2. Тепловое воздействие сварочного источника на свариваемый металл.

Методы расчетного определения параметров режима сварки

Под действием тепловой энергии, вводимой в изделие при сварке, металл в зоне сварного шва расплавляется, а непосредственно прилегающие к шву участки нагреваются до высоких температур и вследствие этого в зоне термического влияния происходят структурные превращения.

Рис. 5.4. Схемы распределения максимальных температур при сварке (а) и диаграммы состояния железо-углерод (б); участки:

1–неполного расплавления, 2–перегрева, 3–нормализации, 4–неполной перекристаллизации, 5–рекристаллизации, 6–синеломкости

На рис. 5.4 при ведена схема диаграммы состояния железоуглерод и в том же температурном масштабе построена кривая распределения максимальных температур в околошовной зоне.

Как видно из рис. 5.4 размеры всей зоны термического влияния и отдельных ее участков зависят от характера распределения максимальных температур, до которых нагревались эти участки.

Величина коэффициента наплавки зависит от способа сварки рода тока, полярности подключения и сварочных материалов. Так, при ручной дуговой сварке электродами УОНИ-13 на постоянном токе обратной полярности эта величина составляет 7 - 8 г/(А ∙ ч), в случае использования электродов ЦМ-7 при питании дуги переменным током - около 10 г/(А ∙ ч). При сварке под флюсом на переменном токе на оптимальных режимах - около 15, на постоянном токе обратной полярности - около 13 г/(А ∙ ч). При сварке в углекислом газе проволокой Св-0872С 14 :15 г/(А ∙ ч) и т. д.

3. Деформация и напряжения, возникающие при сварке, и способы борьбы с ними

Процесс сварки всегда сопровождается неравномерным нагревом изделия. Зоны металла, прилегающие к сварн ому шву, в процессе сварки нагреваются до высоких температур, а затем по мере распространения тепла в массе изделия охлаждаются. В результате местного нагрева и последующего охлаждения происходят объемные изменения в металле, приводящие к возникновению временных и остаточных деформаций и напряжений.

Для понимания процесса их образования рассмотрим некоторые случаи формоизменения при нагревании и охлаждении.

а. Нагрев стержня, свободного от внешних связей (рис. 5.5,а).

Рис. 5.5. Деформации и напряжения при нагревании и охлаждении стержня:

а–свободного от внешних связей; б–жестко закрепленного; в–изменения температуры и длины стержня, свободного от внешних связей при нагреве и охлаждении; г–изменение напряжений в жестко закрепленном стержне при нагреве и охлаждении

При равномерном нагреве незакрепленного стержня до температуры Т его длина l₀ и диаметр d₀ увеличатся на l₀αТ и d₀αТ, однако после охлаждения до исходной температуры размеры стержня вновь станут такими же, какими они были до нагрева, т. е. равномерный нагрев стержня, свободного от внешних связей, не вызывает изменений его формы и размеров и не сопровождается возникновением в нем внутренних напряжений.

б. Нагрев стержня, встречающего препятствие в осевом направлении расширению и укорочению (рис. 5.6, б), приведет к появлению в нем напряжений сжатия и упругих деформаций сжатия, пропорциональных αТ.

Рис.5.6. Зависимость остаточной кривизны прямоугольных полос разной ширины (h) от режима сварки:

а–вид полосы с наплавкой после охлаждения, б–характер изменения кривизны в зависимости от погонной энергии сварки для h, см:

1–5; 2–10; 3–15; 4–20; 5–30; 6–40

В этих пределах температур процесс формоизменения в стержне будет обратимым. При дальнейшем повышении температуры (с момента времени t₁ рис. 5.6, б) кроме упругих деформаций появятся пластические деформации, по величине равные общим тепловым (αТ) за вычетом упругих деформаций: ε_пл.сж = αТ-ε_т .

С понижением температуры (с момента времени t₂) в стержне будут уменьшаться напряжения сжатия вплоть до момента времени t₃, когда они станут равными нулю. Дальнейшее охлаждение должно бы привести к соответствующему укорочению, так как стержень закреплен, то в нем появятся напряжения растяжения, которые в момент времени t₄ достигнут величины предела текучести σ_т, и при дальнейшем охлаждении возникнут пластические деформации растяжения вплоть до момента времени t₅, т. е. до охлаждения изделия до исходной температуры.

В результате в стержне возникнут остаточные напряжения, по величине равные пределу текучести материала.

Наибольшее практическое значение имеет определение остаточных деформаций. В большинстве случаев достаточную для практики точность обеспечивает использование инженерного метода расчета, предложенного Н. О. Окербломом. Так как величину деформации определяет ширина зоны

разогрева до определенной температуры пластической деформации, то наибольшее влияние оказывает погонная энергия сварки, т. е. отношение мощности источника к скорости сварки, и сопротивляемость изгибу рассматриваемого сечения.

Рис. 5.7. Зависимость относительного ускорения от погонной энергии сварки и размеров поперечного сечения: ∆_ц∙т–расстояние от центра тяжести сечения

Согласно этой методике определение сварочных деформаций производится следующим образом. Рассчитывают погонную энергию сварки, отнесенную к толщине металла, и для данной ширины свариваемых листов по графику рис. 5.6 находят ожидаемую кривизну С, 1/см. На рис. 5.7 представлен график, характеризующий относительное укорочение от погонной энергии сварки и размеров поперечного сечения.

Из графика следует, что при достаточно больших размерах площади поперечного сечения свариваемых элементов, когда отношение q_п /F ≤ 150, связь между деформациями и значением погонной энергии характеризуется прямолинейной зависимостью.

При этом для стальных конструкций, как это следует из графика рис. 5.7, ∆_ц.т = 3,5 ∙ 10^-6 q_п /F.

Имея в виду, что относительная деформация продольной оси полосы, проходящей через центр тяжести сечения ∆_ц.т = ∑λ_F / J , а кривизна полосы С = z∑λ_F / J, где ∑λ_F - сумма произведения местных относительных деформаций на площадь участка, занимаемого ими, см²; F - площадь поперечного сечения полосы, см²; J - момент инерции поперечного сечения полосы, см⁴; z - расстояние от оси полосы до центра тяжести площади, характеризующей местные деформации λ, см; можно написать:

∑λ_F = З,5 ∙ 10^-6 ∙ q_п. Тогда кривизна С = 3,5 ∙ 10^-6 q_пz /J.

Как следует из вышеизложенного, при сварке всегда имеют место определенные изменения размеров и формы изделия, что следует учитывать как при проектировании, так и при изготовлении сварных конструкций. К числу мер борьбы с деформациями при сварке относятся различного рода закрепления, нагружения внешними силами, «обратный» выгиб свариваемых элементов и др.

В то же время различные меры борьбы с деформациями оказываются эффективными лишь при определенных условиях. Наиболее часто для предотвращения сварочных деформаций или уменьшен ия их применяют закрепления свариваемых деталей, которые вызывают появление в процессе сварки остаточных деформаций растяжения и поэтому могут понизить общие напряжения свариваемого изделия. Однако как показала практика использования этого способа, закрепления не могут заметно снизить сварочные деформации, если специальными средствами не обеспечить усиленный теплоотвод из свариваемого изделия в оснастку.

Недостаточная эффективность закреплений, как средства борьбы с деформациями, привела к применению обратных выгибов изделия перед сваркой: для получения изделия, недеформированного после сварки, оно должно перед сваркой иметь некоторую начальную кривизну противоположного знака по сравнению со знаком кривизны, вызываемой сваркой.

В некоторых случаях существенную эффективность обеспечивает ограничение зоны нагрева до температур, при которых имеет место пластическая деформация металла околошовной зоны, искусственным охлаждением металла шва и зоны термического влияния благодаря применению прижимов или ползунов из высокотеплопроводного материала (например, меди) либо, если это допустимо для свариваемого металла, душирование шва и околошовной зоны непосредственно за сварочной ванной. Интенсивный теплоотвод может существенно снизить размеры зоны, претерпевающей пластическую деформацию и тем самым уменьшить величину остаточных деформаций.

Существует также способ уменьшения деформации так называемой «раскаткой шва». В этом случае по горячему металлу шва прокатывается стальной ролик с таким усилием, чтобы он как бы «раздавал» металл шва и тем самым создавал в. нем не напряжения растяжения, а напряжения сжатия.

Положительные результаты по получению сварных конструкций заданных размеров и формы может обеспечить выбор правильной последовательности сборки и сварки изделия, таким образом, чтобы деформации, возникшие при сварке последующих швов, имели обратный знак по сравнению с теми, которые образовались от предыдущих швов (метод «уравновешивания деформаций»).

Расчетная оценка ожидаемых деформаций при различных вариантах последовательности сборки и сварки позволяет выбрать такую очередность технологических операций, при которой итоговые деформации сварных изделий будут находиться в пределах допусков на точность изготовления данной сварной конструкции.

Технология металлов и материаловедение. — Кнорозов Б. В., Усова Л, Ф., Третьяков А. В. и др. —М.: Металлургия, 1987. 800 с.

Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением: Учеб-ник для вузов. — 4-е изд. — М.: Машиностроение, 1977. 447 с.

Акулов А. И., Бельчук Г. А., Демянцевич В. П. Технология и оборудование сварки плавлением: Учебное пособие для вузов.—М.: Машиностроение, 1977. 432 с.

Технология металлов и сварка. Учебник для вузов. Под ред. П. И. Полухина. М., “Высш. школа”, 1977.464 с.

Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. Акад Б. Е. Патона. М., “Машиностроение”, 1974.768 с.