Напрежения и деформации при заваряване

Напреженията и деформациите по време на заваряване са разгледани подробно в специалната литература (работи на Г. А. Николаев, Н. О. Окерблом, В. А. Винокуров и др.). По-долу са дадени само общи разпоредби и някои данни по тези въпроси.

В резултат на локално (неравномерно) нагряване на метала, поради действието на концентриран източник на топлина, в заварената конструкция възникват временни и остатъчни напрежения при заваряване. Временни напрежения при заваряване се наблюдават само в определен момент на заваряване в процеса на промяна на температурата. Напреженията, които съществуват след края на заваряването на конструкцията и пълното й охлаждане, се наричат остатъчни заваръчни напрежения или заваръчни напрежения. Те възникват в резултат на затруднения при разширяването и свиването на метала по време на неговото нагряване и охлаждане. Трудността на разширяването и свиването на метала се дължи на факта, че нагрятата зона е заобиколена от всички страни от студен метал, чиито размери не претърпяват никакви промени. Реактивните остатъчни напрежения възникват във връзка с допълнителното фиксиране на заваряваните части (в приспособлението, с твърдо фиксиране и т.н.), което също пречи на процесите на разширение и свиване да протичат нормално. Реактивните напрежения се характеризират с небалансирана диаграма на напрежението.

Има три вида заваръчни напрежения. В заварените конструкции от нисковъглеродни и нисколегирани стомани се развиват предимно заваръчни напрежения от първи вид. Те действат и балансират в значителни, съизмерими с размерите на конструкцията или отделните й части, обеми. При определени условия е възможно възникването на заваръчни напрежения от втори и трети вид - действащи и балансирани в рамките на отделните зърнаметал.

В зависимост от пространственото разположение и взаимодействие се разграничават напреженията на заваряване: линейни или едноосни, действащи само по една ос в една посока (фиг. 4-14, а), равнинни или двуосни, действащи в две посоки (фиг. 4-14, б) и обемни или триосни, действащи в три посоки (фиг. 4-14, в). По посока на действие се разграничават надлъжни и линейни заваръчни напрежения, разположени напречно на оста на заваръчния шев (фиг. 4-15).

Фиг. 4-14. Различни видове стресови състояния; напрежения: a - линейни; б - планарна; заваряване в насипно състояние

Фиг. 4-15. Надлъжни (1) и напречни (2) напрежения в заварено съединение

Практиката на експлоатация на заварени конструкции показва, че в повечето случаи заваръчните напрежения не намаляват носещата способност на конструкциите. Няма консенсус по въпроса за влиянието на заваръчните напрежения върху работата на заварената конструкция. Повечето изследователи стигат до извода, че линейните напрежения при заваряване не намаляват якостта на заварените конструкции при всякакъв вид натоварване (статично, вибрационно, ударно), ако металът, от който е направена конструкцията, е в пластично състояние по време на нейната работа. Въпреки това, ако металът е в крехко състояние, т.е. не е способен на пластична деформация, наличието на равномерни линейни напрежения при заваряване може да доведе до намаляване на носещата способност на конструкцията.

Дори такъв пластичен метал като нисковъглеродна стомана при определени условия (ниска температура, рязка концентрация на напрежение, наличие на дефекти) може да бъде в крехко състояние. Не е достатъчно ясно и как върху здравината на конструкцията влияят заваръчните напрежения с планарен и обемен характер.разпространение. Повечето изследователи смятат, че дори в този случай няма намаляване на якостта на конструкцията при статично (в чист вид) натоварване и пластичното състояние на метала.

Технологията на заваряване и монтаж на конструкцията трябва да бъде разработена, като се вземе предвид минималната стойност на заваръчните напрежения и когато това е продиктувано от условията на работа на конструкцията, трябва да се предвиди премахването на тези напрежения. В същото време трябва да се има предвид, че премахването на заваръчните напрежения е много трудоемка и сложна операция и трябва да се прибягва до нея само когато има реална, технически обоснована необходимост. Ако стойностите на заварените напрежения достигнат границата на провлачване на метала, те ще причинят неговата пластична деформация и следователно промени в размера и формата на заварената конструкция, т.е. нейната деформация (изкривяване).

Деформациите, възникващи по време на заваряване, се делят на временни, съществуващи само по време на заваряването на конструкцията, и остатъчни, оставащи след завършване на заваряването и охлаждане на конструкцията. Остатъчните заваръчни деформации са важни за практиката. В зависимост от естеството, формата и размерите на частите, които трябва да бъдат заварени, се различават деформация в равнината и деформация извън равнината на съединяваните елементи. Деформацията в равнината се проявява в промяна (намаляване) на размерите на конструкцията, което трябва да се вземе предвид при подготовката на части и сглобяване за заваряване, като се предвиди възможност за промяна на размерите.

Фиг. 4-16. Ъглова деформация при заваряване на челни съединения

Деформацията извън равнината (ъглова деформация) се проявява в образуването на издутини ("poppers"), локално огъване на листове (фиг. 4-16), в така нареченото гъбено огъване на колана при заваряване на елементи от T-секции и I-секции (фиг. 4-17), както и други промени във формата на продуктите. Стойност иЕстеството на остатъчните деформации до голяма степен се определя от дебелината и свойствата на основния метал, режима на заваряване, последователността на заваряване, структурните форми на заваряваните части и формата на шева. С увеличаване на дебелината на заварения метал деформациите намаляват, което е свързано с по-голяма твърдост на конструкцията.

Фиг. 4-17. Ъглова деформация (гъба) при заваряване на тройник

Стойността на коефициента на линейно разширение на метала оказва значително влияние върху размера на деформацията. С увеличаване на коефициента на линейно разширение се увеличава величината на остатъчните деформации, например при заваряване на конструкции от високолегирани неръждаеми стомани, което значително усложнява заваряването на метални конструкции и изделия от този метал. Експлоатационният опит показва, че в стоманени конструкции, в които не възникват структурни напрежения, в повечето случаи величината и естеството на остатъчните деформации почти не се променят с времето. В стоманени конструкции, по време на заваряване на които възникват структурни напрежения, размерите и формите на елемента могат да се променят с времето.

Промяната на размера и формата на заварената конструкция в някои случаи намалява нейните характеристики и разваля външния й вид. Ако остатъчните деформации достигнат забележима стойност, те могат да доведат до непоправим брак. При разработването, сглобяването и заваряването на конструкцията трябва да се вземе предвид необходимостта от намаляване на остатъчните деформации до стойност, при която те не влияят на работата и външния вид на конструкцията и не усложняват сглобяването на отделни елементи. Ако стойността на остатъчните деформации е извън допустимите граници, конструкцията трябва да се коригира. Редактирането на структура е много трудоемка операция, изисквависококвалифицирани работници и то, подобно на отстраняването на заваръчните напрежения, трябва да се извършва само ако наистина е необходимо.