2 (О сварке), страница 3

Рис. 1.10. Местный нагрев незакреплённой (а) и закреплённой обоими концами (б) пластин:

1 - пластины; 2 - жёсткое закрепление

Рассмотрим несколько примеров. При местном нагреве пластины, свободно лежащей на сварочном столе, ее длина / увеличится на Д/ (рис. 1.10, а). Это увеличение зависит от коэффициента линейного расширения данного металла, длины нагретой зоны, а также температуры ее нагрева. В процессе охлаждения удлинение будет уменьшаться и при начальной температуре станет равным нулю. После охлаждения пластина приобретает свои первоначальные размеры, и в ней не будет ни внутренних напряжений, ни остаточных деформаций. При местном нагреве этой же пластины, жестко закрепленной с обоих концов (рис. 1.10, б), она не может свободно удлиняться, поэтому в ней возникнут сжимающие внутренние напряжения. При высокой температуре нагрева (более 600 °С) сжимающие напряжения превзойдут предел текучести нагретого участка, в нем произойдет пластическая деформация сжатия и на длине Г он станет несколько толще. Напряжения сжатия частично исчезнут. При охлаждении пластина должна была бы укоротиться, но этому препятствует жесткое закрепление, в результате чего в ней возникнут растягивающие напряжения.

Аналогичным образом возникают внутренние напряжения и деформации при наплавке валика на кромку полосы (рис. 1.11, а). Наплавленный валик и нагретая часть полосы будут расширяться и растягивать холодную часть полосы, вызывая в ней растяжение с изгибом. Сам же валик и нагретая часть полосы будут сжаты, поскольку их тепловому расширению препятствует холодная часть полосы. График распределения напряжений эпюры будет иметь вид, показанный на рис. 1.11,6.

Растягивающие напряжения принято обозначать знаком «+», а сжимающие -знаком «-». В результате такого распределения напряжений полоса изогнется выпуклостью вверх. В процессе остывания наплавленный валик и нагретая часть полосы, претерпев пластические деформации, будут укорачиваться. Этому снова будут препятствовать верхние слои холодного металла полосы. Теперь уже наплавленный валик и нагретая часть полосы будут стягивать верхние

Нагретая зона

Рис. 1.11. Возникновение напряжений и деформаций при наплавке валика на кромку полосы металла:

q_т - напряжение предела текучести

холодные ее волокна. Они сожмутся, и полоса прогнется выпуклостью вниз (рис. 1.11, в), а остаточные напряжения в ней распределятся, как показано на рис. 1.11, г.

В реальных условиях изменение температур от нагретой к холод-ной зоне полосы происходит плавно, поэтому на графиках распределения температур (эпюрах) переход от растягивающих напряжений к сжимающим также будет более плавным, чем показано на рис. 1.11, б и г.

При остывании и затвердевании жидкого металла сварного шва происходит его усадка. Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании металл становится более плотным, и объем его уменьшается. Ввиду того, что металл шва жёстко связан с основным металлом, остающимся в неизменном объёме и противодействующим этой усадке, в сварном шве возникают внутренние напряжения.

При сварке происходят продольная и поперечная усадки расплавленного металла, в результате чего образуются продольные и поперечные внутренние напряжения (рис. 1.12), вызывающие деформации сварных изделий. Из-за продольной усадки возникает коробление изделий в продольном направлении (рис. 1.13), а поперечная, как правило, приводит к угловым деформациям, т. е. к короблению в сторону большего объема расплавленного металла (рис. 1.14).

При сварке легированных и высокоуглеродистых сталей наряду с тепловыми возникают объемные структурные напряжения. Объясняется это тем, что при охлаждении изменяется структура металла (размеры и взаимное расположение его зерен), что сопровождается изменением объема металла и вызывает внутренние напряжения. При сварке низкоуглеродистых и низколегированных не закаливающихся сталей структурные напряжения очень малы и возникают редко.

Ещё более сложные процессы протекают при сварке разнородных металлов. Основными трудностями, возникающими при этом,

Рис. 1.12. Направления действия продольных / и поперечных 2 внутренних напряжений

Рис. 1.13. Деформации сварных изделий от продольной усадки наплавленного металла:

а - при симметричном расположении шва; б, в - при несимметричном расположении шва;

г- при наплавке валика на кромку полосы; / - сварной шов; 2 - зона нагрева;

А/ - деформация от продольной усадки; Ъ - ширина зоны нагрева

могут быть металлургическая несовместимость, т.е. различия в структуре, а также в коэффициентах линейного расширения, тепло- и электропроводности.

Представления о механизмах и кинетике процессов, протекающих при сварке, несмотря на достигнутые успехи науки, находятся в стадии непрерывного развития

1.5.2. Уменьшение деформаций на стадии проектирования конструкций, до сварки и при выполнении сварки

Рассматривая методы борьбы с деформациями, следует учитывать, что всякое уменьшение деформаций снижает и остаточные напряжения, как и снижение остаточных напряжений уменьшает деформации. Среди рациональных приёмов проектирования сварных конструкций, обеспечивающих уменьшение деформаций и напряжений, основными являются следующие:

а) назначение минимальной протяжённости и минимального сечения сварных швов, удовлетворяющих при этом требованиям прочности;

б) оптимизация последовательности сборочно-сварочных операций (например, сборку сложной конструкции целесообразно вести на прихватках, а затем выполнять сварку от наиболее жёсткого элемента; постепенное же наращивание элементов в сложную конструкцию без сборки на прихватках приводит к большим деформациям). При последовательности выполнения швов в балочных конструкциях необходимо для снижения деформаций изгиба учитывать жёсткость отдельных элементов. Например, двутавровые балки симметричного и несимметричного профиля необходимо сваривать в последовательности, указанной на рис. 1.15.

Сварку листовых конструкций для уменьшения деформаций следует выполнять или обратно-ступенчатым способом (рис. 1.16, а), или двумя сварщиками одновременно от середины (рис. 1.16, б). Непрерывная сварка от начала до конца даёт значительно большие деформации, особенно если листы малой толщины.

Среди приёмов, применяемых для уменьшения деформирования до процесса сварки, известно закрепление деталей в приспособлениях и создание деформаций, обратных сварочным. Закрепляющие приспособления широко применяют в тех случаях, когда конструкция состоит из нежёстких элементов, Приспособлениями при этом пользуются для сборки и прихватки. Сборка и прихватка в приспособлениях обеспечивает необходимое взаимное расположение отдельных элементов.

В процессе сварки изделий в приспособлениях увеличивается жёсткость системы «изделие - приспособление», вследствие чего уменьшаются перемещения, наблюдаемые в процессе сварки, т.е. временные перемещения, а также устраняются взаимные перемещения элементов конструкции. Остаточные деформации уменьшаются ненамного. Наиболее эффективно применение приспособлений для уменьшения деформаций тонколистовых конструкций.

Зажимные приспособления применяют также в тех случаях, когда свариваемые элементы располагают друг относительно друга так, чтобы компенсировать деформации, возникающие при сварке. Типичными примерами создания перемещений, противоположных сварочным, путём соответствующей сборки в зажимных приспособлениях, являются многослойная сварка встык с угловым изломом для компенсации угловой деформации (рис. 1.17, а) и электрошлаковая сварка листов большой толщины с переменным зазором для компенсации поперечных перемещений (рис. 1.17, б).

До сварки применяют также метод создания в конструкции деформаций, обратных сварочным. При изготовлении, например, элементов емкостей, оболочек, на кромках, которые подлежат сварке, создают пластический выгиб в наружную сторону (рис. 1.18). Если пластический выгиб в наружную сторону соответствует уменьшению диаметра оболочки в районе шва, то после сварки ее форма не будет искаженной.

В процессе сварки применяют метод регулирования теплового воздействия. Снижать деформации можно за счёт уменьшения ширины зоны пластического деформирования, происходящего в результате искусственного охлаждения околошовной зоны в процессе сварки. Такое охлаждение достигается использованием жидких и пастообразных составов, пропускаемых через специальные прижимы

Такой же эффект уменьшения остаточных деформаций может достигаться и путём сопутствующего сварке подогрева. Если в случае охлаждения околошовных зон сужается интенсивно нагретый участок и соответственно уменьшается пластическое деформирование на стадии нагрева, а значит, и остаточные деформации, то при сопутствующем подогреве двумя ацетилено-кислородными горелками, расположенными слева и справа от сварочного источника теплоты, температурное поле в свариваемой пластине выравнивается, перепады температур уменьшаются, а значит, уменьшаются и деформации (в незакреплённом равномерно нагретом и охлажденном теле остаточные деформации не возникают).