Глава 15. Напряжения и деформации при сварке. Термическая обработка сварных конструкций

Напряжения и деформации при сварке

Нагрев и плавление металла при сварке создают внутренние напряжения в металле и его деформацию, вызываемые следующими причинами:

неравномерным нагревом и распределением температур по сечению и длине сварного соединения;
литейной усадкой наплавленного металла;
структурными изменениями металла при охлаждении.

Эти сварочные напряжения и деформации являются собственными или остаточными напряжениями и деформациями металла, так как не зависят от приложения к нему внешних сил, а появляются в результате внутренних сил, возникших от сварки.

Изменение механических свойств низкоуглеродистой стали в зависимости от нагрева и диаграмма ее зависимости от напряжений показаны на рис. 15.1. Как видно из рис. 15.1, а, Q_в сперва растет от нагрева, а с увеличением температуры резко падает, падает также Q_т и модуль упругости Е, растет относительное удлинение σ. На рис. 15.1,б видно, что с увеличением напряжения сталь деформируется незначительно (удлиняется до 0,2 %) до предела упругости Q_у.

Рис. 16.1. Изменение механических свойств стали
от температуры (a), oт нагрузки (б)

При нагрузке до предела упругости сталь деформируется упруго и со снятием нагрузки восстанавливает прежние размеры и форму. Если же нагрузка будет незначительно увеличена за предел текучести Q_т, сталь будет удлиняться даже без увеличения нагрузки до 2 %, и эта деформация от 0,2 до 2 % будет уже не упругой, а пластической и останется при снятии нагрузки При дальнейшем увеличении нагрузки пластическая деформация стали будет возрастать вплоть до временного сопротивления ств, после чего сталь разрушится. Деформацию стали от 0,2 до 2,0 % называют площадкой текучести.

Рис. 15 2. Характер деформации стального листа при сварке стыкового шва
а — удлинение l₁, вызванное нагревом при сварке; С — укорочение 1% после остывания; в — эпюры напряжений npи сварке и после охлаждения; l_о первоначальный размер листа; l₃ — размер после нагрева

Из приведенных графиков видно, какое большое значение для работы сварного соединения имеют неравномерная температура нагрева при сварке и возникающие при этом нагрузки. Нагрев стали при сварке резко снижает предел текучести, увеличивает удлинение, что вызывает необратимые пластические деформации и, как следствие, растягивающие и сжимающие напряжения в сварном соединении. Процесс этот йдет непрерывно до окончания сварки соединения. На рис. 15 2 показаны характер деформаций стального листа при нагревании и охлаждении в процессе сварки и возникающие при этом продольные напряжения параллельно оси шва. При небольшой толщине стали 3—5 мм, это сопровождается короблением листа, а при большей толщине коробление из плоскости постепенно уменьшается, но продольная (укорочение) шва и прилегающего металла остается. Наряду с продольными деформациями и напряжениями возникают поперечные, вызывающие поперечное укорочение деталей и угловую деформацию.

Возникновению остаточных напряжений и деформаций способствует термическая усадка — уменьшение объема металла шва при его остывании и затвердевании. Усадка измеряется в процентах первоначального объема или линейных размеров: для низкоуглеродистой стали она составляет 2%; для алюминия 1,8%.

Значительную роль в образовании напряжений в металле играют структурные превращения, происходящие при нагреве и затем при остывании металла шва и околошовной зоны. Эти превращения у низкоуглеродистой стали происходят при температуре выше 600 °С, т. е. выше температуры предела упругости. Вследствие этого они не сопровождаются образованием напряжений, так как металл находится в пластическом состоянии и при изменении объема пластически деформируется. Возникновение напряжений при охлаждении наблюдается у легированных закаливающихся сталей, ввиду того что распад аустенита с образованием закалочных структур (мартенсита) у них происходит при более низких температурах (200— 350 °С), когда металл находится в упругом состоянии. Превращение в мартенсит сопровождается увеличением объема; прилегающий к нему металл будет испытывать растягивающие напряжения, а участки со структурой мартенсита — сжимающие. Если сталь недостаточно пластична, в приграничных между этими участками районах могут образовываться трещины, к для предупреждения их появления потребуются дополнительные технологические меры.

Напряжения и деформации, возникающие от нагрева и остывания стального листа, наглядно можно показать при наплавке с большой скоростью валика на кромку полосы (рис. 15.3). На рис. 15.3, б видно, как деформировалась полоса непосредственно после наплавки валика еще до его остывания. Под влиянием тепла дуги и наплавки валика кромка удлинилась вместе с прилегающим металлом и заставила удлиниться и изогнуться остальную часть полосы 2, что вызвало в ней напряжения растяжения, а в полосе 1 напряжения сжатия. Эти напряжения вызовут в полосе 1 пластические деформации — после остывания она станет толше и короче первоначальных размеров.

Рис., 15.3. Напряжения я деформации при наплавке валика иа кромку полосы
а — полоса, б - полоса после наплавки валика до остывания в - полоса после остывания с эпюрой напряжений, 1 — часть полосы нагретая до температуры более 600 С, 2 — остальная часть полосы, 5 —характер остаточных пластических деформаций

Пластические деформации в полосе 1 неизбежны, так как температура ее нагрева более 600°С, следовательно выше предела текучести. По мере охлаждения полосы 1 и валика полоса будет сокращаться, и ей в этом будет препятствовать полоса 2. В результате в поносе 2 возникнут напряжения сжатия, а в полосе 1 напряжения растяжения. На эпюре напряжений они заштрихованы. Незаштрихованнэя часть эпюры характеризует деформацию полосы / в пластическом состоянии. Общий вид полосы с наплавленным валиком на кромке показывает остаточные напряжения и деформации, вызванные сваркой. Напряжения в ней уравновешены, сумма напряжений растяжений (—) и сжатий (+) равна нулю.

Приведенный пример образования деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку полосы характерен и для других конструкций. Если соединить две полосы стыковым швом (рис. 15.4, а), то в каждой полосе характер напряжений от сварки будет с некоторым допущением такой же, как при наплавке на ее кромку валика (рис. 15.3, в). Общая эпюра напряжений, приведенная на рис. 15.4, а, показывает, что в шве и прилегающем металле будут напряжения растяжения, равные пределу текучести, и пластические деформации растяжений, а в основном металле полос, не подвергавшемся нагреву выше 600 °С (температуры предела текучести) — только напряжения сжатия. Распределение напряжений зависит от ширины полос.

Рис. 15.4. Остаточные продольные напряжения
при сварке двух полос (а), при сварке тавра (б)

Деформации и напряжения при сварке тавра (рис. 15.4,б) по своему характеру похожи на деформации и напряжения при наплавке валика на кромку полосы. Однако, так же, как у стыковых соединений, они зависят от толщины и размеров соединяемых элементов, от последовательности и режимов сварки, качества металла и других причин. На эпюре показаны продольные напряжения в тавровом соединении, вызвавшие его изгиб. Неправильная последовательность сварки также может вызвать непоправимые деформации (рис. 15.5). В результате сварки на проход свариваемые кромки сомкнулись и даже перекрыли одна другую.

Рис. 15.5. Деформация стыка из-за неправильной сварки на проход

Большие угловые деформации могут быть вызваны поперечной усадкой стыкового или углового шва (рис. 15.6, а). Жесткое закрепление свариваемых деталей и образование замкнутого контура является причиной трещин в шве и зоне термического влияния (рис. 15.6, 6). При сварке листовых конструкций, например резервуаров с плоскими днищами, большим дефектом являются «хлопуны» — местные вогнутое iи или выпуклости, достигающие иногда значительных размеров.

Рис. 15.6. Деформации и напряжения, вызванные неправильной сваркой
а — угловые деформации; б —трещина в замкнутом контуре сварки

Они появлякнея вследствие неправильной последовательности сварки швов, слишком большого тепловложения (чрезмерной погонной энергии) и могут быть причиной разрушения конструкции.