Метал при зварюванні може досить сильно нагріватися, а при термічних методах відбувається його плавлення на невеликій локальній ділянці. В таких умовах хімічний склад металу змінюється. Ступінь змін залежить від хімічної активності самого металу, складу навколишнього середовища, температури, якості підготовки поверхні металу під зварювання, дифузійних процесів в зварювальної ванні.

  Вплив зварювального нагріву на структуру і механічні властивості основного металу. Основна мета, яка переслідується при зварюванні, - отримання рівноміцного з основним металом з'єднання, однак досягти її досить складно.  Сталі перлітного і мартенситного класів, наприклад, відносяться до сплавів, які мають яскраво вираженими властивостями поліморфізму зі зміною обсягу структури в межах 3-5%. Титанові сплави мають поліморфні перетворення, що супроводжуються незначною зміною обсягу (0,15%); не мають подібних перетворень тугоплавкі метали і деякі сплави кольорових металів.

  Незалежно від наявності та характеру поліморфних перетворень в зварному з'єднанні розрізняють три основні області: перша, де метал нагрітий до температури вище лінії солідусу; друга, в якій метал нагрітий до температур, достатніх для протікання фазових перетворень або процесів рекристалізації; третя - з температурою нижче температури протікання цих процесів. Перша область включає в себе власне шов і зону сплаву; друга являє собою зону термічного впливу; третя - зону механічного або термомеханічного впливу. До третьої області примикає основний метал.

  На мал. 1 наведена схема зон структурних змін стосовно зварюванні вуглецевої сталі. Максимальні зміни структури металу, його хімічного складу, а також ймовірність виникнення різного роду дефектів спостерігаються в шві і зоні сплаву. Ділянка перегріву характеризується істотним збільшенням зерна, наявністю повних структурних і фазових преобертань. На ділянці повної перекристалізації температура нагріву вище температури фазових перетворень, проте інтенсивність перетворень менше, ніж на ділянці перегріву, так само як і менше час перебування металу при цих температурах, тому істотного збільшення зерна тут не відбувається. У гартуються сплавах в розглянутих зонах можливе утворення типових гартівних структур. Пов'язане з цим зниження пластичності металу може служити причиною появи таких дефектів, як тріщини, сприяти зменшенню міцності вироби.

1 - зона наплавленого металу; 2 - зона неповного розплавлення; 3 - зона перегріву; 4 - зона нормалізації; 5 - зона неповної перекристалізації; 6 - зона рекристалізації і високого відпустки; 7 - зона низькотемпературного відпустки

   У зоні неповної (часткової) перекристалізації в результаті розпаду гартівних структур відзначається істотне зниження міцності металу, що необхідно враховувати при зварюванні попередньо термообробленого або нагартоваіного металу. Аналогічні явища можуть спостерігатися в зоні високотемпературного відпустки. Зона низькотемпературного відпустки і механічного впливу характеризується менш суттєвими змінами в металі. У разі зварювання металу в відпаленого стані в цій зоні зміна властивостей металу не фіксується.

  Ділянка основного металу, що не піддався розплавлення, структура і властивості якого змінилися в результаті нагрівання при зварюванні, отримав назву зони термічного впливу. Величина її залежить від властивостей матеріалу, сто товщини, способу і режиму зварювання, характеру джерел зварювального тепла. Чим більше, наприклад, концентрація теплоти джерела нагріву, вище його температура, швидкість зварювання, тим менше зона впливу. Так, при дугового зварювання вона менше, ніж при газовій. Мінімальна площа нагріву досягається при зварюванні електронним або світловим променем, що забезпечує високу концентрацію теплової енергії.

    Зниження міцності матеріалу в зоні високого відпустки викликає необхідність виробляти зміцнюючої термообробку після зварювання, однак це нс завжди можливо. Так, при виготовленні виробів великих габаритів з високоміцних матеріалів виробляти загартування після зварювання важко. Необхідно, крім того, враховувати велику трудомісткість цієї операції, істотні витрати на неї енергії і часу, деформації від термообробки.

   Іншим способом підвищення конструктивної міцності є фізичне зміцнення (нагартовка) шва і зони термічного впливу. Різні варіанти упрочняющей механічної обробки, проте, можуть бути застосовані далеко нс для всіх конструкцій. Висока міцність виробів, що представляють собою циліндричну форму, забезпечується застосуванням спіральних швів. При «косому» розташуванні шва напруги в ньому, як відомо, будуть нижче, ніж при поздовжньому розташуванні швів.

   Місцеве ослаблення механічних властивостей металу, викликане зварювальним нагріванням, компенсується в ряді випадків потовщенням зварних кромок, одержуваних методом обробки металів тиском або хімічним фрезеруванням. Однак при цьому доводиться рахуватися з неминучим збільшенням маси конструкції і витрати металу.

   На властивості зварного з'єднання впливає не тільки максимальна температура, а й час перебування металу в області підвищеної температури, так званий термічний цикл.

   Структура і механічні властивості зварного з'єднання змінюються не тільки під впливом нагріву. Зміни відбуваються і при механічних або термомеханічних методах зварювання. Часто підвищення твердості і зниження пластичності в околошовной зоні відбуваються внаслідок фізичного зміцнення. Подібні явища можуть, наприклад, мати місце при холодній, ультразвукової зварюванні, коли процес утворення зварного з'єднання супроводжується значними пластичними деформаціями без істотного нагрівання.

  У зв'язку з відмінностями механічних властивостей зварного з'єднання і основного металу виникає необхідність в їх оцінці. Для цього проводяться звичайні механічні випробування, однак зразки часто виготовляються таким чином, щоб можна було визначити механічні показники окремих зон основного металу, що примикає до шву, наплавленого металу або зварного з'єднання.

 При аналізі напружень, викликаних зварюванням, найбільший інтерес представляють власні напруги. Власні напруги в залежності від характеру сил, які стали причиною їх утворення, класифікуються наступним чином:

  • 1) викликані механічним пружним або пластичним деформуванням при складанні, монтажі і правці;
  • 2) викликані пружними і пластичними деформаціями внаслідок нерівномірного нагрівання деталей;
  • 3) виникли в результаті структурних і фазових перетворень внаслідок нерівномірного зміни обсягу тіл.

  Власні напруги, врівноважені в межах макрооб'ємів, відносять до напруг 1-го роду, в межах зерен - до напруг 2-го роду, в межах кристалічної решітки - до напруг 3-го роду.

   Напругу, що існує тільки в період технологічної операції або протікання фізичного процесу, наприклад зварювання, отримали назву тимчасових. Залишкові напруги зберігаються в конструкції протягом тривалого часу.

  Напруги і деформації внаслідок нерівномірного нагрівання проілюструємо на прикладі зварювання встик двох пластин (мал.2).

   Температурні деформації кожного волокна відповідають температурі нагріву, що дає можливість побудувати криву температурних деформацій & а = АГ (мал.2 2, а - деформації укорочення відкладені вниз, подовження - вгору). Але так як перетину пластин залишаються плоскими, то кінці волокон не розташуються відповідно до кривої г а , а займуть однакове становище е н . Положення лінії тт ' вибирається з умов рівності суми власних напружень стиску і розтягування в межах перетину I-I. Вертикальні відрізки між кривою г а й лінією тт ' будуть являти собою повну деформацію, рівну е упр + е пл .

а - розподіл температур і деформацій в перерізі I-I; 6 - температурне поле в пластині при зварюванні; в - епюра залишкових напружень в пластині

   У матеріалів, які мають структурні перетворення зі зміною обсягу кристалічної решітки, наприклад коли в деяких сталях відбувається розпад залишкового аустеніту в мартенсит, характер епюри внутрішніх напружень може значно змінитися. При нормальних і знижених температурах аустеніт перетворюється в мартенсит, обсяг решітки якого більше обсягу решітки аустеніту. В результаті цього в зварних швах з'являються залишкові напруги стиску, а в прилеглій зоні - розтягування. Вони підсумовуються з напругою від нерівномірного нагрівання і усадки металу.

   Структурні перетворення відбуваються протягом тривалого часу, тому зварні вироби з таких сплавів можуть змінювати форму і розміри через кілька годин, днів і навіть місяців після зварювання. Їх не можна піддавати остаточної механічної обробки безпосередньо після зварювання без термообробки.

  Іншими причинами деформування виробів з плином часу після зварювання є релаксації залишкових напружень, викликаних зварюванням, а також повзучість металу.

   Весь комплекс заходів, спрямованих на зменшення або повне виключення деформацій і напружень, умовно можна віднести до конструктивних і технологічних. До конструктивних заходів належать ті, які приймаються вже на стадії проектування конструктором. Технологічні заходи переважно здійснюються технологом в процесі виготовлення конструкції і її вузлів.

  До конструктивних заходів, спрямованих на зменшення пластичних деформацій і напружень, відносять:

  • 1) вибір оптимального способу зварювання;
  • 2) зменшення катета зварного шва за рахунок удосконалення розрахункових методів і застосування матеріалів з підвищеними механічними властивостями;
  • 3) зменшення в конструкціях кількості зварних швів, в тому числі за рахунок раціональних профілів;
  • 4) скорочення числа або повне виключення різного роду концентраторів напружень. У цьому сенсі стикове з'єднання краще нахлесточного, кутового і т.п. Слід звертати увагу і на забезпечення сприятливої форми шва з більш плавним переходом від основного металу до шву.

До технологічних заходів, що зменшують деформації і напруги, відносяться:

  • 1) попередній і супутній підігрів перед зварюванням;
  • 2) термообробка (відпустка) після зварювання;
  • 3) посилений відведення теплоти від шва, що рекомендується при зварюванні тонкостінних полотнищ, обшивок і т.п. Досягається це застосуванням мідних прокладок, охолоджуваних зсередини водою;
  • 4) зменшення деформацій і залишкових напруг шляхом пластичного обтиску металу шва і прилеглої до нього зони. Глибина деформованого шару може бути різною в залежності від зусиль на деформуючому інструменті і товщини металу.

   При пластичній деформації в шві виникають стискають напруги, які, підсумовуючись з розтягують напруженнями від зварювання, істотно знижують залишкові напруги. Аналогічний результат можна отримати обробкою шва вибухом, ультразвуком, вібрацією.

   З метою зменшення переміщень застосовують конструктивні і технологічні заходи. До конструктивних слід віднести вже розглянуті раніше раціональний вибір методу зварювання, зменшення катета шва і кількості швів, а також проектування таких зварних елементів, в яких вплив окремих зварних швів взаємно урівноважене, установку ребер жорсткості для попередження втрати стійкості, застосування двосторонньої зварювання замість односторонньої.

   Досить широкий арсенал технологічних заходів, спрямованих на запобігання і зменшення переміщень. Найбільш часто застосовуються з них такі:

  • 1) зварювання в жорстких пристроях, що перешкоджають вільному розвитку деформацій;
  • 2) збільшення жорсткості конструкції в результаті попереднього складання її елементів за допомогою прихваток - коротких швів (довжиною 5-25 мм), що розташовуються один від одного, в залежності від товщини зварювальних деталей, на відстані 50-300 мм.

   Однак установка прихваток має ряд недоліків: прихватка може стати місцем, де утворюється непровар, пористість або тріщина, особливо коли режим наступного зварювання підібраний без урахування наявності прихваток;

  • 3) раціональна послідовність накладення швів, а також складання і зварювання вузлів в єдину конструкцію;
  • 4) використання попереднього розтягування елементів конструкції і зворотного прогину. Прикладом застосування останнього в є виштамповка крайок отворів перед вварка в них фланців, заглушок і т.зв.

  Тріщини при зварюванні. Схильність металів до утворення тріщин при зварюванні є одним з основних показників їх зварюваності. Вона зумовила технологічну міцність - здатність матеріалів витримувати без руйнування різного роду впливу в процесі їх технологічної обробки. При зварюванні руйнування можуть відбуватися в процесі кристалізації (гарячі тріщини) і в процесі фазових і структурних перетворень в твердому стані (холодні і інші види тріщин). Сварка може супроводжуватися утворенням тріщин різної протяжності в звареному шві або прилеглої до нього зоні.

Остання зміна: понеділок 5 лютого 2024 08:35 AM