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 шве в 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. 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;
• 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, 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 – 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 °C, 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 °C, 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 °C 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 %.
