35. Напряжения и деформации при сварке

Напряжения и деформации при сварке подробно рассмотрены в специальной литературе (труды Г. А. Николаева, Н. О. Окерблома, В. А. Винокурова и др.). Ниже приведены лишь общие положения и некоторые данные по этим вопросам.

В результате местного (неравномерного) нагрева металла, обусловленного воздействием концентрированного источника теплоты, в сварной конструкции возникают временные и остаточные сварочные напряжения. Временные сварочные напряжения наблюдаются только в определенный момент сварки в процессе изменения температуры. Напряжения, существующие после окончания сварки конструкции и полного ее остывания, называют остаточными сварочными напряжениями или сварочными напряжениями. Они возникают в результате затруднений расширения и сжатия металла при его нагреве и остывании. Затрудненность расширения и сжатия металла обусловлена тем, что нагретый участок со всех сторон окружен холодным металлом, размеры которого не претерпевают никаких изменений. Реактивные остаточные напряжения возникают в связи с дополнительным закреплением свариваемых деталей (в приспособлении, при жестком закреплении и т. п.), также препятствующим нормальному протеканию процессов расширения и сжатия. Реактивные напряжения характеризуются неуравновешенной эпюрой напряжений.

Структурные напряжения возникают в конструкции вследствие структурных превращений участков металла околошовной зоны, нагретых в процессе сварки до температуры выше критических точек. Значительные по величине структурные напряжения возникают при сварке закаливающихся сталей, при охлаждении которых после сварки в околошовной зоне образуются мартенсит-ные, имеющие наибольший удельный объем структуры.

Различают сварочные напряжения трех родов. В сварных конструкциях из низкоуглеродистых и низколегированных сталей в основном развиваются сварочные напряжения первого рода. Они действуют и уравновешиваются в значительных, соизмеримых с размерами конструкции или отдельных ее деталей, объемах. При определенных условиях возможно возникновение сварочных напряжений второго и третьего родов — действующих и уравновешивающихся в пределах отдельных зерен металла.

В зависимости от пространственного расположения и взаимодействия различают сварочные напряжения: линейные или одноосные, действующие только по одной оси в одном направлении (рис. 4-14, а), плоскостные или двухосные, действующие в двух направлениях (рис. 4-14, б), и объемные или трехосные, действующие в трех направлениях (рис. 4-14, в). По направлению действия различают продольные и расположенные поперек оси шва линейные сварочные напряжения (рис. 4-15).

36. При сварке изделий невозможно полностью избежать остаточных деформаций и напряжений. Поэтому борьбу с ними необходимо осуществлять на разных стадиях изготовления сварной конструкции: до сварки (на стадии проектирования конструкции и технологии производства), во время и после сварки. Газовая сварка дает большую зону нагрева по сравнению с другими видами сварки, поэтому она вызывает и большие деформации свариваемых изделий. Для уменьшения деформаций при сварке необходимо стремиться к равномерному распределению объема наплавляемого металла, более равномерному нагреву детали при сварке, а также применять определенный порядок наложения швов.

Важно правильно выбрать режим сварки. При сборке изделий под сварку зазор должен быть равномерным по всей длине шва. Прихватывать детали необходимо в меньшем числе точек.

Для устранения деформаций при сварке встык применяют обратноступенчатый и комбинированный порядок наложения швов. В этом случае весь шов делят на участки длиной 100--250 мм. Сварку ведут отдельными участками в порядке, отмеченном цифрами, и направлении, указанном стрелками. При этих способах листы почти не будут коробиться, так как обеспечивается более равномерное распределение теплоты вдоль шва, чем при непрерывной сварке, а потому величина деформации уменьшается.

Способы уменьшения деформаций: а -- уравновешивание деформаций, б -- обратная деформация; 1--4 -- швы

Для уменьшения деформаций применяют также способ уравновешивания деформаций, при котором имеет значение очередность наложения швов. Очередность наложения выбирают так, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные деформациям, полученным при наложении предыдущего шва. Для уменьшения деформаций применяют и способ обратных деформаций. Сущность этого способа заключается в том, что детали перед сваркой располагают так, чтобы после сварки они приняли требуемое взаимное расположение. В этом случае листы размещают под некоторым углом относительно друг друга. В процессе сварки вследствие усадки металла шва кромки сближаются, в результате чего уменьшается деформация.

Порядок наложения швов: а -- обратноступенчатый, б, в -- комбинированный

При сварке узла из нескольких труб сначала сваривают отдельные элементы, которые затем приваривают общим швом к соединяющей их детали.

Жесткое закрепление свариваемых деталей также применяют для уменьшения деформаций. Этот способ находит широкое применение в условиях массового и серийного производства при сварке деталей сложной формы. Детали закрепляют в специальных приспособлениях (кондукторах), в которых выполняют сварку и вынимают их только после полного охлаждения. Однако при этом способе могут возникнуть внутренние напряжения, для снятия которых сваренный узел подвергают последующей термообработке.

Мероприятия по уменьшению собственных напряжений при сварке можно разделить на конструктивные и технологические. Грамотный подход к конструированию сварных соединений и правильное расположение швов в сварной конструкции ведет не только к облегчению изготовления конструкции, но способствует также снижению собственной напряженности. К конструктивным мероприятиям относятся:

1. Выбор основного металла и электродов для изготовления проектируемой конструкции. Основной металл не должен иметь склонности к образованию закалочных структур при остывании на воздухе. Электроды должны давать наплавленный металл, пластические свойства которого не ниже пластических свойств основного металла. Это в первую очередь относится к связующим швам, сечение которых под действием внешней нагрузки работает совместно с основным металлом.

2. Для уменьшения плоскостных и объемных напряжений не допускать скопления швов и избегать пересечения их, особенно в конструкциях, которые при эксплуатации будут работать на ударную и переменную нагрузку.

3. Избегать применения сварных швов, образующих небольшие замкнутые контуры, например вставка латок, приварка усилений, так как это увеличивает плоскостную напряженность.

4. Избегать применения косынок, накладок и т. п., так как все это ведет к увеличению плоскостных напряжений. Количество швов должно быть возможно меньше, а сечение их не должно превышать заданных проектом размеров.

5. При расстановке ребер жесткости располагать их необходимо так, чтобы при сварке нагреву подвергались одни и те же места основного металла, так как это уменьшает поперечную усадку стенки, а следовательно, и всей конструкции.

6. Применять преимущественно стыковые швы, которые являются менее жесткими и у которых концентрация силовых напряжений значительно меньше, чем в угловых швах.

7. В стыковых соединениях деталей разной толщины в целях более равномерного нагрева и провара стыкуемых кромок, а также в целях равномерного распределения силового потока следует скашивать кромку листа, имеющего большую толщину.

8. Проектируя сложные сварные конструкции, необходимо предусматривать возможность изготовления их в виде отдельных сварных узлов, которые потом соединяются в целую конструкцию. Это уменьшает влияние связей на усадку швов и снижает плоскостную напряженность.

9. В сварных конструкциях, состоящих из деталей сложной конфигурации, необходимо применять штампованные и литые узлы, которые свариваются с остальными деталями всей конструкции.

10. Расположение швов не должно затруднять механизацию сварочных работ, т. е. применение автоматической сварки под флюсом и других механизированных методов сварки, повышающих качество наплавленного металла и производительность работ.

11. Обязательно предусматривать и проектировать специальные сборочно-сварочные приспособления и кондукторы, обеспечивающие точность сборки и правильную последовательность сварочных работ.

44. Влияние отрицательных температур на свойства сварных соединений и особенности сварки при низких температурах

Низкая температура окружающего воздуха и, как следствие, свариваемого металла существенно увеличивают скорость охлаждения. Это увеличение для многих легированных сталей и цветных металлов весьма значительно влияет на образование закалочных структур и трещин в период охлаждения металла и происходящих в нем структурных изменений.

Особенно сильно проявляется влияние скорости охлаждения при отрицательных температурах. Сварка при отрицательных температурах отражается на механических свойствах даже хорошо свариваемой низкоуглеродистой стали. Для большинства легированных сталей сварка при отрицательной температуре без подогрева вообще невозможна, так как приводит к образованию трещин в шве и ЗТВ.

Весьма характерной является работоспособность сварных соединений при низкой температуре. В ГОСТах она оценивается нормами ударной вязкости, установленными для сталей при температурах -20, -40 и -70 градусов. Эти величины температур характеризуют критическую температуру хрупкости стали, ниже которой хрупкость растет, а ударная вязкость резко падает. Величина критической температуры зависит от содержания в стали углерода, вообще от химического состава и степени легирования, от очистки стали от вредных примесей, ее раскисления и удаления O₂, H₂ и избыточного N₂.

Образование в сварных соединениях трещин и хрупкое разрушение при работе конструкций может произойти при отрицательной температуре из-за наличия дефектов, вызывающих концентрацию напряжений. Эти дефектами могут быть непровары, резкие переходы от основного металла к наплавленному, скопления и пересечения швов, подрезы, включения. Эти концентраторы напряжений при низкой температуре могут развиваться в трещины и вызывать разрушения. Следовательно, при сооружении сварных конструкций при отрицательной температуре или конструкций, предназначенных для эксплуатации при низкой температуре, необходимо избегать концентраторов напряжений.

Имеет значение работоспособность и внимательность сварщиков, работающих при низкой температуре на открытых площадках. Они должны быть хорошо и тепло одетыми в зимнюю спецодежду и иметь возможность периодически обогреваться в теплых помещениях, расположенных вблизи рабочих мест.