Возникновение временных и остаточных напряжений и деформаций при сварке
4.4. Возникновение временных и остаточных напряжений и деформаций при сварке. Причины возникновения и способы их снижения.
При проектировании сварных заготовок необходимо предусматривать конструктивные и технологические мероприятия по устранению или уменьшению деформаций и напряжений. Суммирование внешних сварочных деформаций в отдельных точках приводит к перемещениям в сварных изделиях. Последние снижают точность размеров заготовки и требуют назначения больших припусков на механическую обработку. Сварочные деформации и напряжения возникают вследствие локальной пластической деформации отдельных зон сварного соединения из-за неравномерного разогрева при сварке. Металл в зоне максимального нагрева (шов и зона термического влияния), претерпевший пластическую деформацию сжатия при нагреве, после полного охлаждения получает остаточное укорочение. Это укорочение приводит к изменению формы и размеров всей сварной заготовки. Абсолютное укорочение линейных элементов пропорционально их длине в зоне пластической деформации. В соответствии с этим основные закономерности процесса развития перемещений в сварных изделиях сводятся к следующему: 1) абсолютное укорочение возрастает с увеличением зоны пластической деформации, т. е. с увеличением объема наплавленного металла и зоны разогрева заготовки; 2) при симметричном размещении наплавленного металла относительно центра тяжести сечения (ц. т.) свариваемых элементов изменяются только размеры последних, т. е. происходит поперечная и продольная усадки; 3) при несимметричном расположении наплавленного металла относительно центра тяжести сечения также изменяется форма свариваемых заготовок, т. е. происходит перемещение угловое и изгиба; 4) перемещение определяется, с одной стороны, остаточным укорочением, с другой — сопротивлением сварной заготовки деформации растяжения (сжатия), изгиба или кручения, т. е. соответствующей ее жесткостью.
Мероприятия, уменьшающие перемещения в сварных изделиях, направлены на снижение остаточного укорочения и устранение несимметричности его распределения, а также на повышение сопротивления свариваемых элементов деформированию. Они могут быть реализованы на этапе конструирования или изготовления сварного узла. Часто полностью устранить перемещения не удается. Поэтому при необходимости возможно применение правки уже готовых сварных заготовок.
Поперечную и продольную усадки сварных заготовок можно скомпенсировать увеличением размеров заготовки под сварку на величину предполагаемой деформации. Угловое перемещение может быть устранено или снижено предварительным угловым изгибом заготовок перед сваркой.
Перемещение изгиба можно исключить предварительным обратным прогибом балки перед сваркой; рациональной последовательностью укладки швов относительно центра тяжести сечения сварной балки.
Остаточные сварочные напряжения представляют собой систему внутренних сил, находящихся в равновесии. При нарушении этого равновесия напряжения перераспределяются, что сопровождается упругими и пластическими деформациями в дополнение к сварочным деформациям, полученным ранее в процессе сварки. Поэтому при механической обработке сварных заготовок часто невозможно добиться высокой точности их размеров.
Для предупреждения возникновения высоких сварочных напряжений не следует допускать скопления сварных швов и пересечений их друг с другом, рекомендуется использовать способы сварки, обеспечивающие минимальный разогрев заготовок. Для снятия напряжений применяют высокий отпуск сварных заготовок, а также прокатку или проковку сварных швов.
