Напряжения и деформации при сварке

1. Значение напряжений и деформаций в сварных конструкциях. По-
явление в деталях и конструкциях сварочных, или внутренних, напря-
жений, вызванных сваркой, опасно, так как, складываясь с напряжения-
ми, возникающими от приложения внешних усилий, они могут достигать
величин, превышающих допустимые. Тогда в сварных швах или около-
шовных участках могут возникнуть трещины, которые иногда приводят
к разрушению сварной детали или конструкции. *

Деформации или коробления, большие допустимых, требуют после­дующей правки или механической обработки, что значительно усложняет изготовление сварных конструкций и снижает экономичность применения сварки.

2. Причины возникновения напряжений и деформаций следующие: не-
равномерный нагрев основного металла; литейная усадка сварного шва
и изменения объема металла в зоне термического влияния при структур-
ных превращениях.

к л

Рис. У.Зб. Виды деформаций сварных изделий и некоторые способы снижения их.

Неравномерный нагрев основного металла вызван нагревом до высоких температур только той его части, которая граничит со сварным швом. Сво­бодному изменению ее объема препятствуют соседние, более холодные участки, вследствие чего в нагреваемых участках возникают напряжения сжатия, а в холодных — напряжения растяжения. Достигнув предела текучести, что, как правило, и происходит при сварке, нагретые участки подвергаются пластическим деформациям. При охлаждении металла в этих зонах возникают напряжения растяжения, которые являются остаточны­ми, или внутренними, напряжениями, способствующими появлению в сварных изделиях деформаций или короблений.

Литейная усадка металла шва может быть продольной и поперечной. Примером продольной может служить усадка, возникающая при сварке встык двух листов большой длины. При сварке вследствие продольной усадки уменьшается зазор между кромками листов. Когда они сходятся впритык, то при небольшой толщине листов начинают наползать один на другой (рис. У.Зб, а).

Примером поперечной усадки может быть сварка встык листов с У-образным раскрытием кромок. Так как объем наплавленного металла с широкой стороны шва больший, то и усадка здесь будет большей. Поэтому листы после сварки деформируются так, как это показано на рис. У.36, б.

Изменение объема металла из-за структурных превращений происхо­дит в зоне термического влияния главным образом при сварке металлов, склонных к закалке. Напряжения, возникающие при этом, могут быть столь значительными, что часто именно они являются причиной образо­вания трещин при сварке деталей из этих металлов.

3. Способы уменьшения напряжений и деформаций — предваритель­ный подогрев детали, а после сварки — отжиг или нормализация. Есть и другие способы.

Предварительный подогрев уменьшает разность температур между ненагретым и нагретым до высоких температур основным и расплавленным

присадочным металлом и снижает внутренние напряжения. Температура подогрева определяется свойствами металла. Так, при сварке различных сталей она составляет 100—600 ^вС, сварке чугуна — 500—800 °С, алю­миния — 250—270 °С, бронзы — 300—400 °С. Подогрев может быть об­щим и местным.

Отжиг после сварки снимает внутренние напряжения и повышает плас­тичность сварных швов. Стали, склонные к закалке, иногда отпускают после сварки при температурах 200—300 °С. Этим снимают напряжения от структурных превращений.

Для уменьшения деформаций применяют такие методы: обратных де­формаций, уравновешивания и равномерного распределения деформаций, жесткого закрепления и другие.

Метод обратных деформаций состоит в том, что детали перед сваркой устанавливают с учетом последующей деформации (рис. У.36, в) или де­формируют в обратном направлении (рис. У.36, г) на величину деформа­ции а, которую создает сварка.

Уравновешивание деформаций применяют при сварке Х-образных (рис. У.36, д) или тавровых (рис. У.36, е) соединений, а также при сварке труб, наплавке валов (рис. У.36, ж) и других деталей. При указанном (цифрами) на рисунках чередовании наложений последующие швы со­здают деформации, обратные тем, которые возникли в предыдущих. В ре­зультате такой метод сварки значительно уменьшает деформации.

Равномерное распределение деформаций достигают делением длин­ных швов на отдельные короткие участки, которые сваривают обратно-ступенчатым методом (рис. У.36, и). В этом случае деформация, образую­щаяся при непрерывной сварке (рис. У.36, /с), равномерно распределя­ется по всей длине шва и становится незначительной (рис. У.36, л).

Жесткое закрепление обычно используют, сваривая сложные детали. Тогда применяют специальные приспособления.

Жесткое закрепление препятствует короблению деталей тогда, когда усилия, возникающие при сварке, вызывают пластическую деформацию нагретого металла. По окончании сварки, несмотря на большие внутрен­ние напряжения, деформация не может сильно возрасти, так как вся система становится достаточно жесткой. Для снятия внутренних напряже­ний применяют отжиг.