Сварочные деформации
Сварные конструкции в результате появления упругопластических деформаций в сварных соединениях могут изменить свои размеры и претерпеть общие деформации. Последние могут быть продольными и поперечными, деформациями изгиба, скручивания и потери устойчивости.
В результате продольных и поперечных деформаций происходит сокращение элементов по длине и ширине. Эти деформации образуются при симметричной укладке сварных швов.
Деформации изгиба образуются при несимметричном расположении сварных швов в конструкциях и сопровождаются продольным сокращением элементов - продольной усадкой швов и поперечным сокращением — поперечной усадкой швов. Этот вид деформации встречается на практике довольно часто.
Деформации скручивания образуются вследствие несимметричного расположения швов в поперечных сечениях элементов и встречаются довольно редко.
Деформация потери устойчивости вызывается сжимающими напряжениями, которые образуются в процессе нагревания и остывания изделий.
Различают два вида деформаций: упругие и пластические.
Представим себе твердое тело, например резиновый брус. Под действием внешних сил резиновый брус изменит свою форму и размеры и станет деформированным. Если затем снять внешние силы, брус примет свои первоначальные форму и размеры, деформация полностью исчезнет.
Деформации, которые полностью исчезают после снятия нагрузок, называют упругими, а остаточные, остающиеся в теле после снятия нагрузок, — пластическими.
Если тело является частично упругим, то в нем под действием нагрузок могут возникнуть упругие и неупругие (остаточные) деформации.
Тело, находящееся под действием нагрузок, которые стремятся вызвать в нем деформации (упругие, пластические), сопротивляется этим нагрузкам. При этом в теле возникают внутренние силы, которые противодействуют силам, вызывающим деформации; тело становится напряженным и тем больше, чем больше нагрузки, заставляющие тело деформироваться.
Интенсивность внутренней силы, равная силе, приходящейся на единицу площади, называется напряжением.
В результате литейной усадки наплавленного металла, неравномерного нагрева в процессе сварки, изменения объема металла, вызванного изменением структуры металла при сварке, возникают напряжения.
Затвердевание жидкого присадочного металла в сварочной ванне и последующее охлаждение приводят к уменьшению его объема. При этом затвердевающий металл уже прочно связан с основным металлом, и усадка вызывает появление внутренних напряжений.
Если нагреваемое тело встречает препятствие своему расширению, то в нем возникают напряжения, направленные на преодоление этого препятствия. При сварке основной металл нагревается в зоне плавления до температуры более высокой, чем -температура металла, окружающего сварочную ванну, но удаленного от нее. Неравномерный нагрев металла, вызванный сваркой, приводит к появлению сжимающих сил в зоне металла, прилегающей ко шву, и растягивающих вдали от сварного шва. В результате происходит коробление сварного соединения. Кроме того, затвердевание и охлаждение металла шва приводят к его усадке и деформации свариваемого изделия.
Структурные напряжения связаны с изменением размеров кристаллов и их взаимного расположения и сопровождаются изменением объема тела, вызывающим внутренние напряжения.
Внутренние силы, возникающие в металле при сварке, могут быть достаточными, чтобы привести к образованию трещин в швах или рядом с ними.
Напряженное состояние, вызванное сваркой малопластичных материалов или материалов, склонных к закалке (чугуна, легированных сталей, инструментальных сталей и др.), способствует образованию трещин в сварном шве и в основном металле.
Внутренние напряжения, возникающие при сварке, вызывают коробление сварных конструкций, а иногда и такую деформацию, которая делает сварное изделие не пригодным к эксплуатации.
Чтобы избежать чрезмерных деформаций, которые могут возникнуть при сварке, в технологии предусматривают условия получения минимальных короблений, последующую после сварки правку деталей, припуски на механическую обработку, а также различные мероприятия технологического характера, предупреждающие появление деформаций или уменьшающие их.
Внутренние напряжения и коробления, возникающие при сварке, зависят от вида сварки. От мощности различных источников теплоты, применяемых при сварке, зависит скорость сварки элементов одинаковой толщины, Чем больше зона разогрева металла при сварке, тем большими будут коробления.
Зона разогрева неодинакова при применении различных дуговых видов сварки. Наименьшая зона получается при дуговой сварке голыми электродами. Зона разогрева при автоматической сварке под флюсом меньше, чем при ручной сварке штучными электродами, которая, в свою очередь, меньше зоны разогрева при аргонодуговой сварке.
Для сравнения следует отметить, что при газовой и атомно-водородной сварке зона разогрева достигает наибольших размеров. При этих способах сварки возникают значительно большие коробления, чем при дуговой сварке.
В технологических процессах предусматривают способы сварки, обеспечивающие получение минимальных короблений.
При сварке длинных швов применяют различные приемы обратноступенчатой сварки (в направлении, обратном направлению сварки участков, участками от середины к краям, от краев к середине и др.). сварку каскадом, горкой и др.
Стыковые соединения с Х-образной подготовкой кромок следует сваривать попеременно с каждой стороны для уменьшения коробления свариваемых элементов.
Уменьшение сварочных напряжений и деформаций при сварке низкоуглеродистых и незакаливающихся сталей достигается применением принудительного охлаждения (водой, с помощью теплоотводов из меди и др.).
Местный предварительный подогрев для уменьшения сварочных напряжений и деформаций используют при сварке сталей, чугуна, алюминиевых сплавов бронзы. При этом алюминий подогревают до 300°С, бронзу до 400 °С, сталь до 400—600 °С и чугун до 500—800 °С.
Кроме перечисленных способов уменьшения сварочных напряжений и деформаций используют обратные деформации (выгиб в противоположную сторону); уравновешивание сварочных деформаций сваркой швов, вызывающих встречную деформацию; жесткое закрепление конструкций; применение многослойных швов; проковку многослойных швов и др.
Целесообразно использование тех марок электродов, которые обеспечивают получение наиболее пластичного металла шва, применение прерывистых, стыковых швов и др.