СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В ПРОЦЕССЕ СВАРКИ

Термические воздействия, которым подвергаются сва­риваемые соединения, приводят к образованию напря­жений в узлах кристаллической решетки и даже к опреде­ленным деформациям. Напряжения и деформации могут быть как собственными, существующими в кристалли­ческой решетке без приложения внешних сил, так и вне­шними, возникающими под действием приложенных на­грузок.

Собственные напряжения и деформаций могут быть временными, то есть существовать только в процессе терми­ческого воздействия, и остаточными, устойчиво сохраня­ющимися после прекращения сварки. Если деформация после прекращения сварки исчезает, то ее называют упру­гой. Деформация, полностью или частично оставшаяся после прекращения приложения сил, называется плас­тической. Некоторые виды сварочных деформаций при­ведены на рис. 4. Если деформации меняют размеры изделия или искажают его геометрию, то их называют об­щими. Общие деформации обычно проявляются в неболь­ших по размерам деталях, когда термическое воздействие охватывает значительную часть их объема. В крупногаба­ритных деталях, когда термическое влияние сварочного процесса распространяется на относительно небольшие зоны, могут возникать местные деформации, проявляющи­еся в виде выпучин, хлопунов и других местных искаже­ний.

Различают деформации в плоскости, когда размеры детали меняются и вне плоскости и проявляются в виде серповидиости, грибовидности и т. д.

Причинами образования собственных напряжений и деформаций сварных соединений является неравномер­ное распределение температурных воздействий и охлаж­дения. Кроме того, деформации могут вызываться меха­ническим вмешательством в процессе правки сварных узлов, сборки и монтажа конструкций.

Механизм возникновения деформаций в сварочном шве рассмотрим на примере стержня, подвергающегося термическому воздействию (рис. 5). Если такой стержень А жестко закрепить с одной стороны и подвергнуть тер­мическому воздействию, то его линейный размер увели­чится на некоторую длину Д L, величина которой зависит от коэффициента линейного расширения и температуры нагрева. После прекращения термического влияния стер­жень охладится, и его длина вернется к исходному значе­нию, поскольку этому ничто не препятствует. Если же на пути удлинения стержня Б установить жесткую преграду (например, стену), то при нагреве стержень начнет удли­няться и давить с одинаковой силой на преграды, распо­ложенные с его обоих концов. Так как по законам физики всякому действию соответствует равное ему и противо­положно направленное противодействие, то преграды начнут давить на стержень с обоих концов, сжимая его к центру. По мере роста температуры силы, действующие на стержень, возрастают, вызывая напряжения в крис-

таллической решетке металла. При небольшом удлинении М стержня в кристаллической решетке металла возника­ют упругие напряжения, и после прекращения термичес­кого воздействия стержень охладится без остаточных на­пряжений и деформаций.

Если же удлинение стержня превысит критическое значение, при котором силы сжатия вызовут пластичес­кую деформацию в кристаллической решетке металла, то после остывания длина стержня В станет меньше перво­начального значения. Это значит, что в стержне прояви­лась остаточная деформация, вызванная сжатием крис­таллической решетки.

Если же стержень /'жестко закрепить с обоих концов, то при незначительном нагреве (для стали это температу­ра ІОО'С), будет проявляться только упругая деформация, не вызывая остаточных явлений. При высоких температу­рах стержень расширяется настолько, что силы, действу­ющие вдоль оси и направленные к центру, вызовут изме­нение его длины. Но так как препятствия, расположен­ные с обоих концов стержня, не позволяют ему увеличить свою длину, то возникнут изменения в кристаллической решетке. При охлаждении стержня до нормальной темпе-

ратуры происходит обратный процесс. Жесткое закрепле­ние обоих концов будет препятствовать нормализации кристаллической решетки металла и появятся остаточные напряжения (стержень Л).

Этим примером полностью объясняется механизм воз­никновения напряжений и деформаций в сварочном шве, так как его можно представить как нагревающийся стер­жень, закрепленный с обоих концов холодным металлом.

Остаточные сварочные деформации изменяют геомет­рию деталей, что сказывается на их качестве.

Снижение сварочных напряжений и деформаций вы­полняют несколькими методами. Различают термические, механические и термомеханические методы снижения сварочных деформаций;

К термическим методам относят отпуск после сварки и предварительный нагрев во время сварки.

Подогрев металла перед сваркой (или в процессе свар­ки) снижает предел его текучести, тем самым уменьшает величину остаточных напряжений и деформаций. И хотя' этот метод не полностью исключает появление свароч­ных деформаций, при достаточно сильном нагреве (250°С и более) можно добиться положения, когда их величина будет находиться в допустимых пределах.

Отпуск металла после сварки более эффективен и по­зволяет снизить величину остаточных напряжений и де­формаций на 85—90%. Кроме того, отпуск способствует улучшению пластических свойств сварочного шва. Отпуск может быть общим и местным.

При общем отпуске сваренную деталь нагревают до температуры 650°С и медленно охлаждают. При местном отпуске нагреву подлежит только часть конструкции в области сварочного шва.

Под механическими методами понимают обработку (проковку, прокатку, вибрацию, приложение местных нагрузок, ультразвуковое воздействие и т. д.) сваренных деталей, позволяющую снизить остаточные напряжения в кристаллической решетке.

Самым эффективным методом является прокатка ме­талла, но для этого требуется специальное оборудование. Поэтому прокатку выполняют только в условиях крупных производственных подразделений. Наиболее доступным и простым методом является проковка. Для этого горячий

шов подвергают ударной обработке, снимая остаточные напряжения. Под приложением местных нагрузок пони­мают изгиб, кручение и т. д. в направлении, противопо­ложном остаточным деформациям. Вызванные местными нагрузками Деформации сварочного соединения накла­дываются на остаточные деформации, полученные при сварке, снижая их величину.

Термомеханические методы предусматривают одновре­менно термическую и механическую обработку сваривае­мых конструкций и позволяют добиться максимального эффекта.

Этими методами не ограничиваются возможности борьбы с остаточными напряжениями и деформациями. Снизить вероятность появления этих вредных явлений помогают рациональные приемы проведения сварочных работ, суть которых заключается в правильном проекти­ровании и конструировании сварного изделия, уменьше­нии количества наплавленного металла, снижении вно­симого в зону шва тепла за счет уменьшения сварных швов и сечений.

Именно для этого следует избегать скоплений и пере­крещиваний сварочных швов, симметричного их распо­ложения и т. д. Препятствуют деформациям свариваемых деталей ребра жесткости, накладки, косынки и прочие приспособления, о которых мы расскажем в соответству­ющих разделах данной книги.