Глава 7. Сварочные деформации и напряжения, страница 13

7.49).Рис. 9.49. Изгиб узких пластин за счет продольного расширения краев шваЭто явление характерно для узких пластин (ширина которых существенноменьше длины шва); чем шире пластина, тем меньше ее изгиб. В результате изгиба пластины в зоне шва оказываются соединенными друг с другом под уг233лом. Следующие участки пластин также изгибаются и дополнительно расходятся. Поэтому расхождение кромок нарастает с ускорением по мере сваркишва.2) Неравномерные поперечные деформации остывающего металла ужезаваренного шва. Это явление происходит при сварке пластин любой шириныи связано с действием двух факторов: температурных деформаций и деформаций от структурных превращений.

Температурные деформации ведут к сокращению остывающего участка шва вблизи сварочной ванны и к уменьшениюрасстояния между кромками за счет взаимного поворота пластин (рис. 7.50).TSРис. 7.50. Поворот пластин за счет поперечных деформаций металла шваНаибольший вклад в этот поворот дает быстро остывающая зона позадишва, начиная с температуры порядка 600 °С (зона T на рис. 7.50). Еще болеегорячий металл вблизи сварочной ванны имеет низкий предел текучести и егосокращение слабо влияет на поворот пластин. В сталях мартенситного классапроисходит превращение аустенита в мартенсит с увеличением объема металла (см. раздел 7.8). Эта зона превращения находится на некотором расстояниипозади сварочной ванны (зона S на рис. 7.50).

Вначале расширение этой зоныприводит к дополнительному закрыванию зазора между кромками, но послетого, как эта зона перейдет через середину заваренного участка шва, ее расширение будет способствовать расхождению кромок.Во время сварки могут происходить все перечисленные явления, и зазор234между кромками при этом изменяется сложным образом. Расчет изменения зазора, особенно на начальном участке шва, целесообразно проводить с помощью МКЭ на компьютере.

Расчет позволяет разработать меры поддержаниязазора в заданных пределах. Следует иметь в виду, что сухари и скобы, скрепляющие пластины, способны зафиксировать их только на первых дециметрахдвижения сварочного источника. При длине шва более полуметра никакие механические приспособления не способны преодолеть возникающие силы, действуют только изменение режима сварки, а также сопутствующие подогревы иохлаждения различных зон свариваемых деталей.Кроме изменения сварочного зазора, серьезной проблемой является высокий уровень временных и остаточных напряжений. Условия охлаждения приэлектрошлаковой сварке таковы, что вначале остывают поверхности сварногосоединения, и, в последнюю очередь, металл в середине толщины. Этот металлоказывается как бы в жесткой камере, поэтому при остывании в нем возникаюттрехосные растягивающие напряжения, причем компоненты напряжений могут существенно превышать предел текучести металла.

Эти напряжения принеправильно выбранной технологии сварки могут привести к образованиюпродольных трещин в шве, вплоть до его полного разрушения.Остаточные напряжения могут впоследствии суммироваться с рабочими ивызвать хрупкое разрушение при эксплуатации. Термическая обработка крупных деталей для снятия остаточных напряжений является весьма длительнойоперацией и по стоимости может превосходить саму сварку.7.16. Влияние сварочных напряжений, деформаций и перемещений натехнологию производства и качество сварных конструкций7.16.1. Влияние на технологию производстваКак правило, деформационные процессы приводят к усложнению производства. Ряд дополнительных проблем возникает непосредственно в процессесварки.

Кроме отмеченных в разделе 7.27 трудностей, связанных с изменениемширины разделки (эти явления возникают при электрошлаковой сварке и при235первом проходе дуговой сварки), при сварке тонких листов встык бывает трудно обеспечить правильное взаимное расположение свариваемых кромок.Расширение при нагреве вызывает временные сжимающие напряжения взоне сварки.

В результате происходит потеря устойчивости, а также смещениекромок, приводящие к прожогам и нарушениям требуемой формы сварногосоединения. Основные меры борьбы с этими явлениями – зажимные приспособления. Зажимные планки должны быть установлены как можно ближе кшву, но при этом надо оставить место для прохождения сварочной горелки.Потеря устойчивости происходит до начала плавления шва, при достаточно высоких поперечных сжимающих напряжениях, близких к пределу текучести металла.

Из условия устойчивости, допустимое расстояние от края листа дозажимного приспособления (рис. 7.51)sE.2 12 т(7.63)Для низкоуглеродистой стали это соответствует   10s .2ℓsРис. 7.51. Потеря устойчивости тонких листов в процессе сваркиПри сварке тонколистовых обечаек в процессе нагрева увеличиваетсядлина окружности шва, что приводит к большим радиальным перемещениям.За счет отхода кромок от подкладки возникает излишняя выпуклость шва с обратной стороны. С лицевой стороны образуется «домик» - угловое перемещение кромок β углом наружу. При неодинаковых перемещениях кромок образуется ступенька Δz. Для уменьшения этих искажений используют прижимнойролик, движущийся вместе со сварочной головкой впереди нее.Изменение формы и размеров от сварочных перемещений создает серьезные проблемы при сварке сложных пространственных конструкций с большим236количеством привариваемых деталей.

Требуются сложные зажимные приспособления и прихватка деталей перед сваркой.Серьезные трудности для производства создает отсутствие повторяемостиперемещений при изготовлении партии одинаковых изделий, в особенностипри применении ручной сварки. В случае роботизированной сварки перемещения получаются каждый раз одинаковыми и можно разрабатывать меры повзаимной компенсации перемещений от отдельных швов. В результате можнообеспечить необходимую точность размеров сварной конструкции даже прибольшом количестве сварных швов. Недостаточная точность приводит к увеличению допусков и расходов на последующую обработку сваренной конструкции.Сварочные остаточные напряжения также создают проблемы при обеспечении точности готовых конструкций в процессе механической обработки.Снятие напряженного металла нарушает равновесие сварной конструкции ипосле каждой операции происходят новые перемещения, искажающие ее форму и размеры.7.16.2.

Влияние на образование дефектов при сваркеСварочные деформации и напряжения могут приводить к образованиюдефектов (трещин), вплоть до полного разрушения конструкции в процессе еесварки, последующей термообработки и вылеживания. Условие образованиядефектов – превышение сварочными деформациями εс предельной пластичности материала εкр с   кр .(7.64)Из формул (7.2) и (7.3) следует, что при сварочном термодеформационном цикле с перепадом температур ΔT порядка тысячи градусов и свойствах материала, характерных для конструкционных сталей, εс не превышает 2%. Как правило, этот уровень существенно ниже предельной пластичности материала, тогда дефекты не образуются.

Причиной их образо237вания является либо концентрация деформаций, либо понижение пластичности в отдельные моменты технологического процесса и в отдельных зонах сварного соединения. Часто оба этих фактора действуют совместно.Явление концентрации деформаций связано с тем, что узкая зонасварного соединения (мягкая прослойка) имеет пониженный предел текучести. Рассмотрим сварку встык в условиях жесткой заделки (рис.

7.52).LdРис. 7.52. Мягкая прослойка в стыковом сварном соединенииМягкой прослойкой может оказаться высокотемпературная зона, зонаструктурных превращений или зона, отличающаяся от окружающего металла по содержанию примесей. При остывании сварного соединения (ΔT< 0) происходит, согласно (7.3), температурное сокращение металла(   0 ). При жестком закреплении  н = 0 , поэтому, из (7.2) следует с = −  0 , т.

е. температурное сокращение компенсируют собственныедеформации удлинения. Но так как напряжения не превосходят пределатекучести мягкой прослойки, металл за пределами прослойки остаетсяупругим и деформируется незначительно. Пластические деформации концентрируются в прослойке пл =  L.d(7.65)Если толщина мягкой прослойки d существенно меньше расстояниямежду закреплениями L, то деформации в ней могут многократно превышать ожидаемую деформацию 2% и приводить к образованию трещин.Снижению предельной пластичности металла способствуют два основных фактора. Во-первых, это объемное напряженное состояние с всесторонним растяжением.

Такое состояние возникает в глубине массивныхдеталей при их остывании после сварки или термообработки. При этом238пластичность любого материала резко падает, так как все образовавшиесяв процессе пластической деформации микродефекты неуклонно растут.Во-вторых, каждый материал имеет характерные для него температурныеинтервалы пониженной пластичности, связанные, как правило, с описанной выше концентрацией деформаций, но на микроуровне. Как правило,мягкими прослойками оказываются границы зерен.