Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Деформации и напряжения при проведении сварки

Сварные 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 конструкции. Перекрещивающиеся швы не рекомендуются. 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;

- 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 швев свя­зи с тем, что при охлаждении объем наплавленного металла уменьшается, вследствие чего 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, деформаций.

Структурные превращения вызывают растягивающие и сжимающие напряжения, так как 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 шва металла у высокоуглеродистых сталей аустенит образу­ет структуру менее плотную, чем металл. Эго 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 склонньіх к закалке легированных сталей дают значительные объемные изменения от структурных превращений. Вследствие этого развиваемые напряжения оказываются достаточными для возникновения трещин. Для уменьшения внутренйих 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;

- 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 слоев);

- швы накладывают с таким расчетом, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратное 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 деформа*

ции — 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 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 производится путем нагрева изделия до темпера­туры 800-950°С, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. 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) произво­дится нагревом сварного изделия до температуры 600-650°С, вы­держкой при этой температуре и последующим охлаждением. Так как температура нагрева ниже критической, 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). Подобная 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%.