Посетите наш стенд на 11-ой выставке сварочных материалов, оборудования и технологий WELDEX/Россварка 2011г.

Как до нас доехать:

Причины и механизм возникновения сварочных напряжений и деформаций

Для уяснения причин возникновения тепловых напряжений и деформаций при сварке рассмотрим несколько примеров.

Возникновение реактивных напряжений (рис. 16). Две пластины, из которых одна не закреплена (рис. 16, б), а вторая жестко закреплена с обоих концов (рис. 16, в), подвергаются местному нагреву и последующему охлаждению. Первая нагреваемая пластина удлиняется на какую-то величину Δl, зависящую от коэффициента линейного расширения материала пластины, а также от времени нагрева и длины нагретой зоны (напомним, что коэффициентом линейного расширения называется величина в мм, на которую удлиняется металлический стержень длиной 1 м при нагревании его на 1o). Коэффициенты линейного расширения различных металлов в различных температурных интервалах неодинаковы. При последующем охлаждении пластины до исходной температуры она укоротится на ту же величину Δl и приобретает свои первоначальные размеры. При этом в пластине не будет никаких остаточных напряжений.

Жестко закрепленная пластина при нагреве не может свободно удлиняться, поэтому в ней возникнут сжимающие напряжения, т. е. пластина будет сжата.

Если нагрев достаточно высок и сжимающие напряжения в пластине превзойдут предел текучести нагретого металла, то в наиболее нагретом участке произойдет пластическая деформация сжатия и пластина здесь станет толще. Прирост объема утолщенной части этой пластины будет равен объему удлиненной части первой пластины, нагреваемой до такой же температуры.

Отметим, что напряжение, необходимое для пластической деформации нагретого металла, значительно ниже напряжения, требующегося для пластической деформации холодного металла, так как с повышением температуры предел текучести всех металлов понижается.

При последующем охлаждении пластина должна была бы укоротиться, однако этому препятствует закрепление, в связи с чем в ней по всей длине возникнут реактивные растягивающие напряжения. Величина этих напряжений тем больше, чем больше была температура нагрева, коэффициент линейного расширения металла и зона разогрева, т. е. чем больше была величина и зона пластической деформации пластины при нагреве. Вместе с тем величина собственных напряжений, возникающих в теле, не может быть выше предела текучести данного материала, так как при достижении предела текучести эти напряжения уменьшаются вследствие затраты энергии на пластическую деформацию. Таким образом, собственные (тепловые) напряжения в теле при максимальном его нагреве будут тем больше, чем выше предел текучести металла данного тела.

Возникновение остаточных напряжений. Для уяснения процесса возникновения остаточных напряжений рассмотрим следующие примеры. В стальном листе 1 (рис. 16, г) значительной толщины сделан вырез. В этот вырез плотно вставлен стержень 2. При местном нагреве стержень не сможет удлиняться, так как его концы упираются в края выреза, поэтому в нем будут возникать сжимающие напряжения. При увеличении этих напряжений до предела текучести нагретого металла стержень будет претерпевать пластическую деформацию сжатия, в результате чего он станет толще. При последующем остывании стержень начнет укорачиваться, и между его концами и краями выреза появится зазор, равный величине, предшествующей продольной пластической деформации сжатия. В этом случае остаточных напряжений в стержне не будет; в нем сохранится лишь остаточная пластическая деформация сжатия. Если вырез в листе сделать так, чтобы стержень 2 составлял одно целое с листом (рис. 16, д), то при нагреве стержня и последующем его остывании в нем появятся остаточные растягивающие напряжения, так как возможность свободного укорочения стержня в этом случае исключена. Вместе с тем в напряженном состоянии окажутся и участки листа, расположенные по другую сторону выреза, причем эти участки будут находиться в состоянии сжатия.

Аналогичное явление произойдет и при местном нагреве целого листа на каком-либо участке, например Т (рис. 16, е). Нагреваемый участок Т будет находиться в тех же условиях, что и стержень 2 (см рис. 16, д), т. е. при нагреве получит остаточную деформацию от сжимающих напряжений, а при последующем остывании в нем возникнут остаточные растягивающие напряжения. Эти напряжения будут наибольшими в месте максимального нагрева; по мере удаления от места нагрева они уменьшаются до нуля, переходя за линией 0-0 в напряжения сжатия. Сжимающие напряжения на некотором участке листа возрастают, а затем уменьшаются. Кривая, очерчивающая распределение остаточных напряжений в листе, называется эпюрой напряжений. Растягивающие напряжения принято обозначать знаком плюс (+), а сжимающие - знаком минус (-).

img16

(рис. 16) Схемы, иллюстрирующие возникновение остаточных сварочных напряжений и деформаций в металле: а — кривая распределения максимальных температур в соединении при дуговой сварке, б — металлическая пластина, нагреваемая в незакрепленном состоянии, в — пластина, нагреваемая в закрепленном с обоих концов состоянии, г — лист с плотно вставленным нагреваемым стержнем, д — лист, изготовленный за одно целое с нагреваемым стержнем, е — лист, нагреваемый на участке Т

В случае местного нагрева до расплавления металла (при сварке плавлением) к остаточным растягивающим напряжениям, вызванным предшествующей пластической деформацией сжатия, добавляются растягивающие усадочные напряжения, обусловленные усадкой затвердевающего металла. Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании металл становится более плотным, вследствие чего объем его уменьшается. Различные металлы имеют различную усадку.

Из рассмотренных примеров видно, что при местном нагреве стального листа в нем возникают остаточные напряжения. Если лист достаточно жесткий и под действием возникающих напряжений не изменяет форму, то местный нагрев вызовет в нем после остывания лишь остаточные напряжения. Если лист недостаточно жесткий, то в результате местного нагрева и возникновения тепловых напряжений он изменит форму и размеры, т. е. покоробится. При этом собственные напряжения в таком листе либо вовсе не сохранятся, либо будут значительно меньшими, чем в жестком (толстом) листе, не изменившем формы.

Процесс возникновения реактивных и остаточных сварочных напряжений по своей природе и причинам, их вызывающим, одинаков.

Величина остаточных сварочных напряжений или деформаций будет тем больше, чем больше сечение шва, свариваемого за один проход, т. е. больше сварочный ток и меньше скорость сварки (чем больше погонная энергия сварки). Кроме того, величина напряжений будет тем больше, чем больше разность температур между нагреваемыми и холодными участками металла при сварке. При сварке на морозе эта разность значительно больше, чем при сварке на тех же режимах летом, поэтому в первом случае величина возникающих напряжений и скорость их роста будет большей, чем во втором случае.

Под действием быстро возникающих напряжений в соединениях, свариваемых при отрицательных температурах, могут образовываться трещины. Для предотвращения образования трещин даже мягкие стали рекомендуется сваривать при температурах не ниже —10—15°С. Если температура воздуха ниже —15°С, необходимо применять предварительный и сопутствующий подогрев изделий до температур 100—200°С (причем, чем толще свариваемый металл, тем выше должна быть температура подогрева).

Возникновение закалочных (структурных) напряжений. Если свариваемая сталь склонна к закалке с образованием мартенсита, то в сварном соединении, наряду с тепловыми напряжениями, возникают объемные структурные напряжения. Причина их возникновения состоит в следующем. Основной металл, расположенный по обе стороны от шва и нагреваемый при сварке выше определенных для данной стали (так называемых критических) температур Ас1 и  Ас3, претерпевает структурные превращения. Коэффициент теплового расширения стали в интервале температур до Ас1составляет 0,000012, а выше Ас1 — 0,000020. Поэтому структурные превращения при нагреве стали сопровождаются уменьшением объема, а при охлаждении — увеличением объема. На рис. 17 графически показано изменение объема стали в зависимости от температуры нагрева и охлаждения. Кривая 1 характеризует изменение объема при нагреве стали всех сортов независимо от склонности к закалке, кривая 2 характеризует изменение объема при охлаждении иезакаливающихся сталей, а кривая 3 — легированных закаливающихся сталей. Как видно из рисунка, в интервале температур до Ас1 и свыше Ас3 объем незакаливающейся стали изменяется пропорционально температуре, но с различным коэффициентом пропорциональности: в интервале температур выше 600°С до Ас3 наблюдается скачкообразное изменение объема стали вследствие структурных превращений.

Однако благодаря тому, что при этих температурах сталь находится в пластичном состоянии и ее пределы упругости и текучести близки нулю, изменение объема не вызывает появление в ней остаточных напряжений.

img17

(рис. 17) Кривые изменения объема иезакаливающихся (1, 2) и закаливающихся (3) сталей при их нагреве и охлаждении (схема): Ас1 — критическая температура начала образования аустенита при нагревании стали, Ас3 — критическая температура конца образования аустенита при нагревании стали

Иное происходит при охлаждении высокоуглеродистых или легированных закаливающихся сталей (кривая 3 на рис. 17). Аустенит в этих сталях склонен к переохлаждению и распадается при более низких температурах. В зависимости от содержания углерода и других элементов, повышающих закаливаемость стали, а также от скорости охлаждения аустенит может переохлаждаться до температур 350 и 200°С, при которых металл находится в упругом состоянии и обладает сравнительно высоким пределом текучести.

Превращение аустенита в мартенсит при этих температурах сопровождается резким увеличением объема; вследствие пониженной пластичности металла в нем возникают остаточные сжимающие напряжения, называемые в данном случае структурными. Структурные напряжения называют напряжениями высшего порядка.

На рис. 18 схематически показано распределение продольных остаточных напряжений в стыковом и тавровом соединениях листов из низкоуглеродистой незакаливающейся стали. Растягивающие напряжения максимальны в металле шва и в основном металле вблизи шва по обе его стороны; по мере удаления от шва растягивающие напряжения уменьшаются и затем переходят в сжимающие.

img18

(рис. 18) Схема распределения продольных тепловых остаточных напряжений в соединениях из незакаливающихся сталей: а — в стыковом, б — в тавровом

В сварном соединении из закаливающихся сталей график распределения продольных напряжений (рис. 19) более сложен. Благодаря возникновению дополнительных структурных напряжений в металле околошовной зоны наблюдается более резкий и двойной переход от растягивающих к сжимающим и от сжимающих к растягивающим напряжениям.

img19

(рис. 19) Схема распределения продольных остаточных напряжений в стыковом сварном соединении из закаливающейся стали: а — стыковое сварное соединение, б — эпюра продольных напряжений в таком соединении

Распределение поперечных остаточных напряжений в стыковом соединении показано на рис. 20, а. Если стык разрезать по длине шва, то под действием поперечных и продольных напряжений листы подвергнутся деформации, как это показано на рис. 20, б.

img20

(рис. 20) Схема распределения поперечных сварочных напряжений по длине стыка (а) и деформация листов после разрезания стыкового соединения вдоль сварочного шва (б)

Распределение усадочных поперечных напряжений в металле шва по его сечению неравномерно (рис. 21). В верхней части шва, где объем наплавляемого металла наибольший, образуются наибольшие растягивающие поперечные напряжения, которые уменьшаются и переходят в сжимающие в середине сечения шва. Усадочные поперечные напряжения так же, как и продольные, суммируются с тепловыми напряжениями. Наряду с плоскостными (продольными и поперечными) напряжениями при сварке толстостенных элементов образуются дополнительные остаточные напряжения, направленные по толщине свариваемых элементов. Совокупность этих напряжений с плоскостными создает в металле шва и в околошовной зоне объемно-напряженное состояние, что иногда приводит к образованию трещин и уменьшению срока эксплуатации изделия.

img21

(рис. 21) Распределение по высоте шва поперечных остаточных напряжений, вызванных его усадкой при затвердевании

Опыт эксплуатации сварных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, а также специальные исследования показали, что остаточные сварочные напряжения оказывают сильное влияние на работоспособность сварных соединений лишь в том случае, когда сварные швы имеют дефекты — трещины, непровары, подрезы, поры и др. В этом 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 быть также опасными, если сварные изделия изготовлены из закаливающихся сталей и эксплуатируются в нетермообработанном состоянии (без отпуска). Собственные напряжения и хрупкие структуры металла в околошовной зоне и шве могут явиться причиной разрушения конструкции, тем более, если она при эксплуатации испытывает ударные внешние нагрузки.

Если конструкция изготовлена из пластичных металлов и сварные швы не имеют дефектов, то сварочные напряжения не оказывают заметного влияния на ее работоспособность. Поэтому при сварке изделий 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.

На рис. 22 показаны деформации некоторых листовых конструкций, сваренных в незакрепленном состоянии. Стыковые и угловые соединения под действием поперечных напряжений деформируются в сторону большего сечения шва, т. е. в направлении максимальных напряжений. Наряду с этим сварные элементы деформируются в направлении действия продольных тепловых и усадочных напряжений, образующихся в шве.

img22

(рис. 22) Деформация (коробление) различных соединений, свариваемых в свободном состоянии: а - стыкового с односторонним швом, б - углового с наружным швом, в - таврового с одной полкой, г - таврового с двумя полками (двутавра)

Величина короблений свариваемых элементов в значительной степени зависит от концентрации нагрева при сварке и скорости теплоотвода. Чем больше концентрация нагрева и лучше теплоотвод, тем меньше объемы металла нагреваются до пластичного состояния и претерпевают остаточную пластичную деформацию сжатия и, следовательно, тем меньше будет коробиться свариваемое изделие. Так, например, при газовой сварке тонколистовой металл коробится значительно больше, чем при ручной дуговой сварке. При сварке в углекислом газе с применением тонкой электродной проволоки величина короблений изделий наименьшая.