Учебное пособие 2013

ЛЕКЦИЯ 4

рах, когда образование мартенсита невозможно. Поэтому низкоуглеродистые стали не подвержены закалке даже при больших скоростях охлаждения.

Так как в этом случае образование новой структуры (мартенсита) происходит в твердом металле внутри старой структуры (в аустените), это превращение сопровождается появлением внутренних напряжений, которые могут привести

кобразованию так называемых холодных трещин.

Всвязи со сказанным, при сварке средне-, высокоуглеродистых и легированных сталей в околошовной зоне образуется мартенситная структура и наблюдаются участки с повышенной твердостью и низкой пластичностью (рис. 4.13).

Для исключения образования холодных трещин при сварке закаливающихся сталей приходится усложнять технологию сварки (предварительный и сопутствующий подогревы, уменьшение скорости охлаждения сварных деталей и др.).

Основным элементом, увеличивающим закаливаемость и прокаливаемость сталей, является углерод. Ориентировочно влияние других элементов, снижающих скорость распада аустенита (т. е. увеличивающих закаливаемость), можно оценить с помощью эквивалентных коэффициентов, определенных экспериментально. Оценка склонности к закалке данной стали производится с помощью вычисления эквивалентного содержания углерода:

Сэ = С + Mn/6 + Cr/5 + V/5 + Mo/4 + Ni/15 + Cu/13 + P/2,

где C, Mn, Cr, V, Mo, Ni, Cu и Р — содержание в стали в процентах соответствующих элементов, причем, если Cu < 0,5 %, а Р < 0,5 % эти элементы не учитываются.

51

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ. ОБРАЗОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ, СТРОЕНИЕ

Вслучае если Сэ больше 0,45—0,55 %, в зависимости от толщины металла рекомендуется применять предварительный подогрев.

Вотечественной практике ряд низколегированных сталей повышенной

прочности с большим эквивалентным углеродом (до Сэ ~ 0,70 %) сваривают низководородистыми электродами с применением специальной технологии (предварительный и сопутствующий подогрев: многослойная сварка «горкой», когда каждый предыдущий валик служит подогревом при наложении последующего; наложение отжигающих валиков и др.).

Контрольные вопросы

1.Охарактеризуйте температурное поле в свариваемом металле в процессе сварки плавлением.

2.От чего зависит ширина зоны нагрева свариваемого металла до высоких температур? Дайте характеристики сварочных источников тепла с точки зрения сосредоточенности их теплового потока.

3.Расскажите о процессе формирования сварного соединения при сварке плавлением.

4.Опишите строение сварочной ванны. Какие факторы влияют на форму сварочной ванны?

5.Перечислите особенности кристаллизации сварочной ванны. От чего зависит скорость кристаллизации в различных точках сварочной ванны?

6.Расскажите о строении сварного соединения.

7.Как ориентировочно определить химический состав металла шва, если известны составы электродной проволоки и основного металла?

8.Дайте характеристику зоне сплавления в сварном соединении.

9.Что такое зона термического влияния?

10.Дайте характеристики структур зоны термического влияния в сварных соединениях низкоуглеродистой стали.

11.Сравните ширину зоны термического влияния и ее участков при различных способах низкоуглеродистой стали.

52

ЛЕКЦИЯ 5 СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ

Кроме напряжений и деформаций, возникающих в элементах металлоконструкций под действием приложенных нагрузок, в них могут быть так называемые собственные напряжения, которые существуют даже при отсутствии воздействия каких-либо внешних сил. Причины образования собственных напряжений весьма разнообразны (механическое упругое или пластическое деформирование деталей при сборке, монтаже и правке, структурные и фазовые превращения в процессе нагрева и охлаждения металла, упругие и пластические деформации вследствие неравномерного нагрева детали и др.).

Основной причиной возникновения собственных напряжений в сварном соединении является неравномерный нагрев свариваемого изделия.

В результате местного (неравномерного) нагрева металла, обусловленного воздействием концентрированного источника тепла, в сварной конструкции возникают временные и остаточные сварочные напряжения.

сварочными напряжениями. Они, как уже было сказано, возникают в результате затрудненного расширения и сжатия металла в процессе его нагрева и охлаждения.

В высокотемпературных зонах, когда предел текучести металла падает до нуля, под действием временных сварочных напряжений возникают пластические деформации, приводящие к изменению формы и размеров конструкций.

Остаточные сварочные напряжения и деформации могут привести к снижению работоспособности сварных конструкций. Изменение формы изделия и отдельных ее элементов из-за сварочных деформаций, приводят, как правило, к перераспределению сил от рабочих нагрузок и к дополнительному нагружению сварного соединения, часто не предусмотренному в расчетах. Остаточные сварочные напряжения при работе конструкции могут складываться (суммиро-

53

СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ

ваться) с напряжениями от внешних нагрузок и снижать работоспособность изделия. Особенно опасны они при знакопеременных нагрузках. Сварочные напряжения могут спровоцировать возникновение трещин в шве или околошовной зоне, особенно в сварных соединениях большого сечения или из высокопрочных материалов, где пластичность металла невелика.

Все это обусловливает необходимость изучения причин возникновения сварочных напряжений и деформаций и способов борьбы с ними.

5.1. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ НАГРЕВЕ И ОХЛАЖДЕНИИ МЕТАЛЛА

Для более четкого представления о причинах возникновения деформаций и напряжений при сварке рассмотрим три варианта нагрева и охлаждения металлического стержня диаметром do и lo.

1. Равномерный нагрев и охлаждение стержня в свободном состоянии

(рис. 5.2, а).

Рис. 5.2. Схема равномерного нагрева и охлаждения металлического стержня:

а— стержень в свободном состоянии; б — при противодействии удлинения

впроцессе нагрева; в — стержень с защемленными концами

Пусть стержень длиной lo и диаметром do равномерно нагревается от температуры То до Т. Вследствие того, что с повышением температуры расстояния между атомами в кристаллической решетке увеличиваются, происходит увеличение его объема. Длина стержня при температуре Т будет равна lT (увеличением диаметра пренебрегают):

lT = lo (1+α∆Τ); ∆l = lN −lo =α∆Τ,

где ∆Τ=T −To - разность между конечной и начальной температурами; α - коэффициент линейного расширения металла (для стали α =12 10−6 1/град.).

54

ЛЕКЦИЯ 5

При охлаждении стержень сжимается и принимает первоначальные размеры. В процессе равномерного нагрева и охлаждения все атомы стержня претерпевают одинаковые смещения, не встречая сопротивления, поэтому в

стержне не возникают никакие напряжения.

2. Нагрев и охлаждение стержня между жесткими стенками. В этом случае свободному расширению стержня препятствуют жесткие (недеформируемые) стенки. Поэтому при нагреве стержень со стороны стенок испытывает сжимающие напряжения, которые условно примем со знаком «минус» (-σ ). Если величина этих напряжений не достигнет значений предела текучести (-σ < σТ), то после охлаждения стержень примет первоначальное положение и сжимающие напряжения исчезнут, как в упругосжатой пружине после снятия усилий сжатия.

Если напряжения сжатия с процессе нагрева стержня достигнут величины предела текучести (-σ = σΤ), при дальнейшем нагреве они не превысят его, вызывая при этом пластические деформации металла. Известно, что величина предела текучести металлов уменьшается с повышением температуры и для сталей при температурах выше 600 о С становится равной нулю (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схема возникновения напряжений при нагреве и охлаждении стержня:

σΤ — предел текучести; Т — температура, σο — остаточные напряжения:

а— нагрев и охлаждение стержня между жесткими стенками,

б— нагрев и охлаждение защемленного стержня

При нагреве стержня в стесненных условиях в нем с повышением температуры возрастают сжимающие напряжения (линия ОА на рис. 5.3, а) и при температуре ТА в точке А достигают величины предела текучести (-σ =σΤ ). При

дальнейшем нагреве сжимающие напряжения остаются равными пределу теку-

55

СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ

чести (кривая АВ). С началом охлаждения стержня с температуры ТВ его длина начнет сокращаться, а сжимающие напряжения — уменьшаться по линии В-ТД. При температуре ТД напряжения сжатия со стороны стенок исчезнут (-σ = 0 ), стержень выйдет из соприкосновения со стенками и сократится на величину -∆l

(см. рис. 5.2, б):

∆l =α(Το −ΤД ),

т. к. ΤД >Το , то ∆Τ< 0 и ∆l — величина отрицательная.

Таким образом, если в стержне при нагреве в стесненных условиях напряжения сжатия достигли предела текучести, стержень подвергается пластической деформации и после охлаждения становится короче первоначальной длины. Эта остаточная деформация называется усадкой.

3. Нагрев и охлаждение стержня с защемленными (закрепленными) кон-

цами (см. рис. 5.2, в).

При нагреве стержня с защемленными концами в нем, как и в предыдущем случае, возникают сжимающие напряжения, которые при температуре ТА достигают предела текучести. При охлаждении до ТЕ или ТД напряжения, сжимающие напряжения, уменьшаются до нуля (-σ = 0 ) и, если бы стержень не был жестко закреплен по концам, при дальнейшем охлаждении он свободно бы укорачивался, как в предыдущем случае. Однако защемление концов стержня препятствует его свободной усадке, поэтому при дальнейшем охлаждении в нем возникают растягивающие напряжения (+σ ), нарастающие по линии 1 или 2. После полного охлаждения стержня в нем остаются растягивающие напряжения, которые могут быть меньше или равны пределу текучести материала, из которого изготовлен стержень (σο" <σΤ и σο" =σΤ).

Таким образом, во всех случаях, когда в процессе нагрева или охлаждения металлического тела имеется препятствие для теплового расширения или усадки, в теле возникают остаточные напряжения.

5.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНОМ СОЕДИНЕНИИ

При сварке плавлением металл в зоне сварки нагревается мощным источником тепла до температур, превышающих температуру плавления свариваемого материала. В то же время участки металла, удаленные от сварочной ванны, пребывают в твердом состоянии при более низких температурах. Иными словами, нагрев изделия при сварке неравномерный (рис. 5.4, а).

Представим себе, что две пластины, свариваемые встык, перед сваркой были разрезаны на узкие продольные полоски и нижним торцом опирались на какое-то основание (рис. 5.4, б). Затем нагреем каждую пластинку до температуры, соответствующей кривой распределения, показанной на рис. 5.4а. Очевидно, каждая свободная полоска получит удлинение пропорционально темпе-

56

ЛЕКЦИЯ 5

ратуре ее нагрева: ∆lΤ =α∆Τ. Чем ближе полоска к оси шва, тем выше темпе-

ратура ее нагрева, тем на большую величину она удлинится в соответствии с рис. 5.4, б. Между тем реальное сварное соединение, как известно, не состоит из отдельных не связанных между собой полосок. Все полоски связаны друг с другом и деформируются таким образом, что верхний торец переместится в положение 1-1. То есть полоски вблизи оси шва удлиняются не на ∆lΤ =α∆Τ, а на

величину меньшую, равную ∆lист , т. к. соседние более холодные участки, свя-

занные с этими полосками, не дают им свободно удлиняться. В связи с этим они испытывают внутренние (со стороны соседей) напряжения сжатия. Наоборот, периферийные менее нагретые полоски, связанные с центральными полосками, растягиваются до положения 1-1 и истинное удлинение всей пластины будет равно ∆lист (рис. 5.4, б).

Рис. 5.4. Схема образования остаточных деформаций и напряжений при сварке:

а— распределение температуры в сварном соединении поперек шва;

б— удлинение полосок металла, вырезанных вдоль шва в соответствии с распределением температуры в процессе нагрева; в — то же после охлаждения 2с — ширина зоны сварного

соединения, нагретой до температуры выше 600 о С (когда у стали σΤ = 0 )

При охлаждении будет наблюдаться обратная картина. Полоски, расположенные ближе к оси шва и нагретые до более высокой температуры, в свободном состоянии должны укоротиться на большую величину, чем периферийные. Однако из-за связей с соседними более холодными полосками торец пластины займет положение П-П (см. рис. 5.4, в). При этом центральные полоски удли-

57

СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ

нятся и испытают остаточные напряжения растяжения, а периферийные — напряжения сжатия. В целом после сварки пластина укоротится на некоторую величину ∆l и ∆b (рис. 5.5) и эпюра остаточных сварочных напряжений примет вид, представленный на рис. 5.6. Растягивающие напряжения в зоне шва (+σ) уравновешиваются сжимающими напряжениями в основном металле (-σ) уравновешиваются сжимающими напряжениями в основном металле (-σ).

Рис. 5.5. Продольные и поперечные деформации при сварке:

а— временные деформации, б — продольные остаточные сварочные деформации,

в— поперечные остаточные сварочные деформации

Рис. 5.6. Эпюра поперечных (а) и продольных (б) остаточных напряжений в сварном соединении

58

ЛЕКЦИЯ 5

Уменьшение размеров изделия после сварки приближенно можно определить по следующим формулам:

продольное укорочение:

∆l =k q lο ; V Fш

поперечное укорочение:

∆в = kVq Fbшο ,

где k — коэффициент, зависящий от теплофизических свойств свариваемого металла (для низкоуглеродистой стали k — 0,83 10-6 см3/кал); q — 0,24ηиUI —

тепловая мощность сварочной дуги (кал/с); V — скорость сварки; lο и вο — первоначальные размеры свариваемых пластин; Fш — площадь сечения сварного шва; V — скорость сварки; lο и вο — первоначальные размеры сваривае-

мых пластин; Fш — площадь сечения сварного шва.

Величина остаточных напряжений (σост ) определяется разностью между

истинными εист и свободными тепловыми εт относительными деформациями в данном сечении сварного соединения:

σост = (εист −εΤ ) Е,

где εист = ∆lист и εΤ = ∆lΤ ; Е — модуль упругости свариваемого металла. lο lο

Контрольные вопросы

1.Что является причиной возникновения собственных (внутренних) напряжений в сварном соединении? Какие виды напряженного состояния могут быть в сварных соединениях (временные и остаточные сварочные напряжения)?

2.Расскажите о механизме возникновения собственных напряжений при нагреве и охлаждении металла на примере нагрева металлического стержня.

3.Перечислите причины увеличения объема металла при нагреве и уменьшения при охлаждении. Как приближенно можно вычислить изменение линейных размеров металлического тела при нагреве и охлаждении?

4.Опишите возникновение собственных напряжений в сварном соединении при сварке плавлением.

5.Нарисуйте эпюру распределения продольных и поперечных напряжений в сварном соединении при нагреве и охлаждении.

6.Расскажите об изменении размеров сварного изделия вследствие остаточных сварочных деформаций.

59