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 AL (рис. 7.2, 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. 72, б), возможность свободного удлинения его исключается. Поэтому в нем возникают сжимающие внутренние напряжения, при определенных значениях которых произойдет пластическая деформация сжатия и на длине Z1 (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. 7.3, 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

65

Р и с. 7.3. Напряжения и деформации при наплавке валика на кромку' полосы

часть пластины будут сжаты, поскольку их тепловому расширению препятствует се холодная часть. Характер распределения напря­жений показан на рис. 7.3, 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. 7.3, <?), а остаточные напряжения в ней распределятся, как показано на рис. 7.3, 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 Д, и Л), в связи с тем что коэффициент линейного расширения для у-железа составляет 1,2 ■ 10-5, а для а-железа — 2 • 10—5, на­блюдается уменьшение объема при нагревании от Д., до Д3. При охлаждении распад аустенита происходит в интервале Д2 — Ді, 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—300сС), 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 пронесе.