4.3. Воздействие термодеформационных процессов

на свойства металла зоны сварки

Металл, в процессе сварки, подвергается термодеформа­ционному воздействию, оказывающему влияние на структуру и свойства металла ядра и околошовной зоны.

При больших скоростях охлаждения, характерных для контакт­ной сварки, увеличивается вероятность переохлаждения жидкого металла, усиливаются процессы ликвации.

Литой металл ядра отличается низкой пластичностью, особенно при соединении металлов, чувствительных к термическому циклу. Зоны, в которых отмечается развитие ликвационных процессов, также характери­зуются повышенной хрупкостью.

Неравномерность состава шва с трудом выравнивается даже при последующей термообработке.

В околошовной зоне наблюдаются изменения исходной структуры и свойств металла вследствие закалки, оплавления легкоплавких эвтектик по границам зерен, отпуска, частичного отжига, снятия нагартовки, рекристаллизации и т. п. Таким образом, в результате неравномерного нагрева в околошовной зоне отмечается широкая гамма структур при относительно малой ширине зоны термического влияния.

4.4. Образование остаточных напряжений

В стадии охлаждения в зоне сварки (этап III) возникает сложнонапряженное состояние металла из-за несвободной усадки и действия усилия сжатия.

Характер распределения внутренних напряжений изменяется во времени, так как зависит не только от усадки и внешнего давле­ния, но и от сопротивления пластической деформации металла. В начале охлаждения или при относительно малом значении σ_д усадка вдоль оси z в значительной мере компенсируется деформацией металла от F_св, и при точечной сварке в этом направлении растяги­вающие напряжения невелики, а в приэлектродной области часто обнаруживаются остаточные сжимающие напряжения.

Усадка в продольном направлении (вдоль оси r) практически не остается некомпенсированной, так как за счет охлаждения вокруг литого ядра образуется своеобразный жесткий каркас, препятству­ющий деформации от внешнего усилия в этом направлении. Поэтому в центральной части зоны сварки получают развитие процессы образования остаточных радиальных σ_r и окружных σ_θ напряжений (рис. 39).

Рис. 39. Остаточные напряжения после точечной сварки

Механизм образования этих напряжений можно пояснить следу­ющей схемой. При охлаждении внутренние слои, например, в виде кольца стремятся укоротиться, однако соседние наружные более холодные слои препятствуют этому, и в них образуются остаточные растягивающие напряжения σ_r и σ_θ. При удалении от ядра темпе­ратура и величина усадки снижаются, растягивающие напряжения уменьшаются до нуля. На значительном расстоянии σ_θ меняют свой знак и превращаются в сжимающие. Следует иметь в виду, что при охлаждении остаточные растягивающие напряжения могут пре­вышать предел текучести σ_т. После полного охлаждения уровень напряжений меньше σ_т.

Если по мере охлаждения зоны сварки за счет увеличения внеш­него давления вызвать дополнительную пластическую деформацию металла и тем самым обеспечить компенсацию усадочных процессов, можно снизить и даже преобразовать растягивающие напряжения σ_r и σ_θ в сжимающие. Это практически реализуется путем плавного или ступенчатого (желательно) повышения усилия сжатия до F_ков (рис. 40).

Р ис. 40. Схема напряженного состояния металла на стадии охлаждения; р₁, р₂, р₃,и σ₁, σ₂, σ₃, - средние дав­ления и остаточные напряжения соответственно при отсутствии ковоч­ного усилия F_св), ступенчатом его изменении (F_ков’) и плавном увели­чении (F_ков’’)

При использовании постоянного усилия F_св растягивающие напряжения σ₁ на пояске (точка А) образуются при температуре пластического состояния металла (например, для углеродистой ста­ли 600 ⁰С) и развиваются до полного охлаждения околошовной зоны. Однако, если через определенный промежуток времени t_к (точка Б) повы­сить усилие F_св до F_ков или давление с р₁ до р₂, то остаточные напряжения σ₂ - в зоне сварки будут преи­мущественно сжимающи­ми. Наилучшим, но трудно выполнимым в сварочных машинах вариантом является плавное изменение усилия F_ков’’ при котором можно получить постоянное давление на охлаждающийся металл (р₃) и сжимающие остаточные напряжения σ₃.

Уменьшить количество усадочных дефектов можно также снижением σ_д путем замедленного охлаждения при использовании подогрева током, что дает возможность снизить F_ков.

Так как образование остаточных напряжений за счет усад­ки продолжается до полного охлаждения, то становится значимым время проковки. При сварке малых толщин (до 1 мм) обеспечить необходимую для снижения остаточных растягивающих напряжений деформацию можно без приложения F_ков.