Свариваемость металлов, напряжения и деформации при сварке

Задать вопрос
Наши специалисты ответят на любой интересующий вопрос по услуге

Понятия о напряжениях и деформациях

Любое силовое воздействие на тело сопровождается возникновением в нем напряжений и развитием деформаций.

Напряжением называют силу, отнесенную к единице площади сечения тела: о = P/F, где о - напряжение, МПа; Р - действующее усилие, Н; F - площадь поперечного сечения детали, м2.

В зависимости от характера приложенных сил различают напряжения растяжения, сжатия, изгиба, кручения и среза.

Деформацией называют изменение размеров или формы тела под действием приложенных к нему сил. Деформации могут быть упругими и пластическими. Если размеры и форма тела восстанавливаются после прекращения силового воздействия, то такая деформация является упругой. Деформацию, остающуюся после снятия нагрузки, называют пластической или остаточной.

Помимо напряжений и деформаций, возникающих в деталях под действием приложенных нагрузок, в них могут быть так называемые собственные напряжения и деформации и существующие в телах при отсутствии внешних сил. К ним относятся и сварочные напряжения и деформации, наблюдаемые в свариваемых деталях. В зависимости от продолжительности существования их разделяют на временные, существующие в период выполнения сварки, и на остаточные, устойчиво сохраняющиеся в течение длительного времени после сварки. В зависимости от характера и объемов распределения напряжения различают одноосные (линейные), двуосные (плоскостные) и трехосные (объемные), а также напряжения I рода (в макрообъемах тела), II рода (в пределах кристаллических зерен металла) и III рода (в пределах кристаллической решетки).

Сварочные деформации обычно характеризуют прогибами элементов, углами поворота, укорочениями, величинами выхода точек тела из плоскости равновесия и др. (рис. 1).

Деформации, приводящие к изменению размеров всего изделия, искривлению его геометрических осей, называют общими. А деформации, относящиеся к отдельным участкам его, называют местными.

Причины возникновения напряжений и деформаций при сварке

Основными причинами возникновения собственных напряжений и деформаций в сварных соединениях и конструкциях являются неравномерное нагревание металла при сварке, литейная усадка, структурные и фазовые превращения в затвердевающем металле при охлаждении.

Неравномерное нагревание металла. Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Процессы сварки плавлением характеризуются местным нагревом металла с образованием неравномерного температурного поля в сварном соединении. При наличии непрерывной связи между нагретыми и холодными участками металла свариваемой детали в нем возникают сжимающие и растягивающие внутренние напряжения. Механизм образования их рассмотрим на примерах. Представим себе металлический стержень, свободно лежащий на сварочном столе. При местном нагреве в центральной части его длина L увеличится на дельта L (рис. 2, а).

Это будет зависеть от коэффициента линейного расширения данного металла, длины нагретой зоны и температуры ее нагрева. В процессе охлаждения удлинение будет уменьшаться и при достижении начальной температуры станет равным нулю. После полного охлаждения стержень восстанавливает первоначальные размеры и в нем не будет ни внутренних напряжений, ни остаточных деформаций.

При местном нагреве того же стержня, жестко закрепленного с обоих концов (рис. 2, б), возможность свободного удлинения его исключается. Поэтому в нем возникают сжимающие внутренние напряжения, при определенных значениях которых произойдет пластическая деформация сжатия и на длине L` (нагретой зоны) он станет толще. При этом напряжения частично исчезнут. При последующем охлаждении стержень должен бы укоротиться, но этому Препятствует жесткое закрепление его, в результате чего в нем возникают растягивающие напряжения.

Аналогичным образом возникают внутренние напряжения и Деформации при наплавке валика на кромку металлической Пластины (рис. 3, а). Наплавленный валик и нагретая часть Пластины будут расширяться и растягивать холодную часть, вызывая в ней деформацию растяжения с изгибом. Сам же валик и нагретая часть пластины будут сжаты, поскольку их тепловому расширению препятствует ее холодная часть. Характер распределения напряжений показан на рис. 3, б. Растягивающие напряжения принято обозначать знаком «+», а сжимающие - знаком «-». В результате такого распределения напряжений пластина прогнется выпуклостью вверх. В процессе остывания наплавленный валик и нагретая часть полосы, претерпев пластическую деформацию, будут укорачиваться. Этому укорочению вновь будут препятствовать слои холодной части металла пластины. Теперь уже наплавленный металл и нагревшаяся часть пластины будут стягивать участки холодного металла. Они сожмутся, и пластина прогнется выпуклостью вниз (рис. 3, в), а остаточные напряжения в ней распределятся, как показано на рис. 3, г.

В реальных условиях изменение температуры от нагретой к холодной зоне пластины происходит постепенно, поэтому таким же образом происходит и распределение напряжений.

Литейная усадка наплавленного металла. При охлаждении и затвердевании жидкого металла сварочной ванны происходит его усадка. Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании увеличивается плотность металла, в результате чего объем его уменьшается. Поскольку металл шва нерызрывно связан с основным металлом, остающимся в неизменном объеме и противодействующим этой усадке, в сварном соединении возникают внутренние напряжения. При сварке происходит продольная и поперечная усадка расплавленного металла, в результате чего в шве образуются продольные и поперечные внутренние напряжения, вызывающие деформации сварных соединений. За счет продольной усадки возникает деформация изделий в продольном направлении относительно оси шва, а поперечная, как правило, вызывает угловые деформации в сварном соединении.

Напряжения от структурных превращений в металле. Наряду с термическими напряжениями при сварке могут возникнуть напряжения, обусловленные превращениями и изменениями структуры основного металла, нагревшегося выше критических температур. При сварке изделий из углеродистых и высоколегированных сталей особенно легко могут возникнуть напряжения при образовании мартенсита, обладающего наибольшим удельным объемом. При сварке низкоуглеродистой стали в интервале критических температур Ас1 и Ас3 в связи с тем что коэффициент линейного расширения для y - железа составляет 1,2*0,00001, а для a - железа – 2*0,00001, наблюдается уменьшение объема при нагревании от Аc1 до Аc3. При охлаждении распад аустенита происходит в интервале Аc2 - Аc1, когда сталь пластична и изменение объема происходит без образования напряжений. Иная картина наблюдается у легированных сталей, склонных к закалке. Распад аустенина в них происходит при более низких температурах (200 - 300°С), когда металл обладает высокой прочностью и меньшей пластичностью. Такое превращение сопровождается возникновением структурных напряжений. Растягивающие напряжения от структурных превращений вызывают дополнительное увеличение деформаций, которые в межпластичных сплавах могут привести к образованию трещин. Поэтому сварочные напряжения в закаливающихся сталях более опасны. Для сварки таких материалов необходимо разрабатывать более сложный технологический процесс.

Уменьшение сварочных напряжений и деформаций

Предотвращение сварочных напряжений и деформаций является сложной задачей. Мероприятия по снижению их могут осуществляться на разных стадиях создания сварных конструкций: до сварки - на стадии проектирования самой конструкции и разработки технологического процесса ее изготовления, во время выполнения сварки соединений и после выполнения сварочных работ.

На первой стадии очень много в этом вопросе зависит от выбора Наиболее рациональных конструктивных и технологических решений. В процессе конструирования сварных конструкций необходимо стремиться к уменьшению расчетных количеств наплавляемого электродного и расплавляемого основного металлов и соответственно снижению тепловложения при сварке за счет уменьшения сечений сварных швов и их количества в конструкции, не допускать в конструкциях чрезмерных скоплений и пересечений сварных швов, особенно на участках с максимальным воздействием прикладываемых нагружений; использовать симметричное расположение сварных соединений относительно общего центра тяжести изделия с целью взаимного уравновешивания возникающих изгибающих моментов; рационально выбирать тип сварных соединений, отдавая преимущество стыковым соединениям.

В процессе выполнения сварочных работ большое значение имеет выбор рациональной последовательности выполнения сварных соединений в конструкции, при этом следует стремиться к достижению взаимоуравновешивания возможных деформаций от последовательно выполняемых швов, а замыкающие соединения, создающие жесткий контур в изделии, сваривать в последнюю очередь. Каждый последующий валик при многослойной сварке рекомендуется выполнять в направлении, обратном предыдущему. При ручной и механизированной сварке швы большой протяженности рекомендуется выполнять в обратноступенчатом порядке. Рекомендуется закреплять узлы в жестких приспособлениях, а выполнение сварки осуществлять на режимах с меньшими значениями погонной энергии, в некоторых случаях применяют предварительную деформацию кромок свариваемых заготовок, обратную по знаку ожидаемым сварочным деформациям; предварительный или сопутствующий подогрев, особенно для материалов, склонных к закалке.

После сварки для снятия сварочных напряжений применяют термическую операцию отпуска. Отпуск после сварки является наиболее эффективным способом уменьшения остаточных напряжений и одновременно позволяет улучшить пластические свойства сварных соединений. Отпуск может быть общим, при котором нагревается все изделие, и местным, когда нагреву подвергают лишь часть его в зоне сварного соединения. Преимущество общего отпуска состоит в том, что снижение напряжений происходит во всей сварной конструкции независимо от ее сложности. Наиболее часто применяют высокий отпуск при температуре нагрева 550 - 680°С. Операция отпуска выполняется в три стадии: нагрев, выдержка при температуре отпуска и охлаждение. Выдержка обычно составляет 2 - 4 ч, после чего производится естественное охлаждение на воздухе. Местный отпуск применяют для снятия остаточных напряжений и восстановления пластических свойств в зоне сварных соединений.

Для снятия остаточных напряжений используют также механические способы обработки после сварки - проковку, прокатку, вибрацию, обработку взрывом и др., основанные на созданий пластической деформации металла сварных соединений, приводящих к снижению растягивающих остаточных напряжений.

Устранение сварочных деформаций

В тех случаях, когда не удается предупредить возникновение остаточных деформаций и они выходят за пределы допустимых, их устранения добиваются искусственным путем с помощью операции правки. В зависимости от конструкции изделия, величины деформации, типа материала и его термического состояния используют три основных вида правки: холодную с применением статических или динамических нагружений, с местным нагревом, с общим нагревом.

Первый вид является наиболее простым. Он основан на растяжении сжатых участков деформированного металла. В зависимости от конструкции, вида и величины деформации холодную правку можно выполнять различными способами. Наиболее простой- проковка сжатой части изделия. Ее применяют для сравнительно небольших изделий из тонколистовых материалов. Таким же образом удается устранять выпучины в листовых деталях, производя проковку с краев детали и перемещаясь к ее центру. Наиболее часто холодную правку производят с приложением статических, безударных нагрузок. Для этой же цели используют ручные прессы, чаще винтовые, специальные правочные приспособления, стальные пуансоны для обжатия на механизированных прессах, а также прокатку на трехвалковых станах или растяжение на специальных станках. Для тел вращения из тонколистовых материалов могут применяться обкатка стальными роликами или калибровка на разжимных оправках (рис. 4).

Правка с местным нагревом основана на развитии пластического деформирования сжатием растянутых участков конструкции. При правке этим методом обычно нагревают растянутую часть деформированной детали. Нагрев производят в отдельных участках (рис. 5). При этом расширению металла препятствуют окружающие его холодные части детали. В этих участках металл испытывает пластическую деформацию сжатия и укорочение растянутых волокон металла. При последующем охлаждении эти участки, сокращаясь, выпрямляют изделие.

При правке выпучин листовых деталей нагревают выпуклую часть в отдельных точках в шахматном порядке. Каждый нагретый участок стремится расшириться, но за счет противодействия со стороны окружающего холодного металла в нем возникают пластические деформации сжатия. После охлаждения диаметр нагреваемой окружности уменьшается, что и приводит к исчезновению выпучины. Нагрев можно производить газовой горелкой, электрической дугой, угольным электродом, на машинах для точечной сварки. Правка убыстряется при сочетании местного нагрева с приложением статических нагрузок при использовании специальных правочных приспособлений.

Правку с общим нагревом производят также в специальных правочных приспособлениях, в которых конструкция фиксируется в нужном положении с предварительным натягом. Затем приспособление с изделием загружается в печь и подвергается общему нагреву. Нагретый металл пластически деформируется в приспособлении и при последующем охлаждении сохраняет приданную ему форму. Такую правку можно сочетать с операцией общей термической обработки конструкции. Однако этот метод требует применения дорогостоящих приспособлений из дефицитных материалов.

Необходимо отметить, что правка является операцией нежелательной в технологическом процессе. Необходимо стремиться за счет тщательного анализа всех стадий изготовления конструкций заранее предусмотреть в технологическом процессе мероприятия, позволяющие исключить или свести к минимуму возможность проявления остаточных деформаций в сварных изделиях.

Понятие о свариваемости металлов

Под свариваемостью металлов понимают их свойство, характеризующее способность образовывать при установленной технологии сварки соединения с требуемым комплексом свойств, обусловленным условиями эксплуатации конструкции.

Различают понятия физической и технологической свариваемости. Физическая свариваемость определяет свойство материалов образовывать монолитное неразъемное соединение с установлением в нем химических связей. Способность металлов свариваться является важной характеристикой, определяющей принципиальную возможность образования сварного соединения. Физической свариваемостью практически обладают все однородные металлы и большинство их сочетаний. Однако она не полностью определяет возможность получения качественного и экономичного соединения, обладающего необходимым комплексом свойств, определяющих работоспособность изделия в определенных условиях эксплуатации. Достижение этих свойств во многом будет зависеть от применяемой технологии сварки. Поэтому вводится понятие технологической свариваемости металлов, определяющей их реакцию на воздействие конкретных условий сварки и способность при этом образовывать соединение с требуемыми свойствами. Свариваемость не является неизменным свойством материала, подобно его физическим характеристикам. Она зависит от способа и режимов сварки, состава присадочного металла, флюса, покрытия, защитного газа и сопровождающих условий (например, подогрев) и т. п. Понятие свариваемости является комплексным и характеризуется совокупностью свойств в зависимости от природы Металла и условий эксплуатации. Поэтому для оценки свариваемости применяют ряд испытаний, каждое из которых характеризует ту или другую сторону этого вопроса.

Основными показателями свариваемости металлов и их сплавов являются окисляемость металла в условиях сварки, сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин, чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, к образованию пор, соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям. При оценке технологической свариваемости целесообразно использовать дифференцированный подход: с одной стороны, рассматривая поведение металла в сварочной ванне и изменение его свойств в результате взаимодействия с окружающей средой (газами и ишаками), а также кристаллизации в условиях сварочного процесса (металлургическая свариваемость); с другой стороны, оценивая реакцию металла на тепловые воздействия в тех или иных условиях сварки (тепловая свариваемость). Оценка с металлургических позиций необходима для выбора способа и средств защиты и металлургической обработки ванны. Оценка тепловой свариваемости важна для выбора оптимального термического цикла сварки, т. е. источника нагрева и режима. Такой дифференцированный подход к оценке свариваемости позволяет упростить выбор наиболее целесообразного технологического варианта выполнения сварного соединения.

Оценка свариваемости металлов

В зависимости от свойств свариваемого металла, требований, предъявляемых к сварному соединению, оценку свариваемости можно проводить по различным показателям: по данным изменения структуры металла, механических свойств соединения, склонности к образованию определенных дефектов и др.

Оценку структуры металла различных областей сварного соединения проводят по равновесным диаграммам состояния и термокинетическим графикам структурно-фазовых превращений в свариваемых материалах. Получаемые данные дополняют результатами специальных исследований механических свойств металла по методике и на специальных машинах, позволяющих нагревать и охлаждать по программе с заданной скоростью образцы металла и подвергать их механическим испытаниям на любом этапе выполнения термической обработки. Такие испытания позволяют проводить имитацию сварочных термических циклов любого участка сварного соединения и получать результаты по воздействию их на структуру и свойства металла.

Для этой же цели используют и специальные технологические пробы, например так называемую валиковую пробу (ГОСТ 13585-68). Для этого на пластины металла толщиной 14 - 30 мм наплавляют валики на режимах с различной погонной энергией (рис. 6).

Из пластин вырезают поперечные образцы для испытаний на статический 1 и ударный 2 изгиб, определение твердости и структуры 3. Валиковая проба позволяет оценить влияние технологии сварки на свойства и структуру металла в соединении. Оценку свариваемости проводят и по данным определения механических свойств металла сварного соединения и отдельных его участков по ГОСТ 6996-66. Стандарт предусматривает испытания на статическое растяжение, ударный изгиб, старение, твердость. О свариваемости судят или по нормативным значениям соответствующих свойств, или по отношению их к аналогичному свойству основного металла. Горячие трещины представляют собой хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердо-жидком состоянии в процессе кристаллизации. При кристаллизации жидкий металл шва переходит в жидко-твердое, затем в твердо-жидкое и, наконец, в твердое состояние. В твердо-жидком состоянии образуется скелет из кристаллитов затвердевшего металла (твердой фазы), в промежутках которого находится еще жидкий расплав. Металл в таком состоянии обладает очень низкой деформационной способностью и малой прочностью. Когда металл полностью закристаллизуется, его пластичность и прочность возрастут. Температурный интервал, в котором металл находится в твердо-жидком состоянии с низкой пластичностью и прочностью, называют температурным интервалом хрупкости. При охлаждении одновременно с кристаллизацией в этом интервале начинаются усадка и линейное сокращение шва, ведущее к возникновению внутренних напряжений и деформаций, которые приводят к образованию горячих трещин. Горячие трещины могут образовываться как вдоль, так и поперек шва. Для оценки свариваемости металлов по критерию сопротивляемости горячим трещинам применяют два основных вида испытаний: на машинах и сварку технологических проб. При машинных испытаниях свариваемый образец растягивают или изгибают во время сварки. Эта деформация имитирует сварочную деформацию. Склонность материала к горячим трещинам оценивают по критической величине или скорости деформирования образца, при которых в нем возникают трещины. Чем выше скорость Деформации или ее величина для образования трещины, тем выше сопротивляемость материала к трещинообразованию при сварке.

Для качественной характеристики склонности к трещинам используют технологические пробы, имитирующие сварное соединение с угловыми или стыковыми швами (рис. 7). Оценку производят по наличию и протяженности образующейся трещины в контрольном шве. Существуют и другие виды технологических проб.

Холодные трещины свое название получили в связи с тем, что их появление наблюдается при относительно низкой температуре. Для оценки свариваемости металлов по критерию сопротивляемости холодным трещинам также применяют два вида испытаний: технологические пробы и методы количественной оценки с приложением к образцам внешней механической нагрузки. Пробы представляют собой жесткие сварные соединения. Стойкость материала оценивают качественно по наличию или отсутствию трещин. Примерами проб могут служить крестовая проба и проба Кировского завода (рис. 8).

В крестовой пробе цифрами показана последовательность наложения швов. В наиболее жестких условиях находится последний шов - 4-й, где и возможно образование трещин. В пробе Кировского завода, изменяя толщину металла в зоне выточки, меняют скорость охлаждения металла и степень его подкладки. По этим показателям судят о сопротивляемости металла образованию холодных трещин.

Количественными показателями оценки сопротивляемости сварного соединения образованию холодных трещин являются минимальные внешние нагружения, при которых начинают возникать холодные трещины при выдержке образцов под нагрузкой, прикладываемой сразу же после сварки. В качестве показателя сопротивляемости служит минимальная нагрузка, при которой происходит разрушение с образованием трещины.

Технологическая свариваемость конструкционных материалов

Технологическая свариваемость металлов и их сплавов зависит от многих факторов - химической активности металлов, степени легирования, структуры и содержания примесей. Чем химически более активен металл, тем больше его склонность к взаимодействию с окружающей средой, в первую очередь к окислению, тем выше в этом случае должны быть качество защиты и возможность металлургической обработки при сварке. К наиболее активным металлам относятся титан, цирконий, ниобий, тантал, молибден. При их сварке необходимо защищать от взаимодействия с воздухом не только расплавленный металл, но и прилегающий к сварочной ванне основной металл и остывающий шов с наружной и обратной сторон. Наилучшее качество защиты обеспечивают высокий вакуум и инертный газ высокой частоты. Высокой химической активностью при сварке отличаются и другие цветные металлы: алюминий, магний, медь, никель и сплавы на их основе. Качество их защиты обеспечивается инертными газами, а также специальными электродными покрытиями и флюсами.

При сварке сталей и сплавов на основе железа от взаимодействия с воздухом расплавленный металл защищают покрытиями, флюсами и защитными газами.

Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод. С увеличением содержания углерода, а также ряда других легирующих элементов свариваемость сталей ухудшается. Для сварных конструкций в основном применяют конструкционные низкоуглеродистые, низколегированные, а также легированные стали. Главными трудностями при сварке этих сталей являются склонность к горячим трещинам, чувствительность к закаливаемости и образованию холодных трещин, обеспечение равнопрочности сварных соединений. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше опасность трещинообразования, труднее обеспечить равномерность свойств в сварном соединении. Ориентировочным количественным показателем свариваемости стали известного химического состава является эквивалентное содержание углерода, которое определяется по формуле

где содержание углерода и легирующих элементов берется в процентах. В зависимости от эквивалентного содержания углерода и связанной с этим склонности к закалке и образованию трещин стали по свариваемости делят на четыре группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся стали (табл. 1).

1. Классификация сталей по свариваемости

Группа свариваемости

Сталь

Углеродистая

Конструкционная легированная

Хорошая

Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, 0,8; сталь 10,20, 12кп, 16кп, 20кп

15Г, 20Г, 15ХМ, 10 ХСНД 10ХГСНД, 15ХГСНД

Удовлетворительная

Ст5; сталь 30, 35

12ХН2, 14Х2МР, 20ХН, 20ХГСА, 25ХГСА, 30ХМ

Ограниченная

Ст6, сталь 40, 45, 50

35Г, 40Г, 45Х, 30ХГСА, 40ХМФА, 30ХГСМ

Плохая

Сталь 65, 70, 80, У7, У8, У9, У10

50Г, 8X3, 45ХНЗМФА 8X3, 5ХНТ

Стали первой группы имеют Сэ< 0,25%, хорошо свариваются без образования закалочных структур и трещин в широком диапазоне режимов, толщин и конструктивных форм. Удовлетворительно сваривающиеся стали (Сэ = 0,25 - 0,35%) мало склонны к образованию холодных трещин при правильном выборе режимов сварки, в ряде случаев требуется подогрев. Ограниченно сваривающиеся стали (Сэ = 0,36 - 0,45%) склонны к трещинообразованию, возможность регулирования сопротивляемости образованию трещин изменением режимов сварки ограничена, требуется подогрев. Плохо сваривающиеся стали (Сэ > 0,45%) весьма склонны к закалке и трещинам, требуют при сварке подогрева, специальных технологических приемов сварки и термообработки.

Заказать услугу
Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.