Термодеформационные процессы при сварке

В ходе получения сварного соединения в нем протекают термодеформационные процессы, заключающиеся в упругопластическом деформировании металла при сварке.

Д е ф о р м а ц и е й называется изменение формы и размеров твердого тела под действием приложенных к нему внешних нагрузок или внутренних усилий.

Внешними нагрузками, как правило, являются сила тяжести свариваемого изделия, усилия зажимных и прижимных элементов сборочно-сварочных или сварочных приспособлений, усилие сдавливания при сварке давлением и т. д.

Внутренние усилия, вызывающие деформацию изделия при сварке, возникают за счет:

– неравномерного нагрева изделия;

– усадки металла шва при его кристаллизации;

– фазовых превращений, сопровождающихся неравномерным изменением объема тела (в основном, мартенситного превращения).

Деформации вызывают перемещение отдельных точек сварной конструкции. Перемещения обычно характеризуют прогибами f (рис. 2.47, а), углами поворота b (рис. 2.47, б), укорочениями D (рис. 2.47, в), величинами выхода точек листовой сварной конструкции из плоскости w (рис. 2.47, г).

		Рис. 2.47. Виды перемещений в элементах сварных конструкций: а – прогиб; б – поворот; в – укорочение; г – местная потеря устойчивости листовой конструкции

Деформации и перемещения приводят к короблению изделия.

Деформации от внешних нагрузок называются р а б о ч и м и, а деформации сварной конструкции, возникающие при отсутствии внешнего силового воздействия, – с о б с т в е н н ы м и.

Деформации, сопровождающие процесс сварки, являются в р е м е н н ы м и, а остающиеся после окончания сварки – о с т а т о ч н ы м и.

Временные деформации наблюдаются только в определенный момент сварки в процессе изменения температуры. Они возникают в результате затруднений расширения и сжатия металла при его нагреве и остывании.

Затруднения расширения и сжатия металла обусловлены тем, что нагретая область со всех сторон окружена холодным металлом, размеры которого практически не претерпевают никаких изменений.

Например, в начале процесса дуговой наплавки валика на пластину нагретый металл, расширяясь, воздействует на более холодные слои металла пластины, что вызывает ее изгиб с кривизной K₁ (рис. 2.48, а). При этом термически расширяющийся участок металла из-за затрудненного удлинения претерпевает пластическую деформацию, увеличивающую поперечное сечение. Это означает, что, в соответствии с законом сохранения массы, происходит укорочение начальной (измеряемой в холодном состоянии) длины рассматриваемого участка. В середине процесса (рис. 2.48, б) начальный участок наплавки остывает. Так как произошло укорочение длины участка наплавки, то термически сжимающийся металл наплавленного валика, воздействуя на металл пластины, изгибает ее в направлении, противоположном начальному, с кривизной K₂ (рис. 2.48, б).

После окончания наплавки и остывания пластина приобретает прогиб f (рис. 2.48, в), характеризующий остаточные деформации. Формированию прогиба f способствует также усадка наплавленного металла.

а	б	в

Рис. 2.48. Временные деформации пластины при дуговой наплавке валика

в начале (а), середине (б) процесса наплавки и остаточные деформации (в)

Остаточные деформации. Рассмотрим тавровую балку (рис. 2.49, а) и стыковое соединение (рис. 2.50, а). После дуговой сварки данные конструкции деформируются (рис. 2.49, б и рис. 2.50, б). Деформации представляют собой комбинацию п о п е р е ч н ы х (рис. 2.49, в и рис. 2.50, в) и п р о д о л ь н ы х деформаций (рис. 2.49, г и рис. 2.50, г).

а	б
в	г

Рис. 2.49. Тавровая балка до сварки (а) и деформации (коробление) балки

после сварки: общие (б), поперечные (в) и продольные (г)

а	б
в	г

Рис. 2.50. Стыковое соединение до сварки (а) и остаточные сварочные

деформации балки: общие (б), поперечные (в) и продольные (г)

Напряжения в сварных конструкциях, также, как и деформации, могут быть рабочими и собственными, а собственные – временными и остаточными (рис. 2.51).

Рис. 2.51. Классификация собственных напряжений

В сварочной практике преимущественно встречаются собственные напряжения I рода.

Остаточные напряжения. Упругопластическое деформирование вызывает появление в металле сварного соединения областей с нескомпенсированными силами межатомного взаимодействия, т.е. локальных объемов металла, в которых преобладают межатомные силы отталкивания или притяжения. В таких локальных областях действуют внутренние силы растяжения или сжатия, причем равнодействующая всех сил по объему изделия равна нулю. Внутренние усилия, приходящиеся на единицу площади рассматриваемых локальных объемов, представляют собой сварочные о с т а т о ч н ы е н а п р я ж е н и я. На рис. 2.52 показаны характерные локальные области действия внутренних сил и эпюры продольных остаточных напряжений в стыковом и тавровом соединениях ( – сжатие; – растяжение).

а б	Рис. 2.52. Схема распределения внутренних сил и эпюры продольных остаточных напряжений в стыковом (а) и тавровом (б) сварных соединениях из малоуглеродистой стали

В сварных соединениях из материалов, упрочняемых закалкой, эпюра продольных остаточных напряжений имеет более сложный вид (рис. 2.53).

Рис. 2.53. Распределение продольных остаточных напряжений в стыковом соединении из среднеуглеродистой стали: а – стыковое сварное соединение; б – эпюра остаточных напряжений

Максимальные значения продольных остаточных напряжений близки к пределу текучести для низкоуглеродистых и аустенитных сталей. В титановых и алюминиевых сплавах они составляют , причем большие значения наблюдаются при увеличении мощности источника нагрева и его скорости.

Распределение поперечных остаточных напряжений и внутренних сил, действующих в поперечном направлении, показано на рис. 2.54 и 2.55.

а б	Рис. 2.54. Схема распределения поперечных внутренних сил (а) и эпюра поперечных остаточных напряжений (б) в стыковом соединении из низкоуглеродистой стали

Рис. 2.55. Распределение поперечных остаточных напряжений в металле шва

по его сечению при многопроходной сварке незакрепленных пластин

из низкоуглеродистой стали:

а – сварное стыковое соединение; б – эпюра остаточных напряжений

Как показывают опыт эксплуатации сварных конструкций и специальные исследования, остаточные сварочные напряжения оказывают сильное влияние на работоспособность сварных соединений лишь тогда, когда сварные швы имеют дефекты, вызывающие концентрацию напряжений, например, трещины, поры и др. В данном случае напряжения от внешних нагрузок суммируются в сварных соединениях с собственными сварочными напряжениями и, концентрируясь в местах дефектов, могут вызвать разрушение конструкции.

Сварочные напряжения могут привести к снижению несущей способности конструкции, изготовленной из хрупких материалов, в частности, из закаливающихся сталей и сплавов, эксплуатирующихся в нетермообработанном состоянии (без отпуска). Собственные напряжения и хрупкие структуры металла в зоне термического влияния и шве могут явиться причиной разрушения конструкции, особенно при ее эксплуатации в условиях ударных внешних нагрузок.

Если конструкция изготовлена из пластичных металлов и сварные швы не имеют дефектов, то остаточные сварочные напряжения не оказывают заметного влияния на ее работоспособность. Поэтому при сварке таких изделий (например, из низкоуглеродистых и низколегированных (незакаливающихся) сталей) стремятся, прежде всего, предотвратить их коробление, так как последующая правка конструкций увеличивает их стоимость и нередко ухудшает свойства сварных соединений.

Уменьшение остаточных сварочных деформаций. Для уменьшения остаточных деформаций сварной конструкции проводят ряд мероприятий, осуществляемых перед началом сварки, в процессе ее, а также после сварки.

Рациональное конструирование сварного изделия позволяет за счет выбора размеров и расположения сварных швов существенно уменьшить коробление. Необходимо назначать минимально допускаемые по расчету сечения швов и использовать виды сварки, осуществляемые с малыми погонными энергиями (наименьшие остаточные деформации возникают при использовании электронно-лучевой и лазерной сварки). Целесообразно избегать одностороннего расположения поперечных швов в балках. При сварке конструкций, включающих тонколистовые элементы, для уменьшения вероятности потери устойчивости необходимо располагать швы на жестких каркасах, чтобы разгрузить тонкие листы от напряжений сжатия и т.д.

Назначение размеров и сборка заготовок с учетом величины и характера ожидаемых деформаций. Возможны использование углового излома, обратного сварочному (рис. 2.56, а), сборка листов с переменным зазором по длине для компенсации угловых деформаций в плоскости свариваемых элементов (рис. 2.56, б), раскрой стенки тавра с начальной кривизной (рис. 2.56, в) и т.п. Назначаются увеличенные размеры конструктивных элементов для компенсации их укорочений от продольной и поперечной усадки или производится подогрев листов с целью их удлинения перед сборкой на прихватках, а также натяжение листов перед сваркой, если они могут потерять устойчивость вследствие деформации укорочения, вызываемой усадкой. Деформации конструктивных элементов, обратные сварочным, могут быть созданы также путем пластического деформирования заготовок.

Рис. 2.56. Способы уменьшения сварочных деформаций

Создание напряжений растяжения в зоне шва изгибом или растяжением детали в приспособлении. При сварке по растянутому металлу (рис. 2.57) возникает меньшая усадочная сила, что обусловливает уменьшение остаточных деформаций.

Рис. 2.57. Схема сварки по растянутому металлу

Рациональная технология сборки и сварки. Существенное уменьшение остаточных деформаций и перемещений достигается за счет сборки-сварки в жестком приспособлении. При сварке без использования сварочных приспособлений минимальные суммарные деформации могут быть обеспечены путем выбора рациональной последовательности выполнения швов. Например, в двутавровой несимметричной балке (рис. 2.58) сначала сваривают швы 1, 2, а затем швы 3, 4.

Рис. 2.58. Рекомендуемая последовательность выполнения сварных швов при изготовлении двутавровой балки

Термическая правка осуществляется путем местного нагрева локальных участков изделия. Углеродистые стали нагревают газовым пламенем до 600 – 800 ^оС. Зоны нагрева имеют форму кругов (рис. 2.59), полос или клиньев. Нагретый участок стремится расшириться, однако окружающий его холодный металл ограничивает возможность расширения, в результате чего возникают пластические деформации сжатия. После охлаждения линейные размеры нагретого участка уменьшаются, что приводит к уменьшению или полному устранению деформаций.

Высокий отпуск в жестких зажимных приспособлениях. После сварки изделие зажимают в жестком приспособлении. При зажатии сварная конструкция упруго деформируются и приобретает правильную форму. После отпуска (для сталей при 550 – 650 °С) конструкция сохраняет форму, которая была ей придана в приспособлении.

Рис. 2.59. Участки нагрева (показаны кружками) при термической правке деформированной тавровой балки

Создание пластических деформаций удлинения в зоне сварного соединения осуществляется в зоне шва путем изгиба сваренного изделия, его растяжения, проковки, прокатки или осадки. В результате в сварной конструкции возникают деформации, противоположные по знаку сварочным.

Уменьшение остаточных сварочных напряжений производится с помощью ряда методов, применяемых в процессе сварки и после сварки. Рассмотрим наиболее широко используемые из них.

Общая термическая обработка изделия заключается в нагреве сварной конструкции до температуры, при которой предел текучести металла уменьшается настолько, что материал практически не оказывает сопротивления пластической деформации. В ходе такой деформации, обусловленной наличием внутренних сил в металле изделия, происходит релаксация сварочных напряжений. Например, для сварных соединений из углеродистых и низколегированных сталей применяют высокий отпуск при 600 – 650 ^оС (нагрев в печах или нагревательных колодцах до температуры отпуска, выдержка при этой температуре в течение 2 – 3 мин на 1 мм толщины металла и охлаждение, как правило, с печью или на выдвижном поддоне печи до температуры 300 ^оС с последующем охлаждением на воздухе) или нормализацию (нагрев до температуры 880 – 920 ^оС, выдержка в печи в течение 2 мин на 1 мм толщины металла и охлаждение на воздухе).

Местный отпуск используется в случае, когда проведение отпуска всей сварной конструкции невозможно по техническим или экономическим причинам. Местный отпуск, в отличие от общего, обеспечивает не полное снятие остаточных напряжений, а их существенное уменьшение. Нагревается только часть конструкции в зоне сварного соединения. При нагреве обеспечивают плавное изменение температуры в зоне перехода от ненагретой к нагретой части изделия. Для проведения местного отпуска наиболее часто используют накладные индукторы.

Предварительный или сопутствующий подогрев при сварке уменьшают перепад температур между участками сварного соединения, благодаря чему происходит снижение уровня остаточных напряжений. Например, при сварке углеродистых сталей подогрев до 200 – 250 °С снижает остаточные напряжения в стали не более чем на 30 – 40 %. С увеличением температуры подогрева остаточные напряжения снимаются эффективнее.

Температура предварительного подогрева зависит от химического состава, толщины металла и жесткости конструкции. Вопрос о температуре подогрева при сварке плавлением различных металлов и сплавов рассмотрен в гл. 3.

Подогрев может быть общим или местным. Общий подогрев используют при сварке изделий небольших размеров или непластичных материалов, например чугуна. При местном подогреве под сварку плавлением нагревают участок шириной не менее 40 – 50 мм от места будущего шва. Подогрев осуществляют газовым пламенем, индукционным способом или электрическими нагревателями.

Термомеханический метод. По обе стороны от шва изготовленного сварного изделия индукторами или движущимися газовыми горелками создают два пятна нагрева до температур 150 – 200 ^оС. Вслед за пятнами нагрева движутся душевые охладители. В результате в зоне шва создаются пластические деформации, обусловливающие снижение максимальных остаточных напряжений.

Проковка металла выполняется непосредственно после сварки по горячему металлу или в процессе остывания конструкции (для углеродистых сталей при температурах 450 ^оС и выше либо при 150 ^оС и ниже). Проковка осуществляется вручную молотком с закругленным бойком или пневматическим молотком с небольшим усилием. При многослойной сварке проковывают каждый слой, за исключением первого, в котором от удара могут возникнуть трещины. Созданная при проковке дополнительная пластическая деформация вызывает существенное снижение сварочных напряжений.

Приложение нагрузок к сварным соединениям производится во время сварки или после полного остывания изделия. Свариваемый элемент статически растягивается или изгибается с образованием растягивающих напряжений в зонах максимальных остаточных напряжений. Для практически полного снятия остаточных напряжений приложенная внешняя нагрузка должна вызывать текучесть всего сечения.

Вибрационная обработка сварной конструкции осуществляется на специальных вибростендах или с помощью вибраторов, закрепляемых непосредственно на сварной конструкции. Частота вибрации выбирается равной собственной резонансной частоте обрабатываемого сварного шва. Усилия, возникающие при обработке, вызывают пластическую деформацию в зоне сварного соединения, обусловливающую снижение остаточных напряжений. Применение вибрационной обработки наиболее эффективно для сварных изделий из тонколистового металла.

Вопросы для самоконтроля

1. Охарактеризуйте нагрузки и усилия, обусловливающие деформации сварной конструкции.

2. Какие виды перемещений наблюдаются в элементах сварных изделий?

3. Опишите разновидности деформаций изделия при сварке.

4. Что такое коробление сварной конструкции и с помощью каких мероприятий оно может быть уменьшено?

5. Как классифицируются напряжения в сварных конструкциях и чем обусловлено их возникновение?

6. Приведите примеры эпюр остаточных поперечных и продольных напряжений в различных сварных соединениях.

7. В чем заключается отрицательное действие остаточных сварочных напряжений и какие мероприятия применяют для их снижения?