Сварочные напряжения и деформации
Сварка, как и другие способы обработки металлов (литье, прокатка, штамповка, термическая обработка), вызывает в изделиях сварочные напряжения и деформации. Собственными напряжениями называют напряжения, которые существуют в изделии без приложения внешних сил. Собственные напряжения различаются по времени существования, характеру распределения, объему изделия и направлению в пространстве.
По первому признаку собственные напряжения возникают в изделиях при неравномерном нагреве. Если при этом напряжения в любом объеме изделия не превысят предела упругости, они исчезают после охлаждения изделия. Остаточные напряжения остаются в изделии после исчезновения вызванной их причиной. Эти напряжения также возникают при сварке вследствие неравномерного нагрева изделия. Однако на отдельных участках изделия должны быть термопластические деформации или структурные превращения. Эти необратимые пластические деформации или структурные превращения, сопровождающиеся изменением удельных объемов, при сварке в большинстве случаев бывают в околошовной зоне или в шве.
По второму признаку собственные сварочные напряжения классифицируют в зависимости от величины объема, в котором они уравновешиваются.
Собственные напряжения первого рода уравновешиваются в объемах, соизмеримых с целым изделием. Величины напряжений первого рода могут быть определены расчетным путем (приблизительно) или экспериментально, причем последний способ в практических целях является предпочтительнее.
Собственные напряжения второго рода уравновешиваются в микрообъемах тела, соизмеримых с размерами одного или нескольких зерен, не имеют определенной ориентировки и не зависят от формы изделия. Величину этих напряжений можно определить рентгенографированием.
Собственные напряжения третьего рода связаны с искажением кристаллических решеток и уравновешиваются в крайне малых объемах.
Эти напряжения не ориентированы определенным объемом и не зависят от формы и размеров изделия. Величину напряжений третьего рода также определяют рентгенографированием.
Расчетными инженерными напряжениями являются напряжения первого рода. Особенности этих напряжений, механизм их возникновения и влияния на прочность сварных конструкций изучены достаточно полно. В дальнейшем при рассмотрении вопросов сварочных напряжений речь будет идти только о напряжениях первого рода.
По направлению в пространстве собственные напряжения классифицируют на одноосные, двухосные (плоскостные) и трехосные (объемные). Собственные сварочные напряжения, строго говоря, всегда являются объемными. Однако во многих случаях составляющие собственных объемных напряжений, действующих по одной или двум осям, малы по величине и ими пренебрегают. В этих случаях условно считают собственные напряжения соответственно плоскостными (сварка тонких листов) или одноосными (сварка стержней). Напряжения, действующие вдоль сварного шва, называют продольными; действующие перпендикулярно к продольной оси шва в плоскости свариваемых элементов, называют поперечными.
Независимо от характера распределения собственные напряжения в любом сечении, полностью пересекающем тело, всегда уравновешены.
Сварочные напряжения и деформации — механизм образования и причины их возникновения
Сварка протекает в широком интервале температур: от температуры окружающей среды до 3000-4000ᴼС. При этом интенсивному нагреву подвергаются небольшие объемы металла – швы и околошовная зона. С удалением от оси шва температура нагрева снижается, периферийные участки свариваемых изделий могут вообще не подвергаться нагреву. Через определенный промежуток времени после начала сварки в теле изделия наступает предельное температурное состояние, характеризующееся постоянным расположением изотерм в металле относительно источника тепла. После наступления предельного температурного состояния изотермы и источник тепла движутся с одинаковой скоростью, и различные сечения обвариваемого изделия претерпевают в разные моменты времени одинаковые температурные состояния.
Графическое изображение подвижного температурного поля предельного состояния показано на рис 2 .
Как видно, неравномерность нагрева пластины очень высока.
Равномерный нагрев и охлаждение лежащего элемента не вызовут появления в нем ни временных напряжений в процессе нагрева, ни остаточных напряжений после охлаждения. Однако, если элемент закреплен, то даже равномерный его нагрев вызывает появление в элементе напряжений. Если возникающие напряжения не превысят предела упругости, то к моменту полного охлаждения элемента (до исходной температуры) они исчезают. Если напряжение в каком-либо объеме элемента превысит предел упругости и достигнут величины предела текучести, то в элементе появятся после его охлаждения остаточные напряжения. Аналогичным образом возникают остаточные напряжения, если элемент не имеет внешних закреплений, но нагревается или охлаждается неравномерно , как это происходит при сварке. Роль закрепления в этом случае играют ненагретые части элемента.
При рассмотрении механизма сварочных напряжений необходимо иметь ввиду, что механические свойства металлов зависят от температуры. Например, предел текучести низкоуглеродистой стали при нагреве постепенно понижается. В интервале температур 500-600ᴼС величина этой характеристики резко уменьшается. Практически можно принять, что при нагреве свыше 600 ᴼС низкоуглеродистая сталь имеет предел текучести , близкий к нулю.
Рассмотрим механизм возникновения собственных напряжений и деформаций при наплавке валика на поверхность стального листа. Примем следующие допущения, в принципе не искажающие происходящие при наплавке физические явления: валик накладывается одновременно на всю длину листа. В процессе наложения валика нагреву подвергается только центральная часть пластины l ( рис 3 а, заштрихована), края пластины ll и lll остаются ненагретыми. Допустим также, что полоса l по толщине нагревается равномерно.
В какой-то момент времени после наложения валика в полосе l наступит тепловое равновесие и температура нагрева достигнет величины Т. Если бы волокна полосы l не были связаны с волокнами полос ll и lll, то полная длина полосы l вследствие нагрева до температуры Т стала бы равной
Где, α – коэффициент теплового расширения (принимают постоянным).
Однако такая связь имеется, и все три полосы пластины могут деформироваться только совместно. Поэтому полоса l удлинится до величины l2 , меньшей l1 (рис 3 б). Вместе с ней удлинятся настолько же полосы ll и lll, которые в этом случае будут играть роль связей препятствующих тепловому удлинению полосы l . Следовательно, в процессе нагрева в полосе l возникнут напряжения сжатия, в полосе ll и lll – напряжения растяжения. Если в процессе нагрева напряжения сжатия в полосе l превысит предел упругости и достигнет предела текучести (что имеет место на практике при сварке и наплавке), то полоса претерпит пластическую деформацию сжатия, равную Δ lпл.
При охлаждении полоса l будет стремиться укоротиться на величину полученной деформации сжатия Δ lпл, но этому препятствуют полосы ll lll. После полного охлаждения лист в целом получит усадку Δ lост, меньшую , чем Δ lпл. Вместе с этим в полосе l возникнут остаточные напряжения растяжения, в полосах ll и lll — остаточные напряжения сжатия. После остаточных сварочных напряжений в листе в целом будет находиться в равновесии.
Остаточные напряжения равны по величине и обратны по знаку временным напряжениям, имевшим место в период нагрева и исчезнувшим вследствие протекающих пластических деформаций. Упрощенные эпюры временных и остаточных напряжений показаны на рис 3, б и в. В действительности, при сварке и наплаве распределение температур в элементе подчиняется более сложному закону, рис 2, б. Являясь функцией температуры, тепловые деформации и, следовательно, временные и остаточные напряжения также распределяются по сечениям элемента по более сложным законам. Тем не менее при любом случае сварки и наплавки (плавлением) в сварном изделии практически всегда можно выделить участки, где будут протекать пластические деформации и возникнут остаточные сварочные напряжения, равные пределу текучести материала или близкие к нему. Чаще всего это участки шва в околошовной зоны. Протяженность этих участков зависит от многих факторов, в числе которых можно назвать режимы сварки и геометрические размеры изделия.
Сварочные напряжения и деформации — структурные превращения
Нагрев металла при сварке и наплавке вызывает не только температурные объемные изменения, но и структурные превращения. Эти превращения также приводят к объемным изменениям и возникновению в ряде случаев остаточных (структурных) напряжений.
Механизм возникновения структурных напряжений можно представить следующим образом. Околошовная зона подвергается нагреву до температур, превышающих Ас1 и Ас2 *. В интервалах этих температур имеет место аустенитное превращение, связанное с уменьшением удельного объема , рис 4,
кривая l. Низкоуглеродистые стали при этих температурах пластичны, и происходящие объемные изменения не сопровождаются образованием напряжений в металле. При охлаждении распад аустенита у низкоуглеродистых сталей происходит примерно в том же интервале температур, вследствие чего и это фазовое превращение не вызывает возникновения внутренних напряжений рис1, кривая 2.
При охлаждении легированных сталей распад аустенита может сопровождаться образованием мартенситной фазы. Образование мартенсита связано с увеличением объема, рис 4, кривая 3. В зависимости от химического состава и скорости охлаждения распад аустенита и образование мартенсита могут иметь место при низких температурах, когда сталь находится в упругом состоянии. В этом случае расширению объемов с образовавшейся структурой мартенсита препятствуют участки, не претерпевшие структурных превращений.
Поэтому в объемах со структурой мартенсита возникают остаточные напряжения сжатия.
Возникновение структурных остаточных напряжений при сварке закаливающихся сталей существенно изменяет характер распределения сварочных напряжений.
Например при сварке стали 35ХН3М в шве и околошовной зоне возникают остаточные напряжения сжатия вместо растягивающих напряжений, которые имели бы место пари отсутствии структурных превращений.
Влияние остаточных сварочных напряжений на прочность сварных соединений и конструкций
Напряжения, возникающие при сварке, часто достигают в отдельных участках сварочного соединения величины предела текучести. Иначе говоря, в сварном изделии, действуют напряжения, превышающие допустимые, еще до приложения к ней полезной нагрузки. Прочность сварной конструкции может оказаться выше расчетной , когда остаточные сварочные напряжения и рабочие напряжения разного знака взаимно компенсируются. При этом остаточные сварочные напряжения являются резервом повышения прочности сварной конструкции.
При статической нагрузке остаточные сварочные напряжения не влияют на прочность сварных соединений и конструкций, когда металл сохраняет способность пластически деформироваться. Если напряжения от внешней нагрузки складываются с остаточными напряжениями, наступает местная пластическая деформация, в результате которой увеличения напряжений выше предела текучести не происходит. Местная текучесть обычно захватывает небольшие участки сварного соединения и не исчерпывают пластических свойств металла.
В результате местной текучести прочность, а также геометрические размеры соединения или конструкции не изменяются или изменяются незначительно, однако это явление не желательно в конструкциях точных станков и приборов.
Металл утрачивает способность пластически деформироваться в следующих случаях:
— при наличии объемного поля остаточных сварочных напряжений (большая толщина, закрепление изделия по трем осям). В этом случае при сложении объемных остаточных напряжений с рабочими разрушение может произойти до появления пластической деформации, так как металл переходит в хрупкое состояние. Следует отметить, что плоское поле остаточных напряжений также снижает способность металла пластически деформироваться, хотя и в меньшей степени;
— при наличии резкого концентратора напряжений (острый надрез, непровар, наплавный переход от одного сечения к другому), расположенного поперек действия растягивающих остаточных и рабочих напряжений;
— при низкой температуре, которая может перевести металл в хрупкое состояние.
Металл с низкими пластическими свойствами склонен к переходу в хрупкое состояние в значительно большей степени, чем пластичный. Ввиду этого сварные соединения и конструкции из высокопрочных сталей чувствительны к наличию остаточных напряжений.
Влияние остаточных сварочных напряжений на прочность при усталостной нагрузке подчиняется общим закономерностям, рассмотренным выше. Эффективность влияния остаточных напряжений на усталостную прочность увеличивается при наличии концентраторов напряжений в виде острых надрезов, а также с понижением пластических свойств металла.
Хрупкое разрушение при наличии сварочных напряжений имеет следующие особенности: разрушение носит внезапный характер и не имеет следов пластических деформаций; хрупкая трещина, возникая в местах концентрации напряжений, пересекает большую часть или все сечение, разрушение наступает при незначительных рабочих напряжениях.
В этом случае поле остаточных сварных напряжений играет роль источника энергии для развития возникающей хрупкой трещины. Высокие остаточные сварочные напряжения являются также необходимым (силовым ) компонентом условий для возникновения и развития холодных технологических трещин в период времени, непосредственно следующий за сваркой.
Остаточные сварочные сжимающие напряжения могут быть также причиной потери устойчивости листовых сварных конструкций (резервуаров различного рода, трубопроводов), а также колонн и стоек. Потеря устойчивости элементов или конструкций в целом может иметь место даже при отсутствии рабочих напряжений , если уровень остаточных напряжений превысит критический.
Влияние остаточных деформаций
На качество сварных соединений проявляется в следующем. Остаточная деформация узлов и элементов крупной конструкции затрудняет сборку и делает ее невозможной без подгонки, подрубки, правки. Это усложняет технологию и увеличивает трудоемкость изготовления конструкции.
Возникающие в процессе сварки деформации заготовки требуют назначение повышенных припусков на механическую обработку.
Очень опасно искажение геометрических сечений элементов и конструкций в целом в результате сварочных деформаций. Это явление может привести к появлению неучтенных напряжений при эксплуатации конструкции и выходу ее из строя. Искажение формы трубопроводов и других изделий может существенно изменить эксплуатационные характеристики сварных изделий. И, наконец, остаточные деформации улучшают внешний вид изделия. Это в основном относится к листовым обшивкам кабин автомобилей, вагонов и т.д.
Сварочные напряжения и деформации причины возникновения и способы борьбы
Снятие остаточных сварочных напряжений с целью повышения прочности и долговечности сварных конструкций должно подтверждаться действительной необходимостью операции, так как во многих случаях остаточные сварочные напряжения не влияют на прочность сварных конструкций.
Разработаны следующие методы устранения остаточных сварочных напряжений.
Общий высокий отпуск в термических печах
Конструкцию нагревают до 600-650ᴼС и выдерживают при этой температуре при толщине элементов до 20 мм 3ч; 20-36 мм – 4 часа. После выдержки охлаждение на воздухе.
Местный высокий отпуск
Применяют для снижения уровня остаточных напряжений в отдельных участках или элементах сварных конструкций, а также для повышения пластических свойств. Элементы нагревают в переносных термических печах (ТВЧ). Следует учитывать, что неравномерный нагрев при местном отпуске вызывает свои остаточные напряжения, которые могут достигать значительной величины.
Механический отпуск
Заключается в воздействии на конструкцию напряжений, равномерно распределенных по сечению и достигающих предела текучести. Этот способ вызывает побочные явления: наклеп, снижение пластических свойств. Способ затруднителен для выполнения, так как требует приложения к конструкции значительных усилий.
Термопластический отпуск
Заключается в нагреве смежных, параллельных шву зон, в которых действуют остаточные напряжения сжатия. Удлинение нагреваемых зон вызывает в шве напряжения растяжения и пластическую деформацию, снимающую остаточные напряжения.
Метод обкатки
Устраняет одновременно остаточные напряжения и остаточные деформации в тонкостенных сварных изделиях из пластических материалов. Метод обработки заключается в пропускании изделия между роликами или валиками с определенным усилием обжатия. Обкатке подвергают шов и околошовную зону или все изделие. Этот метод является развитием метода проковки.
Метод проковки
Также устраняет одновременно остаточные напряжения и деформации. Более эффективна проковка швов в горячем состоянии.
Возникновение остаточных сварных напряжений можно предотвратить снижением степени неравномерности нагрева изделия при сварке. Поэтому стремятся выбрать режим, обеспечивающий наиболее равномерный нагрев изделия по поперечному сечению, а также применяют сопутствующий подогрев.
Сварочные напряжения и деформации способы уменьшения сварочных деформаций и напряжений
Сварочные напряжения и деформации причины возникновения основные закономерности, сварочных конструкций, можно условно подразделить на следующие виды.
Продольное укорочение является следствием продольной усадки шва и околошовной зоны.
Поперечное укорочение обусловлено поперечной усадки шва и околошовной зоны. Оба вида деформации образуются при симметричном наложении сварных швов. Численные значения усадки для различных типов сварных соединений в зависимости от способа сварки даны в таблице 22.
Деформация изгиба конструкции возникает в случае несимметричного расположения швов относительно центра тяжести сечения.
Деформация изгиба определяется стрелой изгиба рис5, а и б.
Скручивание, рис 5 в., имеет место при сварке двутавровых, коробчатых и иного сечения балок значительной длины. Деформация этого вида образуется вследствие неодновременности наложения поясных швов, разной жесткости сечения по осям симметрии и наличия полей остаточных напряжений в элементах конструкции до сварки.
Выпучины и воднистость , рис6., образуются в листовых конструкциях в результате возникновения остаточных напряжений сжатия ипотери устойчивости листов.
Угловые деформации возникают в результате поперечной усадки сварных швов и зон, в которых в процессе нагрева имели место пластические деформации обжатия. В листах , рис 5.б, угловые деформации имеют место при неполном проплавлении толщины. При полном проплавлении толщины угловые деформации незначительны или полностью отсутствуют.
В двутавровых и тавровых соединениях угловая деформация приводит к так называемой грибовидности полок. Величина угловой деформации оценивается величиной угла β, рис 5.
Деформации сварных конструкций имеют, как правило, сложный характер. Так, в сварных тавровых и двутавровых балках имеют место поперечные и продольные укорочения, продольный изгиб, угловые деформации (грибовидность полок).
При сварке листов встык также развиваются деформации продольного и поперечного укорочения, продольный изгиб, угловые деформации и т.д.
Деформации сварных составных конструкций (тавровые и двутавровые балки и др.) определяются в основном деформаций наиболее жестких элементов конструкции. Например, деформация продольного изгиба при сварке тавра с нормальной толщиной полки определяется деформацией стенки, при сварке тавра с увеличенной толщиной полки – деформация полки, рис 5 а. При сварке листов разной ширины встык деформация соединения будет определяться деформацией более широкого и более жесткого листа, рис 7.
Сварочные напряжения и деформации меры борьбы с ними можно разделить на три группы: конструктивные, технологические, проводимые в процессе сварки, и технологические проводимые после, проводимые после сварки. Первая и вторая группы мероприятий имеют целью предотвращение возникновения деформаций, третья группа направлена на устранение возникших деформаций в готовых изделиях.
Конструктивные мероприятия заключаются в следующем:
— сечения сварных швов назначают минимальными (по условиям прочности). Увеличение сечения швов ведет к увеличению объемов, в которых протекают пластические деформации;
— швы необходимо располагать возможно ближе к оси, проходящие через центр тяжести сечения. Каждую пару параллельных швов располагают симметрично относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения;
— для уравновешивания деформаций припуски деталей на усадку должны быть равны усадке с тем, чтобы размеры конструкции после сварки соответствовали проектным; для уменьшения угловой деформации угол раскрытия V – образной разделки должен быть минимальным;
— в пространственно развитых конструкциях коробчатого сечения для предотвращения потери устойчивости элементов и образования выпучин целесообразно применять вспомогательные элементы в виде ребер жесткости, диафрагм, косынок, распоров;
— необходимо предусматривать возможность использования зажимных сборочно-сварочных приспособлений;
— число швов в конструкции должно быть по возможности минимальным.
Наиболее важные технологические меры предотвращения возникновения сварочных напряжений следующие:
— назначение оптимального режима сварки , с тем чтобы зона разогрева деталей была минимальной;
— правильный порядок нанесения швов; деформация, образующаяся после наложения первого шва, должна компенсироваться обратной деформацией после наложения последующего шва;
— при выполнении швов большой протяженности использовать обратно-ступенчатый способ сварки;
— проковка швов в процессе сварки. При выполнении многослойных швов последний шов проковывать не рекомендуется во избежание появления трещин;
— применение способа обратных деформаций, рис 8. Способ заключается в придании свариваемым элементам деформации в сторону, обратную ожидаемой. Величину и направление действительных деформаций определяют предварительно опытным путем.
Для устранения остаточных деформаций применяют холодную и горячую правку изделий. Холодная правка основана на растяжении укороченных элементов сварных изделий до проектных размеров. В процессе холодной правки происходит пластическое деформирование растягиваемых волокон, что вызывает наклеп и перераспределение полей остаточных напряжений. Необходимо учитывать, что чрезмерная деформация может вызвать появление в металле трещин, что для конструкций не допустимо. Наклеп, вызванный пластической деформацией, увеличивает склонность металла к хрупкому разрушению. Холодную правку выполняют с помощью прессов, домкратов, вальцов или вручную кузнечным инструментом.
Горячая правка
Выполняют с помощью электрического или газового нагрева. Этим способом можно устранить искривление сварных элементов, а также выпучины в листовых конструкциях.
При этом способе правке нагревают пятнами или участками удлиненные волокна элемента, чем вызывают пластические деформации укорочения (обжатия). В процессе охлаждения места обжатия натягивают прилежащие волокна и выравнивают деформированные места.
Характер нагрева при горячей правке показан на рис 9. Для контроля за ходом правки рекомендуется вести нагрев пятнами или участками через интервал времени, достаточный для остывания поля нагретого участка.
