, направленных поперек шва, при сварке незакрепленных деталей.

«ілйяяк. «яажш, 'ко­лодные частицы металла, граничащие со швом. Свариваемые детали изгибаются в сторону ши­рокой части шва.

Нагрев и охлаждение стержня с защемлен­ными концами показан на рис. 29. При нагреве стержня процесс возникновения и нарастания в нем термических напряжений и деформаций происходит так же, как и в предыдущем случае. Однако свободному укорочению препятствует защемление стержня. Возникают ри' тягиваю - щие напряжения (линия ЕЕ, рис. 29, б), они могут быть меньше или равны пределу текуче­сти, что зависит от температуры нагрева.

При достижении растягивающими напря­жениями предела текучести (точка N, рис. 29, в) происходит вытяжка металла по длине стержня. К моменту полного охлаждения стержень бу­дет иметь первоначальные геометрические раз­меры, а металл стержня будегг испытывать оста­точные напряжения, равные пределу текуче­сти (<То). Если освободить стержень от защем­ления после полного охлаждения, то он укоро­тится на величину -^-^0,2% (для сталей),

т. е. на величину деформаці и в пределах упру­гих напряжений.

Процессами, происходящими при нагреве и охлаждении защемленного стержня, объясня­ются напряжения и деформации, действующие параллельно сварному шву.

Если длина сварного соединения в несколь­ко раз превосходит ширину, то сопротивляе­мость холодного металла удлинению при на­греве гі укорочению при охлаждении очень ве­лика причем более значительна в продольном направпении сварного соединения, чем в попе­речном - Вследствие этого в сварных соедине[ ниях к*18 правило, остаточные продольные на­пряжен1151 растяженйя равны пределу текучести ( га ст. алей), а остаточное продольное укороче­ние меньше чем поперечное.

ГакРИ образом, при сварке в нагреваемом металл6 возникают пластические продольные и попеРечные деформации.

Пр] сварке металлов, обладающих относи­тельно низкой пластичностью в исходном со­стояний эти напряжения и деформации могут приводить к появлению трещин в сварных со - е iheffl1® в любом направлении.

Предупредить разрушение сварных изделий при сваРке и их эксплуатации могут только спе - циальнР предусмотренные мероприятия.

Распределение остаточных продольных на­пряжений в стыковом соединении дано на рис. 30- "Ьидно, что в районе шва продольные напряжения имеют знак + (растяжения), а по бокам соединения действуют напряжения со знаков — (сжимающие).

дЛ5* сталей величина растягивающих напря­жений обычно равна пределу текучести.

Haiti нженчя от структурных превращешш в мета^ле* При сварке закаливающихся сталей образуй™ структурные напряжения. Образо­вание мартенсита сопровождается увеличением объема» так как плотность мартенсита ниже плотно0™ феррита или перлита. Поэтому при обра"оРании в сварном соединении участка с ма генситно® структурой этот участок можно рассма'*Ривать как нагреваемый стальной стер­жень с препятствием к расширению.

За счет нагрева металла до температуры мар - тенситного превращения с высокой скоростью возникают большие напряжения Мартенсит - ное превращение в различных сталях может происходить при температурах от 120 до 700°С. В случае мартенситного превращения при высо­кой температуре напряжения сжатия приводят к значительной пластической деформации. Об­разование мартенсита при низкои температуре вызывает деформации малой величины. При охлаждении в участке мартенсита появляются растягивающие напряжения, которые быстро достигают разрушающей величины и образуют трещины. Меньше и реже появляются трещины мартенситного происхождения при сварке ста­лей с низкой температурой мартенситного пре­вращения.

Растягивающие напряжения в мартенсит - ном участке достигают разрушающей величи­ны в любом направлении сварного соединения.

Виды деформаций при сварке. Деформации могут быть временные и остаточные, местные и общие, в плоскости и вне плоскости сварного соединения.

Временными называют деформации, кото­рые образуются в определенный момент вре­мени при нагреве или охлаждении в процессе сварки и после сварки исчезают.

Деформапии. возникающие в изделии к мо­менту полного охлаждения металла до окру­жающей температуры, называются остаточны­ми (конечными).

Местные деформации относятся к отдель­ным элементам изделия и выражаются в виде выпучины, хлопуна, волнистости или других искажений в плоскости изделия, Деформации, при которых изменяются размеры всего изде­лия, искривляются геометрические оси, называ­ются общими деформациями.

Деформации возможны в плоскости сварно­го соединения, например в виде продольных и попере шьс деформаций (рис. 31), и деформа-

ции вне плоскости, например в виде серповид - ности, грибовидности и угловой деформации (рис. 32).