Помимо изменения размеров и формы сварных конструкций процесс сварки может оказывать отрицательное влияние на струк­туру и свойства металла, создавать большие остаточные напряже­ния, что существенным образом влияет йа служебные характери­стики сварных конструкций.

Большинство разрушений в сварных конструкциях возникает от концентраторов напряжений, в особенности от тех, которые распо­ложены в зонах остаточных напряжений растяжения и. при сварке явились причиной протекания значительных пластических деформа­ций. Поэтому основное внимание при конструировании и разработке технологии должно быть обращено на следующее.

Оформление разделок сварных соединений и сопряжений отдель­ных элементов должно быть таким, чтобы снизить до минимума

появление сварочных дефектов — непроваров, подрезов, шлаковых включений, трещин и т. п.

Размещение и выбор типа сварных соединений должно быть таким, чтобы концентраторы напряжений, естественно существую­щие в сварных соединениях, не являлись местом чрезмерного протекания пластических деформаций. Например, нерациональным является применение односторонних многослойных соединений с непроваром в корне шва (см. рис. 28, <3, ё). Использование накла­док для соединения элементов с малым расстоянием А между ними (рис. 28, к) и другие случаи, рассмотренные ранее.

Выбор сварочных материалов приемов и режимов сварки сле­дует производить с позиций исключения появления дефектов сварки, образования чрезмерных объемов металла с остаточными растяги­вающими напряжениями, перегрева и высокой степени закалки, старения металла.

Принятая последовательность сборочно-сварочных операций должна исключать появление в сварной конструкции значительных локальных пластических деформаций по причине затруднения усадки или, наоборот, по причине чрезмерных перемещений из-за отсутствия необходимых закреплений.

Введение необходимых контрольных операций позволяет своев­ременно обнаружить и устранить появившиеся отклонения в каче­стве соединений, технологического процесса и т. д.

Снижение вредного влияния сварки на конструкцию можно до­стигать включением в технологический процесс сборки и сварки различных операций, например подогревов, замедленных охлажде­ний, проковки, промежуточных отпусков и. др.

Подогрев уменьшает скорость охлаждения при сварке. Это в ряде случаев благоприятно сказывается на свойствах металла при структурных превращениях — уменьшается твердость зон тер­мического влияния и склонность их к образованию деформационных и холодных трещин. Подогрев широко используется как техноло­гическое средство при сварке трудносвариваемых сталей.

Предварительное нагружение сварных конструкций сопровождается пластическими деформациями металла в зонах сварных соединений. После разгрузки остаточные напряжения понижаются и при повторных нагрузках теми же уси­лиями пластические деформации вновь. не возникают. Это обстоя­тельство используют для сохранения точности размеров сварных деталей во время эксплуатации. Для этого сварные детали перед механической обработкой нагружают теми же или несколько боль­шими силами, которые действуют в процессе эксплуатации. Такой прием используют, например, при изготовлении станин небольших прессов, балок и других конструкций.

Термомеханический метод снижения оста­точных напряжений. Используется относительно редко
как средство для понижения продольных напряжений в сварных сое­динениях полотнищ. Движущимися горелками или индукторами на некотором расстоянии от шва создаются два пятна нагрева до 150— 200° С, которые перемещаются вдоль шва (рис. 44, а). Расширение

металла в нагретых зонах соз­дает растяжение вдоль шва и сжатие в поперечном направле­нии (рис. 44, б). Такая схема напряжений в сочетании с оста­точными напряжениями растя­жения вызывает в зоне сварного соединения пластические дефор­мации удлинения, что понижает продольные остаточные напря­жения после нагрева и охлаж­дения металла водой.

Отпуск сварных конструкций следует назна­чать лишь в тех случаях, когда он является необходимым из усло­вия обеспечения необходимой прочности или на основании требова­ний, связанных с обеспечением необходимой точности. Для краткости назовем их признаками прочности и признаками точности.

Признаки прочности. 1. Механи­ческие свойства металла нуждаются в изменениях, например в смягчении закалочных структур, ускорении рас­пада остаточного аустенита и т. д.

2. Сварное изделие во время пере­возки или эксплуатации охлаждается до температур, при которых возможны хрупкие разрушения металла.

3. Сварная конструкция должна подвергаться отпуску в соответствии с правилами Госгортехнадзора.

4. При наличии сварных соедине­ний элементов большой толщины в связи с высокими объемными напря­жениями или значительной накоплен­ной энергией. При назначении отпуска для электрошлаковых сое­динений целесообразно пользоваться диаграммой, показанной на рис. 45. Для конструкций с многослойными сварными соедине­ниями, не испытывающими при сварке угловых поворотов, отпуск целесообразно назначать при толщинах швов более 140—150 мм.

5. При сварке и остывании возникли значительные пластические деформации. Точные количественные признаки в отношении этой группы конструкций установить крайне трудно. Здесь приведены
лишь ориентировочные рекомендации. Это соединения с непроваром в корне шва (см. рис. 28, д, ё) и количеством валиков более 4—5, когда элементы при сварке свободно поворачиваются один отно­сительно другого. При полном проваре (см. рис. 28, г), но резких переходах к основному металлу, количество слоев более семи­восьми. При плавном оформлении корня шва, но свободном пово­роте элементов, отпуск целесообразно назначать при толщинах более 40 мм, если количество слоев более 10—12. Отпуск целесооб­разен в случаях, показанных на рис. 28, ж—/с, а также на рис. 27. При сварке кольцевых многослойных швов с полным проваром зна­чительные пластические деформации и растягивающие, напряжения

Рис. 46. Круговые швы в сварных конструкциях

возникают при разделке наружу, если-у-^ 10-f-12 и при разделке

внутрь, если ^p->30-f-35, где Rcp и б — средний радиус и тол­щина обечайки. В круговых швах концентрация пластических деформаций и высокие радиальные растягивающие напряжения возникают по мере уменьшения отношения RIб и роста толщины металла 5 (рис. 46). Окончательные рекомендации для этих случаев. пока не установлены.

6. Отпуску должны подвергаться сварные конструкции, в отно­шении. которых специальными исследованиями или наблюдениями установлена необходимость термообработки по причине появления холодных трещин или коррозионного растрескивания.

Признаки точности. Отпуску подвергают в следующих случаях.

1. Конструкции, которые во время механической обработки изменяют свои размеры. в недопустимых по техническим условиям пределах.

2. Конструкции, испытывающие значительные эксплуатационные нагрузки и приобретающие после нагружений недопустимые оста­точные прогибы или искажения размеров.

3. Конструкции, рассчитываемые на жесткость и относящиеся к точным машинам и механизмам (станки, редукторы и т. п.), кото­
рые в эксплуатации или при вибрации во время транспортировки приобретают недопустимые отклонения размеров.

4. Станины приборов, измерительные устройства, корпусы и детали точных приборов и подобные конструкции, точность которых нарушается вследствие вибрации при транспортировке или распаде неустойчивых структур во времени.

Отпуск изменяет свойства металла сварных конструкций и сни­жает остаточные напряжения.

Отпуск смягчает зоны закалки, ускоряет процессы распада не­устойчивых структур, устраняет наклеп металла, вызванный свароч-

ными пластическими деформациями, а также существенно улучшает свойства металла и его хладостойкость в зонах деформационного старения при сварке.

Характер снижения остаточных напряжений при отпуске пока­зан на рис. 47. Наибольшее снижение напряжений, как показали многочисленные исследования, достигают на стадии нагрева, а также в первые 1—2 ч выдержки, затем процесс сильно замедляется. При остывании, вследствие роста модуля упругости, напряжения несколько возрастают.

Как установлено специальными исследованиями, скорость подъ­ема температуры во время нагрева в пределах, применяемых на практике режимов, почти не влияет на релаксацию напряжений. Поэтому следует применять форсированные нагревы в пределах, не вызывающих опасности разрушения сварных конструкций в печи на стадии нагрева или чрезмерное их деформирование. Степень снижения напряжений на стадии нагрева зависит от марки мате­
риала и достигнутой температуры. В табл. 3 приведены величины напряжений в конце стадии нагрева для различных сталей.

На стадии выдержки напряжения снижаются крайне медленно. Поэтому выдержка деталей в печах более 3 ч нецелесообразна. Изменение напряжений на стадии выдержки подчиняется следую­щему закону:

ffOB

(61)

■ЧГ

где а0в — начальное напряжение перед стадией выдержки (конеч­ное на стадии нагрева); t — время выдержки, мин; t0 = 10 мин.

Величина р для разных сталей и температур находится обычно в пределах 0,08—0,18.

Объемные напряжения в массивных деталях снижаются не­сколько меньше, чем одноосные напряжения, но относительная стабилизация их уровня также наступает после 1—2 ч выдержки. Поэтому и для массивных сварных конструкций, после того как достигнуто выравнивание температуры по сечению детали, выдержка может быть ограничена 3 ч.

Скорость охлаждения назначают в зависимости от толщины се­чений элементов. Чем толще сечения, тем медленнее должно прово­диться охлаждение. Более подробные сведения об отпуске сварных конструкций для снижения напряжений можно найти в книге [1].