Главная → Статьи

Сварочные напряжения и деформации

В процессе сварки конструкции в ней возникают напряжения в результате неравномерных объемных изменений, вызванных неодинаковым нагревом основного и наплавленного металлов, усадкой расплавленного металла после сварки, структурными изменениями металла из-за быстрого охлаждения, жестким закреплением деталей или изделия в ходе их изготовления. Появление указанных напряжений в сварном соединении может обусловливаться также и изменением растворимости газов, окружающих сварной шов при охлаждении. Эти напряжения в отличие от напряжений, действующих на конструкцию во время ее эксплуатации и вызываемых внешними силами, называют внутренними или остаточными сварочными напряжениями. Внутренние напряжения могут вызвать не только деформацию сварного изделия, но и его разрушение. Величина остаточных сварочных напряжений может достигать предела текучести и даже превосходить его.

Остаточные сварочные напряжения оказывают различное влияние на прочность сварных конструкций в зависимости от вида действующей на них нагрузки, а также от величины и характера распределения этих напряжений. При статической нагрузке остаточные напряжения не оказывают влияния на прочность конструкций только в тех случаях, когда металл сохраняет способность пластически деформироваться. Особенно сильно проявляется действие остаточных напряжений в условиях, способствующих возникновению хрупкого разрушения сварного соединения. Хрупкое разрушение происходит в результате неблагоприятного сочетания трех факторов: концентрации напряжений, остаточных напряжений и температуры.

Чтобы избежать хрупкого разрушения сварного соединения, необходимо воздействовать хотя бы на один из этих факторов. Концентрация напряжений и температура в меньшей степени поддаются изменению по сравнению с остаточными сварочными напряжениями. Поэтому в зависимости от условий работы и назначения сварного соединения проводятся различные мероприятия для перераспределения остаточных напряжений или их полного устранения.

Конструктивные мероприятия. Этой группой мероприятий стараются получить равномерное по сечению Детали распределение напряжений от рабочей нагрузки и остаточных, устранить всевозможные концентраторы напряжений. Для этого сокращают скопление швов в изделии; уменьшают количество наплавленного металла; сводят до минимума число пересекающихся и сближающихся швов, число сварных швов, образующих замкнутый контур; обеспечивают свободные деформации в частях изделия при сварке швов (постановка лишних ребер жесткости, косынок, уменьшающих гибкость изделия, часто приносит вред); ставят симметрично ребра жесткости; применяют по возможности стыковые швы, обеспечивающие наименьшую концентрацию напряжений.

Технологические мероприятия. Наиболее рациональное проведение температурного цикла при сварке, последовательность выполнения сварочных операций, правильное сочетание свойств основного и сварочного материалов, подогрев соединений перед и в процессе сварки, уравновешивание деформаций; использование обратных деформаций, применение специальных приемов сварки существенно влияют на величину образующихся при сварке напряжений.

Для металла, склонного к закалке, следует осуществлять более мощный тепловой режим. При этом увеличивается объем разогреваемого металла, а следовательно, замедляется остывание. Кроме того, при сварке металла больших толщин, а также при низких температурах окружающего воздуха рекомендуется выполнять предварительный и сопутствующий подогрев. Это уменьшит скорость охлаждения и разность температур между холодными и нагретыми частями свариваемого изделия.

Соблюдение правильной последовательности наложения (рис. 56) швов обеспечивает свободную деформацию свариваемых элементов.

Рис. 56. Последовательность правильного наложения швов при сварке листового настила

Рис. 57. Очередность наложения швов при сварке балки двутаврового сечения

При методе уравновешивания деформаций швы накладывают в таком порядке, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные возникшим при наложении предыдущего шва. В качестве примера на рис. 57 показана очередность наложения швов при сварке балки двутаврового сечения. При использовании обратных деформаций в изделии перед сваркой искусственно вызывают деформацию, противоположную той, которую оно должно получить после сварки (рис. 58).

Рис. 58. Использование обратных деформаций при сварке
1, 2—положения свариваемых деталей до и после сварки

Остаточные деформации можно снять и в готовых сварных соединениях, для чего применяют несколько способов. В тех случаях, когда это возможно, к изделию прикладывают внешнюю нагрузку. Тогда создаваемые ею напряжения складываются с остаточными и вызывают местную пластическую деформацию в местах наибольших остаточных напряжений. Пластическая деформация снимает в определенной степени остаточные напряжения или приводит к их более благоприятному перераспределению по поперечному сечению соединения.

Проковка или обкатка сварных соединений создает в шве и околошовной зоне местные пластические деформации, противоположные вызванным сваркой. Это приводит к уменьшению, а иногда полному снятию остаточных сварочных напряжений.

Полностью снимает остаточные напряжения и термообработка готового сварного соединения или всего изделия.

Приложение нагрузок или термообработку иногда трудно или невозможно применить на практике. В таких случаях используют методы, позволяющие перераспределить остаточные напряжения или образовать в наиболее опасных местах напряжения, не уменьшающие, а увеличивающие прочность сварной конструкции. К таким методам относятся поверхностный наклеп и местный нагрев.

Поверхностный паклеп производится с помощью Дробеструйной обработки или чеканкой пневматическими молотками со специальными насадками. С помощью дроби или бойка пневматического молотка на обрабатываемой поверхности на определенную глубину создается пластическая деформация. Вследствие неравномерности деформации по сечению детали и стремления верхнего слоя металла расшириться в нем возникают благоприятные остаточные напряжения сжатия.

Второй метод заключается в том, что в местах, где концентрируются опасные для конструкции остаточные сварочные напряжения, складывающиеся с напряжениями от рабочей нагрузки, выполняют местный сосредоточенный нагрев детали газовой горелкой примерно до 700 °С. В результате нагрева остаточные напряжения перераспределяются в благоприятном для конструкции направлении.

—-

Сварка вызывает в изделиях появление напряжений, существующих без приложения внешних сил. Напряжения возникают по ряду причин, прежде всего из-за неравномерного распределения температуры при сварке, что затрудняет расширение и сжатие металла при его нагреве и остывании, так как нагретый участок со всех сторон окружен холодным металлом, размеры которого не изменяются. Вследствие структурных превращений участков металла околошовной зоны, нагретых в процессе сварки выше критических точек, в свариваемых конструкциях возникают структурные напряжения. В отличие от напряжений, действующих на конструкцию во время ее эксплуатации и вызываемых внешними силами, эти напряжения называют внутренними (собственными) и остаточными сварочными напряжениями. Если значения сварочных напряжений достигнут предела текучести металла^ они вызовут изменение размеров и формы, т. е. деформацию изделия. Деформации могут быть временными и остаточными. Если остаточные деформации достигнут заметной величины, они могут привести к неисправимому браку. Остаточные напряжения могут вызвать не только деформацию сварного изделия, но и его разрушение. Особенно сильно проявляется действие этих напряжений в условиях, способствующих хрупкому разрушению сварного соединения, которое происходит в результате неблагоприятного сочетания концентрации напряжений, температуры и остаточных напряжений. Первые два фактора меньше поддаются изменению, чем остаточные напряжения, поэтому применяют ряд мер по предотвращению и снижению сварочных напряжений и деформаций.

Высокая концентрация теплоты способствует сужению зоны, подвергающейся пластическим деформациям, и уменьшению деформаций конструкций. С этой точки зрения наиболее благоприятной является замена ручной сварки покрытыми электродами автоматической или полуавтоматической сваркой под флюсом или в защитных газах. Для обеспечения минимальной деформации сварной конструкции следует накладывать сварные швы наименьшего сечения и не допускать их увеличения в процессе изготовления конструкции. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных дефор-мадий непосредственно зависит от погонной энергии, определяемой режимом сварки, а также от размера шва или слоя. При прочих равных условиях Х-образная разделка кромок, обеспечивающая симметричное расположение шва, вызывает меньшую деформацию, чем V-об-разная. Эффективной мерой уменьшения деформаций является применение сварочных материалов, обеспечивающих более высокую прочность металла шва и поэтому позволяющих делать швы меньшего сечения. На величину остаточных напряжений и деформаций оказывает влияние порядок наложения шва по его длине и сечению. Наибольшие остаточные деформации возникают при сварке «напроход». При ручной сварке швы следует выполнять от середины к концам двумя сварщиками. Уменьшает напряжения и деформации обратносту-пенчатая сварка, сварка каскадом. Эффективной мерой снижения остаточных деформаций является закрепление свариваемых деталей в специальных кондукторах. Для борьбы с деформациями часто применяют предварительный обратный изгиб свариваемых деталей (рис. 40) или определенный порядок сварки (рис. 41, 42).

При резком охлаждении сварного соединения нагреваемый при сварке участок, в котором возникают пластические деформации, сужается, что приводит к уменьшению остаточных деформаций и напряжений. Предварительный или сопутствующий подогрев уменьшает перепад температур между участками сварного соединения, в результате чего снижаются напряжения.

Существуют также конструктивные меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями. С помощью этих мер стараются получить равномерное по сечению изделия распределение напряжений от рабочей нагрузки и остаточных, а также устранить всевозможные концентраторы напряжений. Для этого сводят до минимума число пересекающихся и сближающихся швов; число швов, образующих замкнутый контур; сокращают скопление швов в изделии; обеспечивают свободные деформации в частях изделия при сварке швов (постановка лишних ребер жесткости или косынок, уменьшающих гибкость изделия, часто приносит вред); применяют по возможности стыковые швы, которые обеспечивают наименьшую концентрацию напряжений.

Для полного снятия напряжений сварные соединения подвергают термической обработке. Снять напряжения можно термопластическим методом, основанным па создании пластических деформаций в зоне шва путем нагрева смежных со швом участков основного металла. Одной из мер снятия сварочных напряжений является расплавление участка перехода от шва к основному металлу неплавящимся электродом в аргоне. При этом нарушается равновесие внутренних сил напряженного поля вследствие перехода части металла в жидкое и пластическое состояния. Сварочные напряжения могут быть сняты почти полностью, если в околошовной зоне создать дополнительные пластические деформации путем проковки шва. Эффективной мерой снятия сварочных напряжений в конструкциях из незакаливающихся сталей является воздействие на сварную конструкцию внешних сил, от которых в ней возникают напряжения, равные пределу текучести металла. Устранить деформации можно с помощью термической правки, когда нагрев производят газокислородным пламенем или электрической дугой неплавящимся электродом, или путем механической правки на прессах или вручную.

Рис. 40. Схема использования при сварке обратных деформаций
а, б —положения свариваемых деталей до и после сварки

Рис. 41. Последовательность (1—19) правильного наложения швов при сварке листового настила

Рис. 42. Очередность (1 — 14) наложения швов при сварке балки двутаврового сечения

Ваш отзыв