Деформации и напряжения при сварке. Сварочные деформации и напряжения

Причины сварочных деформаций и напряжений

Деформации и напряжения при сварке возникают под действием теплоты, выделяемой источником сварочного тока. К главным причинам возникновения сварочных деформаций и напряжений относятся: неравномерный разогрев и остывание сварной конструкции, литейная усадка жидкой сварочной ванны, а также структурные преобразования в металле сварного шва и зоне термического влияния.

Неравномерное нагревание и остывание металлоконструкций при сварке является причиной возникновения тепловых внутренних напряжений. Изменение прочности и пластичности металлов происходит как при сварке чёрных металлов, так и при сварке цветных металлов и сплавов. При этом, чем выше температура нагрева и ниже теплопроводность металла, тем будут выше тепловые деформации и напряжения в сварном соединении.

Литейная усадка сварочной ванны является причиной формирования остаточных напряжений и деформаций в слоях металла, прилегающих к сварному шву. Происходит это из-за того, что при охлаждении, сварочная ванна уменьшается в объеме и начинает растягивать близлежащие слои металла. При этом, чем меньше объём сварочной ванны, тем меньше величина напряжений и деформаций, возникающих при её затвердевании.

Структурные преобразования в металле являются причиной возникновения растягивающих и сжимающих напряжений. И в отдельных случаях, эти преобразования вызывают изменение объёма свариваемого металла. При сварке низкоуглеродистых сталей, напряжения от структурных преобразований незначительны и на качество сварного соединения существенного влияния не оказывают. При сварке легированных сталей, содержащих более 0,35% углерода, деформации и напряжения при сварке довольно значительны и могут стать причиной для образования горячих трещин в сварном шве.

Внутренние напряжения и деформация при сварке отрицательно влияют на показатель прочности металлоконструкции. Ели свариваемые стали имеют склонность к образованию закалочных структур, то напряжения могут быть очень большими и, в отдельных случаях, даже вызвать горячие и холодные трещины при сварке.

Механизм образования деформаций и напряжений при сварке

Рассмотрим механизм образования остаточных деформаций и напряжений. Всем известно, что при нагревании металл расширяется, а при остывании - сужается. Но что произойдёт, если металл зажат, и ему некуда расширяться?

Для примера, поместим металлический брусок между стенками, как показано на рисунке. При этом посередине бруска выполняется сварочный шов и этот брусок, под действием электрической дуги, равномерно нагревается до температуры 600°C. При нагревании брусок будет нагреваться, и стремиться к удлинению. Но удлиняться бруску некуда, т.к. мешают стенки, между которых он зажат. В результате, на брусок начинают действовать сжимающие усилия от боковых стенок.

Под воздействием боковых стенок, нагретый брусок, ставший более пластичным, сминается и перестаёт распирать стенки. Затем, при остывании, он начинает сужаться и укорачивается на ту величину, на которую не смог удлиниться. Боковые стенки не позволили бруску свободно расшириться и, в результате, в нём образовались внутренние напряжения растяжения.

Схожие механизмы происходят и при сварке металлов. Слои основного металла, которые не подверглись нагреванию и сохранили жёсткость, не дают укорачиваться металлу околошовной зоны. А слои металла в околошовной зоне, в свою очередь, стремятся смять металл, расположенный рядом сними.

Сложная картина напряжений и деформаций внутри металла при сварке ещё более усложняется при выполнении пересекающихся швов, или в случае выполнения предварительного подогрева, или при закреплении свариваемых изделий. В результате, металлоконструкции после сварки деформируются, изгибаются, коробятся. И происходит это задолго до воздействия на них эксплуатационных нагрузок. Далее рекомендуем ознакомиться со статьёй: "Виды деформаций и напряжений при сварке", которая является продолжением темы деформаций при сварке.

Дополнительные материалы по теме: