Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§ 42. Причины возникновения напряжений и деформаций при сварке

Неравномерное нагревание металла. Внутренние напряжения возникают в том случае, если свободному расширению и сокращению детали что-либо препятствует. Таким препятствием являются соседние участки металла, оставшиеся более холодными вследствие неравномерного нагрева и потому менее расширившиеся.

Наличие сосредоточенного источника тепла (сварочное пламя, электрическая дуга), перемещающегося вдоль шва с какой-то скоростью и вызывающего неравномерное нагревание металла при сварке, является основной причиной возникновения внутренних напряжений и деформаций в сварных изделиях.

Усадка наплавленного металла. Усадкой называется уменьшение объема металла при его переходе из жидкого состояния в твердое. Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании металл становится более плотным, вследствие чего объем его сокращается. В результате усадки возникают растягивающие напряжения в соседних частях детали, которые вызывают соответствующие им напряжения и деформации. Различные металлы имеют разную усадку, обычно измеряемую в процентах от первоначального линейного размера. Так, например, линейная усадка равна:

%

Для алюминия………………………………….. 1,7—1,8

» бронзы…………………………………….. 1,45—1,6

» латуни……………………………………… 2,06

» меди………………………………………… 2,1

» стали малоуглеродистой литой … 2,0

» чугуна серого литейного……………………. 0,7—0,8

Напряжения, вызванные усадкой, возрастают до момента перехода упругих деформаций в пластические. Если металл недостаточно пластичен, деталь может дать трещину в наиболее слабом месте. Таким местом часто бывает околошовная зона термического влияния. Вследствие усадки и сокращения объема металла при охлаждении иногда образуются трещины в процессе сварки, называемые горячими.

При сварке происходит продольная и поперечная усадка. Вызываемые усадкой деформации показаны на рис. 55 и 56. Продольная усадка вызывает сокращение длины листов при сварке продольных швов (рис. 55, а). Если центр тяжести поперечного сечения шва не совпадает с центром тяжести сечения свариваемого элемента, то в результате продольной усадки неизбежно возникает коробление этих элементов в продольном направлении (рис. 55, б, в, г). Поперечная усадка всегда дает коробление листов (рис. 56) в сторону большего объема наплавленного металла. Поэтому при поперечной усадке листы будут коробиться вверх, в сторону утолщения шва. Если деталь закрепить, создав препятствие против деформации от усадки, то в закрепленном участке изделия появятся напряжения.

Величина деформации и связанных с ней напряжений зависит от величины зоны нагрева при сварке. Чем больший объем металла нагревается, тем сильнее будут деформации. Поэтому различные способы сварки дают различную величину деформаций. Большую величину нагрева и деформации дает газовая сварка кислородно-ацетиленовым пламенем, меньшую — дуговая сварка металлическим электродом, особенно тонкообмазанным.

Размеры и положение швов также влияют на величину деформаций при сварке. Наибольшие деформации вызывают длинные швы, швы с большим сечением, а также швы, расположенные несимметрично относительно главных осей сечения свариваемого профиля (рис. 55). Чем сложнее форма детали, чем больше в ней различных швов, тем скорее можно ожидать появления деформаций и напряжений при сварке. При односторонней наплавке плоских деталей уменьшение глубины и площади проплавления основного металла резко уменьшает коробление изделия.

Искусственное охлаждение детали в процессе сварки уменьшает величину деформации.

Структурные изменения наплавленного металла. При изменении структуры металла происходит изменение размеров и взаимного расположения его зерен (кристаллов). Этот процесс сопровождается изменением объема металла, что вызывает возникновение внутренних напряжений. Напряжения, возникающие вследствие изменения структуры металла, могут иметь практическое значение только при сварке легированных и высокоуглеродистых сталей, склонных к закалке. При сварке обычной малоуглеродистой стали, которая не закаливается, возникающие от изменения структуры металла напряжения незначительны и не принимаются в расчет при изготовлении сварных конструкций.

вверх страницы