Уменьшения внутренних напряжений достигают следующими мерами. Количество сварных швов, их протяженность и сечение должны быть минимальными в соответствии с прочностным расчетом конструкций. Не рекомендуются перекрещивающиеся швы. Симметричное расположение швов значительно снижает деформацию конструкции. Стыковые швы более желательны, чем угловые.
Некоторое уменьшение коробления изделия достигается отводом тепла со свариваемого участка подкладыванием медной пластинки с обратной стороны шва, прикладыванием около шва асбеста, смоченного водой, и т. п.
Коробление можно уменьшить и путем уравновешивания образовавшихся деформаций. Места соединения деталей разбивают на участки, сварка которых ведется в таком порядке, чтобы деформации, получаемые при сварке на отдельных участках, были равны по величине и противоположны по направлению. Например, при сварке двутавровой балки из трех частей можно применять очередность сварки отдельных участков, показанную на рис. 46, а.
Рис. 46. Снижение деформаций изделий:
а – изменение порядка сварки; б – обратноступенчатая вразброс сварка; в – обратный изгиб деталей перед сваркой
Значительное уменьшение деформации достигается способом «обратноступенчатой» сварки. При этом способе кромки соединяемых деталей сваривают в последовательности, показанной на рис. 46, б. Коробление изделия в данном случае получается значительно меньше, так как деформации коротких швов не в состоянии вызывать значительную деформацию всего изделия.
Уменьшить коробление свариваемых изделий можно также способом обратных деформаций. В этом случае соединяемые детали предварительно отгибают в сторону, обратную сварочным деформациям (рис. 46, в). Тогда в процессе сварки они, деформируясь, принимают требуемую или близкую к требуемой форму.
Широко применяется также способ жесткого закрепления свариваемых деталей с помощью различных приспособлений или путем прихватки, т. е. предварительной сварки кромок в нескольких точках по длине сварки.
На 85–90 % остаточные напряжения при сварке снижаются при высоком отпуске сварных конструкций – нагреве до 550–680 °C и постепенном охлаждении на воздухе. При местном отпуске нагревается часть конструкции около сварного соединения; после остывания остаточные напряжения сохранятся, но будут меньшими по величине. Иногда проводят поэлементный отпуск отдельных сборочных элементов, и только после этого проводят окончательную сборку конструкции.
Снижение деформаций происходит при проковке металла после сварки по горячему металлу или после полного остывания детали. Так, многослойная сварка обычно выполняется каскадным способом или горкой. При этом хорошие результаты дает послойная проковка шва (кроме первого и последнего слоя). Швы накладывают с таким расчетом, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные возникшим от предыдущего шва. Последовательность выполнения швов должна допускать свободную деформацию элементов конструкций. Например, при сварке настила из нескольких листов следует в первую очередь выполнить швы, соединяющие листы полос, и лишь затем швы, соединяющие эти полосы между собой.
В борьбе с деформациями наиболее эффективны те мероприятия, которые выполнены до сварки: рациональное конструирование изделия, обоснование минимально допустимых размеров швов, выбор способов сварки с наименьшими погонными энергиями, предотвращение одностороннего расположения сварных швов, использование соединений с отбортовкой кромок вместо нахлесточных или стыковых соединений, выбор рациональной последовательности сварки.
У сталей, склонных к образованию закалочных структур, резкое охлаждение шва и околошовной зоны вызывает значительные внутренние напряжения и даже появление трещин в наплавленном металле. Для уменьшения разности температур в изделии и обеспечения медленного охлаждения применяют предварительный подогрев изделия. При сварке в условиях низких температур такой подогрев обязателен даже для низкоуглеродистых сталей. Иногда газовым пламенем или другими способами уже после сварки проводят местный нагрев тех зон, последующая усадка которых также уменьшает деформации изделия.
Для снятия внутренних напряжений иногда применяют специальную термическую обработку сварных изделий: отжиг или нормализацию. Отжиг бывает полный или низкотемпературный. Полный отжиг заключается в нагреве изделия до температуры 800–950 °C, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате такой обработки пластичность и вязкость наплавленного металла и металла ЗТВ возрастают, а твердость металла снижается. При этом в сварном изделии полностью снимаются внутренние напряжения. Низкотемпературный отжиг (или высокий отпуск) заключается в нагреве сварного изделия до температуры 600–650 °C, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Так как температура нагрева ниже критической, то структурных изменений в металле не происходит. При меньших температурах нагрева сварочные напряжения снимаются частично.
Нормализация производится нагревом изделия до температуры на 30–40 °C выше критической, выдержкой при этой температуре и охлаждением на воздухе. Такая обработка является наилучшей для сварных изделий, так как не только снимает внутренние напряжения, но и позволяет получить мелкозернистую структуру металла. Особенно следует рекомендовать нормализацию для сварных изделий из низкоуглеродистых сталей, содержащих менее 0,25 % углерода.
Особенности сварки различных металлов
Сварка малоуглеродистых сталей обычно не создает особых трудностей. Технике сварки таких материалов посвящен весь предыдущий раздел. Здесь же будут рассмотрены специфические особенности свариваемости различных металлов, в т. ч. сталей.
Понятие свариваемости металлов
Принципиальная возможность сварки двух или нескольких твердых тел связана с их взаимной растворимостью в жидком состоянии, поскольку процесс диффузии между разными сплавами в твердом или жидком состоянии возможен при наличии растворимости одного или нескольких элементов свариваемых сплавов (в твердом или в жидком состоянии). Причем полная нерастворимость металлов в жидком состоянии исключает возможность растворимости их в твердом состоянии. Образование между ними какого-либо сварного соединения становится невозможным без помощи иного связывающего тела. Очевидно, лучше всего свариваются материалы с неограниченной взаимной растворимостью.
Однако при сварке плавлением нередко материалы хорошо свариваются и без всякой взаимной растворимости. Связано это с тем, что в сварочной ванне образуется расплав типа механической смеси, и при кристаллизации на зернах каждого из материалов, как на подложке из расплава, будут преимущественно надстраиваться атомы того же самого материала. В результате переход от каждого материала к материалу шва не будет резким, а изменение свойств при переходе через шов будет плавным.
В то же время при сварке давлением в твердом состоянии свариваемость таких материалов будет плохой. Отсутствие взаимной растворимости исключает взаимодиффузию, а при отсутствии жидкой ванны нет и перемешивания. В результате стык будет являться гетерогенной границей с невысоким, как правило, комплексом механических свойств. Поэтому качество сварки должно зависеть в первую очередь от способа диффузионного смешивания свариваемых тел в жидком состоянии, а в конечном счете – от технологических приемов процесса сварки.
Реакция свариваемых материалов на технологический процесс сварки и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации (т. е. без трещин, пор и других дефектов), называется свариваемостью. Причем свариваемость не является свойством тела самого по себе, безотносительно к другому телу. Понятие свариваемости двух или нескольких тел включает в себя отношение их между собой по способности образовывать сварное соединение между собой или с помощью других тел.
Критерием хорошей свариваемости является способность сохранения сварным соединением специальных физических, механических свойств – равнопрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости, антифрикционности, вязкости и т. д.
Свариваемость определяют три группы факторов:
● химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления[20], подготовительные операции (ковка, прокатка, термообработка деталей);
● сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов;
