Лекция № 14 Сварочный термический цикл. Напряжения и деформации при сварке

металле зависит от мощности теплового источника, физических свойств металла (теплоемкость,

температура плавления и др.), размеров свариваемой конструкции, скорости перемещения источника теплоты и т.д.

Т0 – температура окружающей среды

q – источник теплоты;

Vсв – скорость сварки;

Тпл – температура плавления металла;

Тх и Tz – распределение температур по оси Х и Z;

ТмахА; ТмахВ; ТмахС – макс. температура
нагрева в точках А, В и С;

Тy мах – распределение макс. температур
вдоль оси У;

t махА; t махВ; t махС – время
достижения макс. температуры
в точках А, В и С;

Температурное поле, создаваемое источником теплоты в металле сварного изделия

нагрев и последующее охлаждение.
Изменение Т в какой либо точке

Св-С от времени (t) называется сварочным термическим циклом (СТЦ) (рис. а и б).

Тмах – максимальная Т нагрева в точке Св-С при укладке одного валика при однопроходной сварке;
Тмах1 - … в точке Св-С при укладке первого валика многопроходного соединения;
Тмах2 - ......в той же точке Св-С при укладке второго ………;
Тмах3 - ..... в той же точке Св-С при укладке третьего ……….

а и б – термический цикл однопроходной и многопроходной сварки

– макс. температура нагрева;

Тирз – температура интенсивного роста зерна

(зависит от хим. состава металла ~ 900-1100 0С);

tирз – время пребывания выше температуры интенсивного роста зерна, с;

t8/5 - время пребывания в интервале температур 800 – 500 0С;

t6/5 – время пребывания в интервале температур 600 – 500 0С, с;

tн – время нагрева до максимальной температуры, с;

Vсв – скорость сварки, м/ч;

W6|5 – скорость охлаждения в интервале температур 600–500 0С/ с.

W6|5 = (600-500)/ t6/5 = 100/ t6/5, 0С/с

действием температурного поля источника теплоты в металле Св-С происходят физико-химические

и термодеформационные процессы.

Физико-химические процессы при сварке характеризуются фазовыми и структурными превращениями.
Полнота и степень этих превращений зависит от параметров СТЦ и химического состава материала

1. Фазовые:
а - полиморфные превращения (образование в зависимости от скорости охлаждения перлита, сорбита, троостита, бейнита и мартенсита);
б - растворение (при нагреве) и выделение (при охлаждении) новых фаз при изменении растворимости примесей.

2. Структурные:
а - рост зерна в условиях сварочного термического цикла;
б - рекристаллизация (рост новых зерен в области низких температур).

одинаковой природой (феррит + цементит); перлит, сорбит, троостит, бейнит и

мартенсит.




Мартенсит снижает пластичность металла и может привести к образованию холодных трещин в шве и ЗТВ

Размер зерна зависит от:

химического состава стали;
максимальной температуры нагрева Тмах;
времени пребывания (t ирз) выше температуры интенсивного роста зерна (Тирз)

Чем больше t ирз, тем больше размер (площадь) зерна.

Крупнозернистая структура приводит к снижению пластичности металла и может стать причиной образования трещин в сварном шве и ЗТВ

СВ-С

При сварке различные точки Св-С имеют разные СТЦ, Тmax, t

ирз, Vохл.

Следствие – в Св-С можно получить слои металла, отличающиеся друг от друга по фазовому составу, структурному состоянию и механическим свойствам

Схема строения ЗТВ
Св-С при однослойной дуговой сварке низкоуглеродистой стали с содержанием углерода С=0,2%

с основным металлом материал электрода (прис. проволоки) или только основной

металл.

Литая структура из столбчатых кристаллов (пониженные прочность и пластичность).

1. Участок неполного расплавления (околошовная зона ОШЗ) – область (0,1–0,4 мм) с Т = 1530- 1470 °С – переходный от наплавленного металла к основному - проходит граница сплавления

Резкий рост зерен, скопление примесей - наиболее слабое место Св-С с пониженной прочностью и пластичностью.

2. Участок перегрева – (0,2… 4 мм) с Т = 1470 – 1100 °С.

Крупнозернистая структура, пониженные мех. свойства (пластичность, ударная вязкость).

3. Участок нормализации  — (0,2...4 мм) с Т = 900... 1100 °С.

Мелкозернистая структура, механические свойства металла выше, чем у осн. металла.

700...900 °С.
Смесь мелких перекристаллизовавшихся зерен и крупных зерен, которые

не успели перекристаллизоваться.
Более низкие мех. свойства, чем металл предыдущего участка.

5. Участок рекристаллизации – (0,3…5 мм) с Т = 500...700 °С.

Рост зерна, огрубление структуры и разупрочнение.

 6. Участок старения – (0,4…6 мм) с Т = 300 – 500 °С. Переход от ЗТВ к осн. металлу.

Старение из-за выпадения карбидов железа и нитридов – мех. свойства понижаются.

 7. Основной металл, который не претерпевал заметных изменений в процессе сварки.
 Участки 1,2,3,4,5,6 – составляют зону термического влияния (ЗТВ)

меньше тепловое воздействие, тем уже ЗТВ.
При электрошлаковой сварке ЗТВ

- 25 мм и более;
при газовой сварке - 15-20 мм;
при сварке под флюсом средних толщин - около 10 мм;
ручной дуговой сварке - 3–6 мм,
при сварке в защитных газах - 1–3 мм;
при лазерной и электронно-лучевой – 0,1–0,9 мм.

Чем выше скорость нагрева и охлаждения, тем меньше размеры ЗТВ

рост зерна снижают качество СВ-С.
Эти факторы зависят от вида

сварки и параметров термического цикла сварки.

1. Вид сварки
Последовательность уменьшения размеров ЗТВ по основным видам и способам сварки:

Электрошлаковая → газовая → автоматическая дуговая под флюсом → РДС → дуговая в защитных газах → контактная → плазменная → электронно-лучевая → лазерная.

2. Параметры термического цикла сварки
Оптимальную структуру и размер зерна ЗТВ дает идеальный термический цикл.

а – идеальный;
б – при электродуговой сварке;
в – при электронно-лучевой и лазерной сварке

Тмах – максимальная температура нагрева;
Тирз – температура интенсивного роста зерна.

Малое время пребывания выше Тирз сдерживает рост зерна, а медленное охлаждение снижает вероятность образования закалочных структур, что улучшает качество ЗТВ.

Необходимо осуществлять подогрев заготовок.

причина образования трещин, изменения формы и размеров сварного изделия.
Любое

силовое или температурное воздействие на тело сопровождается возникновением в нем напряжений и деформаций.

напряжениями и деформациями.

Основные причины возникновения собственных напряжений в сварных

соединениях:

1 - неравномерное распределение температур в металле при сварке;
2 - литейная усадка сварного шва;
3 - фазовые превращения в нагретом металле при сварке.


1. Образование собств. напряжений в результате неравномерного нагрева металла
Жесткая связь между нагретыми и холодными участками металла приводит к тому, что расширяющиеся при нагреве и укорачивающиеся при охлаждении слои металла, нагретые до высоких температур, встречают препятствие со стороны холодных слоев.
В Св-С возникают собственные напряжения, направленные на преодоление этого препятствия.


2. Образование собств. напряжений в результате литейной усадки сварного шва
При затвердевании объем металла шва уменьшается. Ввиду того, что металл шва жёстко связан с основным металлом, остающимся в неизменном объёме, в сварном шве возникают собственные напряжения.
Чем меньше количество расплавленного металла, тем меньше значения напряжений.

1. Укорочение (усадка) Св-С вдоль оси Х
Не нагретая заготовка

будет препятствовать сокращению шва (г), после полного остывания он уменьшится не на величину свободного сокращения, а на меньшую величину .
В соединении возникнут собственные напряжения.
Чем жёстче заготовка, тем больше собственные сварочные напряжения.

2, 3. Укорочение Св-С вдоль осей Y и Z происходит аналогично (Х и У).

Распределение температур по оси Z более равномерно, собственные напряжения по толщине меньше, чем вдоль осей Х и У, ими можно пренебречь.

б – заготовки и сварной шов, представленные раздельно;
в – укорочение l1 шва при свободном сокращении;
г – совместное сокращение l2 Св-С.

1 – свариваемые заготовки;
2 – сварной шов.
В – ширина шва.

а - сварное соединение;

при сварке

Фазовые превращения при сварке вызывают растягивающие и сжим. собств.

напряжения:

при нагреве углеродистых сталей: феррит → аустенит – объем уменьшается;
при резком охлаждении высокоуглеродистых сталей аустенит → мартенсит –
объем увеличивается;
при сварке низкоуглеродистой стали напряжения от фазовых превращений практически не изменяются;
закаливающиеся стали значительно изменяются в объеме из-за фазовых превращений.



Образование остаточных напряжений при сварке

Напряжения от неравномерного нагрева, литейной усадки сварного шва и от фазовых превращений суммируясь, образуют собственные сварочные напряжения, которые, как правило, превышают предел текучести металла.


После полного остывания шов окажется пластически растянутым силой, действующей на него со стороны заготовки, а заготовка будет упруго сжата силой со стороны шва.

– совпадающие центры тяжести сварного шва и Св-С;
∆пр –

продольная деформация;
∆п – поперечная деформация;
Рп –поперечная усадка сварного шва;
Рпр – продольная усадка сварного шва.

Продольные и поперечные деформации происходят при симметричной укладке сварных швов (когда центр тяжести (ЦТ) сварного шва и Св-С совпадают.

В результате продольных и поперечных деформаций происходит сокращение сварного изделия по длине и ширине.

ОБРАЗОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ

При сварке происходят продольная (вдоль оси Х) и поперечная (вдоль оси У) усадки расплавленного металла сварного шва, результат – деформация сварных изделий.
Если возникающие напряжения превышают предел текучести металла, в Св-С возникают остаточные деформации, сохраняющиеся после сварки.

1. Образование деформаций в плоскости Св-С

1.1. Продольная и поперечная деформации Св-С

поперечной усадки сварного шва
Схема образования угловой деформации стыкового Св-С

α –

угловая деформация Св-С;
е – эксцентриситет;
Рп – поперечная усадка сварного шва;
Миз – изгибающий момент.

Угловые деформации происходят в тех случаях, когда центр тяжести (ЦТ) сварного шва и Св-С не совпадают. В результате образуется эксцентриситет е.

Поперечная усадка Рп, действуя на плече е создает изгибающий момент Миз и возникает угловая деформация α (3 –7° от толщины металла).

Схема образования деформации изгиба при сварке торцевого соединения

1 – торцевой

шов; f –стрела прогиба; е – эксцентриситет (расстояние между центрами тяжести сварного шва и Св-С); Рпр – продольная усадка сварного шва; Миз – изгибающий момент.

Деформации изгиба происходят в тех случаях, когда центр тяжести сварного шва и Св-С не совпадают.

Продольная усадка Рпр торцевого шва 1, действуя на плече е, создает изгибающий момент Миз.

Под действием Миз происходит изгиб Св-С, характеризуемый стрелой прогиба f. Величина прогиба балки может достигать 5 мм и более.