Возникновение напряжений и деформаций при сварке плавлением, их влияние на качество сварной конструкции. Способы уменьшения сварочных напряжений и деформаций.

Высокотемпературный нагрев соединяемых элементов при сварке вызывает появление в них напряжений и деформаций, существенно затрудняющих производство сварных конструкций и ухудшающих их качество.

Сварочные напряжения классифицируются по следующим признакам:

по времени существования - временные сварочные напряжения, существующие лишь в определенный момент времени нестационарного процесса нагрева и остывания, и остаточные сварочные напряжения, остающиеся после полного остывания конструкции;

по направлению действия напряжений - напряжения продольные, направленные параллельно оси сварного шва, и поперечные, направленные перпендикулярно оси шва.

В зависимости от причины, вызвавшей появление напряжений, различают температурные напряжения, вызванные неравномерным распределением температуры по сечению свариваемого элемента; напряжения, вызванные пластическим деформированием металла;структурные напряжения, связанные со структурными превращениями металла в районе сварного соединения. Температурные напряжения образуются всегда, но после полного остывания исчезают.

Как и напряжения, сварочные деформации бывают временными и остаточными, а по направлению действия - продольными (параллельно оси шва) и поперечными (перпендикулярно к оси шва). В свою очередь, временные и остаточные деформации можно разбить на две группы в зависимости от того, на какую часть конструкции они распространяются:

- деформации, вызывающие искажение формы и размеров всего свариваемого элемента или конструкции, получили название общих сварочных деформаций (рис.). К ним относятся изменения линейных размеров и искривление осей конструкции в продольном (от действия продольных напряжений) и поперечном (от действия поперечных напряжений) направлениях;

- деформации, распространяющиеся только на отдельные свариваемые элементы конструкции, называют местными сварочными деформациями (рис.). К ним относятся деформации отдельных элементов от потери устойчивости (коробление) и угловые деформации (поворот сечений, грибовидность, "домики", ребристость).

Существует много способов и приемов регулирования и уменьшения напряжений и деформаций, возникающих при сварке. Они могут быть использованы: на стадии проектирования сварной конструкции; на стадии, предшествующей сварке, и непосредственно во время сварки; после завершения сварки и полного остывания конструкции.

Из мероприятий, используемых на стадии проектирования сварной конструкции, прежде всего необходимо отметить меры, направленные на уменьшение массы (объема) наплавленного металла. В результате снижения в этом случае количества и сечений стыковых и угловых сварных швов резко уменьшаются усадочная сила, сварочные пластические деформации и напряжения. Снижение массы наплавленного металла в стыковых сварных соединениях можно получить за счет применения рациональных форм и параметров разделки кромок. Так, использование Х- и К-образных разделок кромок вместо V-образных обеспечивает сокращение массы наплавленного металла.

Сборку элементов свариваемых конструкцийнеобходимо выполнять с помощью прихваток или жестких сборочных приспособлений и устройств. Оба способа закрепления собираемых под сварку деталей правомерны, и выбор того или иного способа определяют тип и размер конструкции, предъявляемыми к ней требованиями и условиями ее изготовления. Сборку элементов из тонколистового металла (3-5 мм), а также нахлесточных соединений независимо от каких-либо факторов практически всегда производят с использованием прихваток.

Сборка конструкций на прихваткахпозволяет значительно уменьшить наблюдаемые деформации и перемещения элементов конструкций в зоне сварки, что является важным фактором при изготовлении изделий сложной геометрической формы. Вместе с тем, при таком жестком закреплении кромок свариваемых элементов в сварном соединении развиваются существенные напряжения, которые целесообразно в последующем снижать соответствующими технологическими приемами.

Сборка конструкций с помощью сборочных приспособлений и устройствобеспечивает более «мягкое» закрепление кромок сопредельных элементов, не препятствующее их перемещению, обусловленному нагревом и расширением металла в процессе сварки и усадкой металла шва. Такое перемещение элементов способствует снижению остаточных напряжений в конструкциях. Однако это приводит к усадке и закрытию зазора по мере продвижения сварочной дуги, что вызывает необходимость в проведении дополнительных операций по его восстановлению. Кроме того, не всегда применение сборочных приспособлений и устройств позволяет выдержать требуемую геометрию сварной конструкции в целом.

При подготовке и сборке конструкций под сварку широкое распространение получил способ обратной деформации,который заключается в следующем. При сборке конструкций или элементов искусственно создаются деформации, обратные по знаку ожидаемым при сварке. Примеры использования способа обратных деформаций показаны на рис. 78. К этим же мероприятиям можно отнести и сборку стыковых соединений свариваемых элементов с переменным по длине шва зазором с учетом его последующей усадки при сварке.

Последовательность сварки отдельных швов конструкций необходимо устанавливать таким образом, чтобы она не создавала жестких контуров и в максимальной степени обеспечивала возможность перемещения свариваемых элементов при усадке после сварочного нагрева (естественно, не вызывая заметного искажения формы). Исходя из этого, при сварке листовых конструкций в первую очередь выполняют поперечные швы отдельных поясов, а затем соединяют сваренные пояса между собой (рис. 79).

Уменьшение погонной энергии сварки снижает усадочную силу и деформацию, возникающие при сварке. Поэтому следует назначать и использовать способы и режимы сварки, обеспечивающие минимальные тепловложенния на один проход. Поскольку эффективная погонная энергия пропорциональна сечению валика, то сварку необходимо выполнять на режимах, формирующих валики с возможно малыми поперечными сечениями. Многопроходная сварка в этом отношении имеет преимущество перед однопроходной.

Предварительный и сопутствующий подогревысвариваемых элементов уменьшают перепад температур между участками сварного соединения, что приводит к снижению возникающих напряжений. При подогреве до температуры 100-200°С остаточные напряжения уменьшаются на 20-30% по сравнению со сваркой без подогрева. Подогрев может быть общим, когда подогревается все изделие, и местным. При местном подогреве нагревают участки металла шириной не менее 40-50 мм по обе стороны шва. Температура подогрева при ручной дуговой сварке толстолистового металла ориентировочно составляет 100-120°С для конструкций из низкоуглеродистых сталей, и 150-200Х - из среднеуглеродистых и низколегированных сталей.

Резкое охлаждение свариваемых элементов сужает до возможного минимума ширину участка сварного соединения, нагреваемого в процессе сварки до температур, при которых возникают пластические деформации. Это приводит к снижению остаточных деформаций в сварном соединении в целом. Разумеется, что искусственное охлаждение применимо только при сварке сталей, не склонных к образованию хрупких закалочных структур (низкоуглеродистых сталей, некоторых марок высоколегированных сталей и сплавов).

Проковка металла шва и околошовных участков способствует значительному снижению остаточных сварочных напряжений растяжения. При проковке имеет место осадка металла в направ­лении его толщины, что вызывает расширение металла в перпендикулярном направлении, создавая напряжение сжатия. Проковку стали можно проводить по горячему металлу сразу после сварки (температура не менее 450°С) или после его остывания (температура не более 150°С). При многослойной сварке проковку осуществляют послойно, за исключением первого слоя из-за вероятности образования в нем трещин. Для проковки могут быть использованы пневматические молотки и зубила.

К мероприятиям по снижению напряжений и деформаций, выполняемым после завершения сварки и остывания конструкций, можно отнести отпуск сварных конструкций, обра­ботку взрывом, правку.

Отпуск сварных конструкцийприменяют для изменения структуры и свойств металла, а также для эффективного снижения остаточных напряжений. При отпуске различают стадии: по­догрева, выравнивания температур, выдержки при заданных температурах, остывания. Наибольшее снижение напряжений происходит на стадии нагрева, его определяет температура отпуска: чем выше температура отпуска, тем полнее устраняются остаточные напряжения. Однако при этом могут наблюдаться процессы, приводящие к нежелательному изменению механических свойств сварных соединений. Тогда принимается компромиссное решение.

Обработка взрывомсварных соединений позволяет создавать по аналогии с проковкой металла напряжения сжатия в металле шва и околошовных участках и является эффективным средством снижения остаточных напряжений.

Правку конструкцийпроизводят в случае местных или общих деформаций сварных конструкций и изделий, выходящих за пределы требований проектной документации. Ее осуществляют механическим или термическим методами.