Влияние перемещений. Остаточные перемещения, возникшие после сварки отдельных элементов, сильно затрудняют, а иногда и делают невозможной дальнейшую сборку изделий под сварку. Приходится прибегать к промежуточной правке или использовать специальную оснастку, чтобы выправить отдельные элементы и собрать их между собой в правильном положении. Это обстоятель­ство накладывает дополнительные требования на построение техно-N логического процесса. Часто идут на полную сборку сложной де­тали или изделия без промежуточных операций сварки с тем, чтобы избавиться от подгонки и правки узлов. При этом, очевидно, услож­няются условия сварки, возникает необходимость в отказе от ме­ханизированных способов сварки в пользу ручных или полуавто­матических.

Остаточные перемещения могут ухудшить процесс и качество сварки. Например, автоматическая сварка тонких листов практиче­ски не может быть выполнена без применения зажимных приспосо­блений из-за выхода листов из плоскости в процессе сварки и появления прожогов. В ряде случаев электрошлаковая сварка прямолинейных и кольцевых швов должна проводиться с закрепле­ниями или нагружением балластом, так как зазор в разделке может закрыться по причине большой усадки.

Возникающие на отдельных операциях перемещения могут сде­лать невозможной последующую правку сварной детали, если не ввести операцию промежуточной правки. Например, если сваренные и невыправленные листы 1 и 2 собрать с листом 3 (рис. 24), то не-

избежно образование в стыке II некоторой волнистости, которая будет зафиксирована сваркой шва II. Дальнейшая правка-швов I и II не даст полного положительного результата.

Из-за чрезмерных перемещений, если их не предупредить, не предусмотреть или не устранить, может оказаться недостаточным

1 2 3 Рис. 24. Сборка неправленных после сварки шва / листов 1 и 2 с листом 3

незначительный припуск на меха­ническую обработку. На рис. 25, а показан длинный вал, в котором угловой излом Q делает невозмож­ной механическую обработку по всей длине при заданной величине толщины стенки б. Рама на рис. 25, б имеет чрезмерную пропел- лерность и нуждается в правке, так как невозможно провести меха­ническую обработку по всем четы­рем платикам 1.

В случае невозможности механически обработать изделие цели­ком, сварку делают заключительной операцией, при этом необхо­дима тщательная предварительная отработка технологического про­цесса сварки с измерением возникающих перемещений. Когда заклю­чительная механическая обработка по техническим условиям не

О)

Рис. 25. Примеры влияния остаточных перемещений на величину при­пусков при механической обработке: а —■ сварной вал; б — рама, имеющая пропеллерностц

требуется, но соблюдение точных размеров является обязательным, необходимо учитывать ожидаемую усадку, назначая размеры дета­лей при заготовительных операциях.

Отклонения в точности размеров могут оказывать непосредст­венное влияние на прочность и эксплуатационные качества изделий. Так, в конструкциях, работающих на устойчивость, остаточные перемещения, сообщая начальный прогиб, могут оказать отрица­тельное влияние на несущую способность. Например, цилиндриче­ская оболочка на рис. 26, б имеет окружное сокращение в зоне кольцевого шва и местный прогиб в районе бобышки А. Колонна
на рис. 26, а имеет остаточный прогиб /, создающий эксцентриситет силы Р.

В аппаратах, движущихся в воздушной среде или жидкости, отклонения от проектных размеров вызывают повышенное сопро­тивление потоку, иногда возникает вибрация.

В механизмах машин отклонения от точных размеров могут по­вышать силы трения, вызывать шум, быстрый износ, потерю точ­ности и т. д.

Рис. 26. Примеры отри­цательного влияния пере­мещений на устойчивость элементов конструкций:

Влияние остаточных напряжений и деформаций. Отрицатель­ное влияние собственных напряжений мо­жет проявляться в следующем.

В процессе изготовления иногда возникают горячие трещины; де­формационные трещины и разрушения; холодные трещины.

Горячие трещины образуются во время кристаллизации металла под воздействием временных напряжений и деформаций, воз­никающих вследствие усадки металла. Для определения стойкости металла против образования горячих трещин разработаны специальные методики и пробы [8].

а — колонна; б — цилиндри­ческая оболочка

Деформационные разрушения изучены пока недостаточно. В основе появления деформационных разрушений лежит обра­зование высоких растягивающих собствен­ных напряжений вследствие усадки метал­ла. Если усадка металла происходит в объемах, сокращение которых затруднено во всех трех направлениях, то образуются так называемые объемные (трехосные) рас­тягивающие напряжения. Пример заварки глубокого дефекта на поверхности массивного тела показан на рис. 27, а. Усадка металла в направлениях х и у затруднена из-за наличия окружающего холодного металла. Аналогичные усло­вия образуются при сварке электрошлаковых швов в жестких контурах (рис. 27, б). В направлении оси х усадке препятствует заваренный лист, в направлении оси г — значительная толщина металла б. В обычных условиях электрошлаковой сварки шов мо­жет сокращаться в поперечном направлении у. В данном случае этому препятствует жесткость балки, и если не принять мер для немедленного проведения отпуска после сварки, то часто в таких условиях возникает разрушение шва.

Свойства металла под влиянием возникающей усадки заметно не изменяются, так как пластические сварочные деформации не пре­вышают в случае отсутствия концентраторов величины 1—2%.

Но в большинстве случаев в зонах протекания пластических дефор­маций имеются разнообразные концентраторы. На рис. 28 очи пока­заны примерно в порядке нарастания концентрации. На рис. 28, а—е возникает концентрация пластических деформаций вследствие попе­речной усадки металла. Случаи, показанные на рис. 28, а, б, весьма распространены. Здесь некоторая концентрация пластических де­формаций возникает в зонах перехода от наплавленного металла к основному. Если свариваемые элементы находятся в свободном со­стоянии при сварке, то концентрация деформаций крайне незначи­тельна и ей не придают никакого значения.

При закрепленных элементах (рис. 28, а) концентрация пласти­ческих деформаций усиливается по мере уменьшения размера /.

х Рис. 27. Образование трехосных растягивающих остаточных напряжений при усадке металла в жестком контуре

Аналогичная картина наблюдается при вварке в лист жестких эле­ментов малого диаметра (рис. 28, в).

Значительную группу сварных соединений составляют много­слойные соединения (рис. 28, г—е), в которых концентрация дефор­маций происходит при беспрепятственном повороте свариваемых элементов. В этом случае каждый очередной слой создает прира­щение углового поворота Ар, а это в свою очередь вызывает в корне­вом слое деформации удлинения и растягивающие напряжения. “При наличии непроваров (рис. 28, д, ё) разрушение возникает при относительно небольшом количестве слоев. Мерой, устраняющей концентрацию пластических деформаций удлинения, является за­крепление элементов во время сварки для предотвращения углового поворота р.

Концентрация пластических деформаций может возникать из-за продольной усадки металла (рис. 28, ж—к). В случае, если запроек­тировано электрошлаковое соединение для двух листов разной длины без соответствующего уступа для окончания шва (рис. 28, ж), то подрез, возникающий во время сварки, является сильным концентра­тором пластических деформаций. В таких местах нередки случаи
появления трещин при остывании. Сварка накладок на рис. 28, з производится по стыку с неполным проваром, показанном в сече­нии А — А. При сварке швов накладок усадка металла происходит в направлении, перпендикулярно которому расположен непровар. В этом случае возможны разрушения. Аналогичная ситуация возни­кает при выполнении шва на остающейся подкладке, если она по длине имеет стыки с неполным проваром (рис. 28, и). Весьма зна-

Рис. 28. Примеры концентрации пластических деформаций при сварке

О*,

е)

чительная концентрация пластических деформаций происходит при сварке накладок по полностью непроваренному стыку (рис. 28, к).

При концентрации пластических деформаций имеют место три основных явления: появление большей или меньшей в зависимости от формы концентратора объемности напряженного состояния; рост величины пластической деформации металла, зависящей от коэффи­циента концентрации деформаций, изменение свойств металла вследствие его наклепа и деформационного старения; последний фактор, как установлено специальными исследованиями, в низко­углеродистых и низколегированных сталях имеет решающее влия­ние на возникновение хрупких разрушений. Деформационное ста­рение возникает также в зонах сварки, если сварка проводится на участках, подвергнутых холодной пластической деформации, на­пример гибке.

Деформационное старение вызывает такие изменения свойств сталей, которые способствуют проявлению хрупкости металла: повышается предел текучести металла, увеличивается «зуб текуче­сти», снижается коэффициент упрочнения металла, уменьшается предельная пластическая деформация. Большинство хрупких раз­рушений сварных конструкций возникает от зон концентрации пластических деформаций, где имело место деформационное старе­ние металла.

Одной из причин появления деформационных трещин являются также зоны с низкими пластическими свойствами металла, воз­никшие, например, вследствие плохой защиты металла или его закалки.

Холодные трещины возникают, если при данном химическом составе и термическом воздействии сварки сталь претерпевает пол­ную или частичную закалку. Холодные трещины возникают непо­средственно после сварки в течение нескольких суток при выле­живании. По прошествии указанного периода сталь восстанавливает свои свойства и холодные трещины перестают образовываться. Холодные трещины являются одним из случаев замедленного раз­рушения закаленной стали под действием остаточных растягивающих напряжений. При отсутствии растягивающих напряжений холодные трещины не возникают. Склонность сталей и сплавов к образова­нию холодных трещин оценивают по специальным методикам и пробам [8]. Хотя холодные трещины чаще возникают спустя неко­торое время после сварки, их следует относить к разрушениям, возникающим в лериод изготовления, так как основа процесса раз­рушения закладывается во время сварки.

Холодные трещины могут возникать в некоторых титановых и алюминиевых сплавах.

В процессе вылеживания при отсутствии внешних нагрузок могут возникать самопроизвольные хрупкие разрушения при понижении температуры. Эти хрупкие трещины относят к де­формационным разрушениям. Причины их возникновения те же, что и рассмотренные выше на стр. 59—60. Появление их связано с тем, что при понижении температуры удельная работа разруше­ния металла снижается. Дефекты и концентраторы, размеры кото­рых при более высоких температурах не являлись критическими, при понижении температуры переходят в разряд критических. Возникающая незначительная разность температур между отдель­ными точками детали создает дополнительные напряжения, кото­рые в сочетании с ранее возникшими высокими остаточными напря­жениями, способны вызвать хрупкое разрушение.

Распространение разрушения. Распростране­ние трещин, в том числе и хрупких, сопровождается затратами энергии на пластическую деформацию металла в острие трещины, на сообщение скорости перемещающимся при разрушении частям

детали и на другие цели. Наличие в сварной конструкции остаточ­ных напряжений означает, что накоплена значительная потенциаль­ная энергия. Энергия в единице объема металла при одноосном растяжении может быть подсчитана по формуле

и - ш - <59>

Так как остаточные растягивающие напряжения в сварных соедине­ниях нередко близки к ат, то такое количество энергии может способствовать образованию весьма протяженных разрушений. Поэтому остаточные напряжения следует рассматривать как один из главных факторов распространения трещин в сварных конст­рукциях.

Статическая прочность. Под статической прочно­стью в широком толковании этого понятия Понимают как сопро-. тивление наступлению - текучести, так и сопротивление разру­шению.

В сварных конструкциях, не прошедших отпуск, максимальные остаточные напряжения часто близки к пределу текучести. Это означает, что в таких сварных конструкциях при нагружении неизбежно возникают пластические деформации в небольших объ­емах металла. В большинстве сварных конструкций обычно допу­скают текучесть металла в ограниченных объемах. На общую теку­честь сварного элемента остаточные напряжения оказывают незна­чительное влияние. Если не рассматривать относительно небольшой класс конструкций, где не допускается даже местная текучесть, то следует считать, что остаточные напряжения не оказывают отрицательного влияния на сварные конструкции, изготовленные из металлов в пластичном состоянии.

Более значительным и сложным является влияние остаточных напряжений и изменения свойств металла на наступление разру­шения при низкой пластичности металла. Отрицательное влияние остаточных напряжений проявляется при закалке металла в зоне сварки на высокую твердость. Существенное влияние на статиче­скую прочность сварных конструкций оказывают изменения свойств металла, особенно в зоне концентраторов напряжений. При низких температурах решающее влияние имеет деформационное старение металла, возникающее во время пластических деформаций в зоне надрезов (см. рис. 28, г, д—к). При приложении рабочих нагрузок разрушения могут наступить при средних напряжениях, близких к пределу текучести или даже ниже а0>2.

Прочность при переменных нагрузках. Остаточные напряжения могут оказывать как отрицательное, так и положительное влияние на прочность сварных соединений и кон­струкций при переменных нагрузках. Эти вопросы подробно рас­смотрены на стр. 65—71.

Жесткость и устойчивость. Остаточные напряже­ния могут оказывать некоторое отрицательное влияние на жест­кость растягиваемых и изгибаемых сварных элементов. Объяс­няется это тем, что в зоне сварных соединений имеются участки с вы­сокими растягивающими остаточными напряжениями (рис. 29). Например, двутавровый сварной Н-образный профиль имеет в ме­стах присоединения стенок к полкам напряжения, близкие к ат (рис. 29). При растяжении такого элемента возникает текучесть металла в тех зонах, где сумма рабочих и остаточных напряжений

Рис. 29. Распределение остаточных напряже­ний в двутавровой балке и влияние их на жесткость при изгибе

превышает ат. Эти участки (заштрихованные на рис. 29, а) прак­тически не оказывают сопротивления деформации, выключаясь из работы и уменьшая площадь упругой части сечения F.

При изгибе пластическая деформация возникает в том сварном соединении, которое оказывается в области растяжения (рис. 29, б). Часть сечения профиля из работы выключается, в результате чего момент инерции Гх оказывается меньше расчетного момента инер­ции,/*. Это уменьшает проектную жесткость балки.

Жесткость элементов сварных конструкций может уменьшаться вследствие местной потери устойчивости тонкостенных участков, в которых действуют напряжения сжатия. Например, при сжа­тии Н-образного профиля, показанного на рис. 29, а, более тонкая стенка, имеющая остаточные напряжения сжатия асж, может поте­рять устойчивость, если асж + страб > акр, где акр — критические напряжения потери устойчивости в пластине, заделанной по двум длинным сторонам. Сопротивление стенки сжатию, а следовательно,

и всей колонны, после потери устойчивости уменьшится. Диалогич­ные явления могут возникнуть и при изгибе в зонах сжимающих напряжений.

Остаточные напряжения могут влиять на общую устойчивость сварных стержней. Механизм влияния здесь может быть двоякий. Один — связан с уменьшением общей устойчивости в связи с на­ступлением местной потери устойчивости отдельных элементов; второй — с наличием остаточных напряжений в сжатом стержне, а также начальной кривизны после сварки. При расчетах на общую устойчивость сжатых сварных стержней влияние остаточных напря­жений обычно не учитывают. Практика эксплуатации сварных кон­струкций показала, что имеющиеся запасы устойчивости по обще­принятым расчетам достаточны, чтобы этим влиянием можно было пренебречь.

Коррозионная стойкость. Растягивающие остаточ­ные напряжения отрицательно влияют на коррозионное растрески­вание в тех случаях, когда металл при конкретной коррозионной среде и температуре вообще подвержен коррозионному растрески­ванию при действии напряжений.