Напряжение и деформация при сварке

Классификация напряжений

 
            Классификация напряжений, возникающих при сварке, может быть произведена по следующим признакам. 
           1. В зависимости от базы уравновешивания (т. е. от объема той области металла, которую напряжения охватывают) внутренние, так называемые собственные, напряжения могут быть разделены на три категории: первого, второго и третьего рода. 
Если напряжения действуют и уравновешиваются в крупных объемах, соизмеримых с размерами изделия или отдельных его частей, то их принято называть напряжениями первого рода. С такими напряжениями приходится встречаться в сварных судовых и машиностроительных конструкциях из простой малоуглеродистой стали (они и являются основным объектом изучения в настоящем курсе). Направление этих напряжений обычно связывают с геометрической формой изделия или направлением шва и соответственно напряжения называют продольными, поперечными и т. д. Напряжения, действующие и уравновешивающиеся в пределах одного или нескольких кристаллов (зерен) металла, называют микроскопическими, или напряжениями второго рода. Напряжения второго рода не имеют определенной ориентировки относительно осей изделия. 
           Напряжения, действующие между элементами (ячейками) кристаллической решетки металла, называются ультрамикроскопическими, или напряжениями третьего рода. Они также не ориентированы относительно осей изделия или шва. 
При практическом изучении сварки и сварных конструкций основное внимание уделяется напряжениям первого и частично второго рода, которые чаще встречаются и проявляются, а поэтому относительно лучше и полнее изучены. 
           2. В зависимости от периода действия сварочные напряжения разделяются на временные, которые называют также тепловыми, или температурными, и остаточные. 
Температурные напряжения в детали (системе) возникают при неравномерном распределении температуры по детали вследствие различия в степени расширения нагреваемых участков. После выравнивания температур различных участков системы температурные напряжения исчезают или же переходят в остаточные. Остаточными называются напряжения, сохраняющиеся в детали (системе) после окончания той или иной технологической операции. 
            Остаточные напряжения при сварке часто называют усадочными -от слова «усадка», т. е. сокращение объема при переходе металла (имеется в виду металл шва) из жидкого в твердое состояние. Это название следует признать весьма условным и не определяющим истинную причину возникновения напряжений. 
Усадочными явлениями иногда именуют всю совокупность деформирования конструкций и накопления в них напряжений под влиянием процесса сварки. 
           3. Напряжения первого рода от сварки в зависимости от обстоятельств их возникновения можно условно разделить на сварочные и реактивные. Сварочные напряжения возникают в самом шве от воздействия одних участков шва на другие и в других частях свободной конструкции от сокращения свариваемых швов. Сварочные напряжения, возникающие в зоне одного данного шва, назовем собственными сварочными (иногда их называют также активными напряжениями). Напряжения, возникающие в различных участках конструкции, свободной от внешних связей, а также в других швах в результате сварки данного шва, называют реактивными сварочными. 
            Кроме того, различают напряжения реактивные от внешних связей, когда конструкция сваривается при закреплении во внешнем контуре. Заметим, что в целой конструкции деление напряжении первого рода на сварочные и реактивные, строго говоря, условно. По существу, собственные сварочные напряжения, возникающие во всяком заваренном участке сварного шва, сами обусловлены противодействием холодных частей и предыдущих участков того же шва, т. е. их реакцией. 
Однако, рассматривая сварную конструкцию в целом, необходимо выделить отдельные виды напряжений, чтобы производить их количественную оценку и находить причины возникновения. 
           4. В зависимости от пространственного расположения напряжений первого рода в изделии напряженное состояние может быть: линейным (одноосным), плоским (двуосным) или объемным (трехосным). При этом делении предполагается, что компоненты напряжений, направленные соответственно по двум или трем осям, соизмеримы между собой. 
           5. Относительно направления шва или линии нагрева напряжения разделяются на продольные, действующие параллельно шву или линии нагрева, и поперечные, действующие перпендикулярно этим линиям. 
           6. Сварочные напряжения в зависимости от причин их возникновения разделяются на две группы: тепловые и структурные. Тепловые напряжения первого и второго рода возникают только вследствие расширения нагретых волокон металла. Структурные напряжения возникают в дополнение к тепловым, так как при переходе некоторых металлов (во время нагрева или охлаждения) из одного структурного состояния в другое объем кристаллов изменяется. Например, вследствие того, что мартенсит менее плотен, чем аустенит, распад аустенита у легированных сталей сопровождается расширением того участка, в котором появляется мартенсит, и образованием напряжений.

Напряжения и  деформации при сварке подробно рассмотрены  в специальной литературе (труды  Г. А. Николаева, Н. О. Окерблома, В. А. Винокурова и др.). Ниже приведены лишь общие положения и некоторые данные по этим вопросам.

В результате местного (неравномерного) нагрева металла, обусловленного воздействием концентрированного источника теплоты, в сварной конструкции возникают  временные и остаточные сварочные  напряжения. Временные сварочные  напряжения наблюдаются только в  определенный момент сварки в процессе изменения температуры. Напряжения, существующие после окончания сварки конструкции и полного ее остывания, называют остаточными сварочными напряжениями или сварочными напряжениями. Они  возникают в результате затруднений  расширения и сжатия металла при  его нагреве и остывании. Затрудненность расширения и сжатия металла обусловлена  тем, что нагретый участок со всех сторон окружен холодным металлом, размеры которого не претерпевают никаких  изменений. Реактивные остаточные напряжения возникают в связи с дополнительным закреплением свариваемых деталей (в приспособлении, при жестком  закреплении и т. п.), также препятствующим нормальному протеканию процессов  расширения и сжатия. Реактивные напряжения характеризуются неуравновешенной эпюрой напряжений.

Структурные напряжения возникают  в конструкции вследствие структурных  превращений участков металла околошовной зоны, нагретых в процессе сварки до температуры выше критических точек. Значительные по величине структурные напряжения возникают при сварке закаливающихся сталей, при охлаждении которых после сварки в околошовной зоне образуются мартенсит-ные, имеющие наибольший удельный объем структуры.

Различают сварочные напряжения трех родов. В сварных конструкциях из низкоуглеродистых и низколегированных  сталей в основном развиваются сварочные  напряжения первого рода. Они действуют  и уравновешиваются в значительных, соизмеримых с размерами конструкции  или отдельных ее деталей, объемах. При определенных условиях возможно возникновение сварочных напряжений второго и третьего родов —  действующих и уравновешивающихся в пределах отдельных зерен металла.

В зависимости от пространственного  расположения и взаимодействия различают  сварочные напряжения: линейные или  одноосные, действующие только по одной  оси в одном направлении (рис. 4-14, а), плоскостные или двухосные, действующие в двух направлениях (рис. 4-14, б), и объемные или трехосные, действующие в трех направлениях (рис. 4-14, в). По направлению действия различают продольные и расположенные поперек оси шва линейные сварочные напряжения (рис. 4-15).

Рис. 4-14. Различные виды напряженного состояния; напряжения:  
а - линейные; б - плоскостные;  
в - объемные сварочные

Рис. 4-15. Продольные (1) и поперечные (2) напряжения в сварном соединении

Практика эксплуатации сварных конструкций показывает, что в большинстве случаев  сварочные напряжения не снижают  несущей способности конструкций. По вопросу о влиянии, оказываемом  сварочными напряжениями на работоспособность  сварной конструкции, нет единого  мнения. Большинство исследователей приходит к выводу о том, что линейные сварочные напряжения не снижают  прочности сварных конструкций  ни при одном из видов нагрузок (статической, вибрационной, ударной), если металл, из которого изготовлена  конструкция, в процессе ее эксплуатации находится в пластическом состоянии. Однако, если металл находится в хрупком состоянии, т. е. не способен к пластическому деформированию, наличие даже линейных сварочных напряжений может привести к снижению несущей способности конструкции.

Даже такой пластичный металл, как низкоуглеродистая сталь, при определенных условиях (низкая температура, резкая концентрация напряжений, наличие дефектов) может находиться в хрупком состоянии. Недостаточно ясно также влияние на прочность  конструкции сварочных напряжений с плоскостным и объемным характером распределения. Большинство исследователей считают, что и при этом не происходит снижения прочности конструкции  при статической (в чистом виде) нагрузке и пластичном состоянии металла.

Технологию сварки и  сборки конструкции следует разрабатывать  с учетом обеспечения минимальной  величины сварочных напряжений, и  там, где это диктуется условиями  работы конструкции, предусматривать  снятие этих напряжений. При этом следует  учитывать, что снятие сварочных  напряжений — весьма трудоемкая и  сложная операция, и к ней следует  прибегать только при действительной, технически обоснованной необходимости. Если значения сваролных напряжений достигнут предела текучести металла, они вызовут его пластическую деформацию, а следовательно, и изменения размеров и формы свариваемой конструкции, т. е. ее деформацию (коробление).

Классификация деформаций.

            Классифицировать сварочные деформации сложнее, так как как даже при сварке простейших элементов приходится иметь дело со сложной деформацией, происходящей одновременно в нескольких направлениях. 
             Деформации могут происходить по двум причинам: 
            1) из-за внешнего силового воздействия, под влиянием которого элемент испытывает, например, растяжение, сжатие или другой вид напряженного состояния, приводящего к смещению одних частиц элемента относительно других; 
           2) из-за изменения внутреннего температурного состояния элемента (степени нагрева). При повышении температуры элемент расширяется (его в это время ничто не растягивает), а при понижении температуры сокращается. 
           Разграничение этих понятий (растяжения, расширения, сжатия и сокращения) важно для дальнейшего изложения. 
          Следует различать два вида деформаций по причинам возникновения и характеру проявления: 
          1) внутренние деформации, происходящие на отдельных участках элемента, но удовлетворяющие условию сплошности тела; 
          2) внешнее формоизменение, которое может быть весьма разнообразным. 
Внутренние деформации имеют место, например, при нагреве участка внутри жесткой конструкции. Форма конструкции от этого нагрева не изменится, но некоторые частицы внутри конструкции от расширения сместятся одни относительно других. 
          Внешнее формоизменение наблюдается или при нагреве свободного от связей элемента, или же при приложении к нему внешних сил; при этом наружные контуры детали смещаются одни относительно других. 
           Вид деформации (или одновременное проявление обоих видов) зависит от причины возникновения деформаций и от условий закрепления тела или его частей (элементов). 
           Внутренние деформации можно (в первом приближении) считать связанными с возникающими напряжениями по известным уравнениям теории упругости и теории пластичности. Однако, поскольку при сварке происходит изменение механических свойств материала в очень широких пределах, то зависимость между напряжениями и внутренними деформациями оказывается значительно более сложной. Внутренние деформации по своей величине и обратимости могут быть разделены на упругие и пластические, как это вытекает из физических свойств свариваемых металлов. 
Формоизменение может быть выражено сокращением, изгибом кручением или угловым искажением всей конструкции или ее участков. Этот вид сварочных деформаций принято разделять на местные деформации, т. е. относящиеся к отдельно элементу или участку конструкции, и общие, относящиеся к целой конструкции на всем ее протяжении. Соответственно говорят, например, «общие деформации изгиба», «местные угловые деформации» и т. д. 
Внешнее формоизменение конструкции может происходить без возникновения внутренних напряжений в случае, если элементы перемещаются свободно, не встречая препятствий. 
В практике изготовления металлических конструкций из листового и профильного материала внешнее формоизменение принято разделять на деформации в плоскости элемента и деформации с отклонением из плоскости, которые обобщают словом «коробление». Деформации в плоскости листов могут быть разделены на продольные и поперечные укорочения и деформации изгиба, в зависимости от направления их относительно шва или линии прогрева. Деформации из плоскости проявляются в виде общего изгиба элементов или в виде «угловых деформаций», т. е. местных сломов на листах, поперечных или продольных волн и выпучин.

 

Деформации деталей конструкции  при сварке происходят вследствие образования  внутренних напряжений, причинами которых  являются (рис.2.7.):

1. Температурные  деформации из-за местного нагрева  изделия; 

2. Усадка наплавленного  металла;

3. Фазовые превращения,  происходящие в металле при  охлаждении.

В результате местного нагрева  при сварке происходит значительное местное расширение металла, в то время как остальная часть  изделия остается в холодном состоянии. Это приводит к образованию внутренних напряжений и к изгибам элементов  конструкции.

 

 

Усадка металла, происходящая вследствие уменьшения объема жидкого  металла при затвердевании, является второй по значимости причиной появлений  внутренних напряжений.

 

Фазовые превращения при  охлаждении нагретого при сварке металла также сопровождаются относительно небольшим изменением объема металла. Так для сталей переход a - железа в g -железо вызывает изменение объема примерно на 1 %., это (третья причина) также приводит к образованию внутренних напряжений.

 

 

Деформации изделия при  сварке ( рис. 2.8) могут быть уменьшены правильным выбором вида сварки и технологии её осуществления. Сварка, при которой изделие получает сосредоточенный нагрев, например, электродуговая сварка, вызывает коробления меньше, чем сварка, при которой нагревается значительный участок детали, например, сварка газовым пламенем. Деформации при сварке плавлением больше, чем при сварке давлением.

Некоторое уменьшение коробления изделия достигается отводом  тепла со свариваемого участка подкладыванием медной пластинки с обратной стороны  шва, прикладыванием около шва асбеста, смоченного водой и т.п.

 

          Коробление можно уменьшить и путем уравновешивания образовавшихся деформаций. При этом способе места соединения деталей разбивают на участки, сварка которых ведется в таком порядке, чтобы деформации, получаемые при сварке на отдельных участках, были равны по величине и противоположны по направлению. Например, при сварке двутавровой балки из трех частей можно применять очередность сварки отдельных участков, показанную на рисунке 2.9.

Значительное уменьшение деформации достигается способом обратноступенчатой сварки. При этом способе кромки деталей, подлежащие сварке, делят на части, которые сваривают в последовательности, показанной на рисунке 2.10. Коробление изделия в данном случае получается значительно меньше, т.к. деформации коротких швов не в состоянии вызывать значительную деформацию всего изделия.

Уменьшить коробление свариваемых  изделий можно также способом обратных деформаций. Он заключается  в том, что соединяемые детали предварительно отгибают в сторону, обратную сварочным деформациям (рис. 2.11). В процессе сварки они принимают  требуемую, или очень близкую  к требуемой, форму.

 

Широко применяется также  способ жесткого закрепления свариваемых  деталей при помощи специального приспособления или путем прихватки, т.е. предварительной сварки кромок в нескольких точках по длине сварки.

Полностью избежать деформаций при сварке не удается, но уменьшить  их до приемлемых значений можно за счет использования следующих конструкторских  и технологических мероприятий:

-рациональной конструкции  сварного узла;

-припуска на  усадку шва по размерам и  форме изделия;

-рациональной сборки  и подготовки к сварке;

-выбора наиболее  рационального способа сварки;

-предварительного, сопутствующего и последующего  подогрева изделия;

-проковки зоны  сварного шва (в горячем состоянии  или после остывания);

-механической правки;

-термической правки;

-общей термообработки  сварного изделия.

На 85 …90% остаточные напряжения при сварке снижаются при высоком  отпуске сварных конструкций (нагрев до 550… 680° С и охлаждение на воздухе). При местном отпуске нагревается часть конструкции около сварного соединения; после остывания ее остаточные напряжения останутся, но будут меньшие по величине. Иногда проводят поэлементный отпуск отдельных сборочных элементов конструкции, а после этого окончательная сборка конструкции.

Снижение деформаций происходит при проковке металла после сварки по горячему металлу или после  полного остывания детали.

Наиболее эффективными являются конструкторские и технологические  мероприятия до сварки: рациональное конструирование изделия, обоснование  минимально допустимых размеров швов, выбор способов сварки с наименьшими  погонными энергиями, предотвращение одностороннего расположения сварных  швов, использование соединений с  отбортовкой кромок вместо нахлесточных или стыковых соединений, выбор рациональной последовательность сварки.

Газовым пламенем или другими  способами после сварки иногда проводят местный нагрев тех зон, последующая  усадка которых также уменьшает  деформации изделия.

Причины возникновения  и характеристика сварочных напряжений и деформаций. Неравномерный разогрев изделия при сварке порождает неравномерную температурную деформацию его. Монолитность материала изделия препятствует свободной температурной деформации отдельных частей его, в результате чего во время сварки образуются напряжения и пластическая деформация части металла соединения, а после охлаждения в изделии остаются сварочные напряжения и деформации. Оставшиеся после сварки напряжения и деформации называются термическими сварочными. Эти напряжения, не связанные с действием внешних сил, являются внутренними, собственными напряжениями первого рода, уравновешиваемыми в объеме элемента и вызывающими его деформацию. Помимо термических сварочных напряжений в соединении могут существовать напряжения структурные, получающиеся в результате быстрого охлаждения соединения и появления переохлажденных структур, не свойственных данному температурному состоянию изделия, например мартенсита. Структурные напряжения сильно зависят от свойств материала и технологии сварки, термические сварочные напряжения и деформации - от конструктивного решения и технологии сварки.