Глава XXXI

ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ, МЕРЫ БОРЬБЫ С НИМИ

При изготовлении сварных конструкций в процессе нагрева металла дугой и последующего остывания возникают температурные напряжения, а после полного остывания изделия — остаточные напряжения.

Если эти напряжения настолько велики, что превосходят предел теку­чести, то в нагретой зоне металл подвергается пластической деформации. Это означает, что после охлаждения изделия металл этой зоны окажется укороченным по сравнению со своей первоначальной, величиной и поэтому будет подвергаться растяжению со стороны окружающего металла, таким образом в этой зоне возникнут значительные растягивающие напряжения. Местный неравномерный нагрев металла при сварке и отсутствие условий свободного расширения его при нагреве и сжатия при охлаждении вызы­вают собственные напряжения, которые при пластичном металле приводят к изменению формы и размеров изделия, т. е. к его короблению или дефор­мации, а при хрупком металле — к появлению трещин и разрушению изде­лия в целом.

В случае сварки изделий из сталей, подверженных закалке, в механизме возникновения собственных напряжений и деформаций имеет значение другой фактор. Структурные изменения металла в зоне термического влияния со­провождаются изменением его объема. Так, при быстром охлаждении аустенит, образовавшийся при нагреве зоны термического влияния, переохла­ждается и при температурах порядка 300—450° переходит в твердые струк­туры. Известно, что при закалке стали на мартенсит металл увеличивает свой объем. Это внезапное расширение происходит как раз в той стадии, когда шов и окружающая его зона металла, подвергавшаяся интенсивному нагреву и усадке, оказываются под действием значительных растягивающих напряжений и вследствие этого в шве и основном металле возможно обра­зование трещин. Совместное действие неравномерного нагрева, усадки ме­талла шва и структурных изменений в зоне термического влияния может создать в. сварочном изделии сложное напряженное состояние, опасность возникновения которого возрастает с усложнением формы изделия, нера­циональным пространственным расположением швов и т. п. Часто при эксплуатации изделия собственные напряжения суммируются с напряже­ниями, возникающими в нем под действием внешних нагрузок, и превышают предел прочности металла, вызывая разрушение. Для борьбы с собственными напряжениями и деформациями существует ряд практических мер.

Для снижения собственных напряжений применяют предварительный подогрев изделия перед сваркой и термическую обработку его после сварки. Предварительный подогрев изделия сглаживает неравномерность нагрева металла при сварке и замедляет скорость его охлаждения. Температура подогрева устанавливается в зависимости от сорта стали. При сварке изделий из малоуглеродистой стали последние, как правило, не подвер­гают подогреву, так как возникающие в них внутренние напряжения не представляют большой опасности из-за высокой пластичности металла. Небольшой подогрев (50—100°) в этом случае требуется во избежание тре­щин лишь при сварке изделий значительной толщины и при сварке на морозе. Подогрев можно осуществлять индукционным методом, сварочными горелками в печах, горнах и т. д. Термическая обработка изделий после сварки чаще всего предусматривает их отжиг в печи при 550—650°. От­жиг применяют с целью устранения внутренних собственных напряжений. Таким способом можно снять напряжения, возникающие как при сварке, такой при других видах обработки — прокатке, штамповке, гибки, вальцовке и т. д. Отжиг является дорогой операцией и применяется лишь для ответ­ственных изделий сравнительно небольших размеров.

Для уменьшения деформации изделия применяют следующие основные меры: равномерный нагрев изделия в процессе сварки (обратноступенчатый шов), уравновешивание деформаций, способ обратных деформаций, проковку, швов, жесткое закрепление. Обратно­ступенчатый шов выполняют согласно схеме на фиг. 289, а. В результате равномерного нагрева, прилегающих к шву зон металла и уменьшению общего размера разогреваемой зоны де­формация изделия в значительной мере уменьшается.

Фиг. 289. Способы уменьшения деформации:

а— обратноступенчатый способ;

б—способ сварки на выход

Фиг. 290. Порядок сварки Х-образ-

ного шва с уравновешиванием

деформаций.

Другим примером равномерного нагрева металла в процессе сварки служит способ сварки на выход (фиг. 289, б). Типичным и наиболее распро­страненным случаем уравновешивания деформаций является Х-образный шов, в особенности когда процесс сварки ведется в несколько слоев (фиг. 290).

В этом случае желательным являет­ся чередование наложения отдельных слоев с обеих сторон разделки, в ре­зультате чего деформация листов будет происходить в одинаковой степени в обе стороны, т. е. практически ее не будет вовсе.

Фиг. 291. Обратные деформации элемента

в балке:

а — предварительный изгиб вертикальной лолки

тавра до сварки; б — положение вертикальной

полки после сварки от центра на выход.

Способ обратных деформаций за­ключается в том, что изделие перед сваркой деформируют в обратном на­правлении на ту же величину, которая вызывается сваркой. Этот способ при­меняют при сварке изделий с несимме­тричным расположением швов, напри­мер балок таврового сечения. Метод обратной деформации может быть осуществлен предварительным изгибом свариваемого изделия и соответствующим расположением свариваемых частей перед сваркой (фиг. 291). Обратная деформация с изгибом сваривае­мого изделия осуществляется при помощи прессов и других приспособле­ний. Жесткое закрепление изделия при сварке значительно снижает дефор­мацию; это объясняется тем, что оно препятствует деформациям изделия в начальные моменты сварки, когда эти деформации наибольшие, а после сварки изделие само становится настолько жестким, что освобождение его от закрепления не вызывает большого коробления. Если после сварки в закрепленном состоянии в изделии разовьются значительные внутренние напряжения, их в случае необходимости устраняют последующей термиче­ской обработкой. Для упрощения сборки и жесткого закрепления изделий в процессе сварки служат разнообразные

Фиг. 292. Приспособления для сварки деталей с жестким закреплением.

манипуляторы и т. п., примеры которых показаны на фиг. 292. Часто для сборки изделия и жесткого закрепления его в процессе сварки исполь­зуют прихватку соединяемых элементов короткими швами длиной 30—60 мм. Правильное использование этих способов устраняет необходимость правки изделий после сварки.