Сварка, как и другие процессы обработки металлов (литье, термообработка, штамповка и др.), вызывает возникновение в деталях собственных (внутренних) напряжений. Во многих случаях собственные напряжения бывают настолько высокими, что вызывают значительные деформации детали и снижение ее работоспособности.
Основные причины возникновения напряжений и деформаций следующие:
· неравномерный нагрев металла. Местный нагрев металла в зоне сварки от температуры окружающей среды до температуры плавления и затем быстрое охлаждение приводят к образованию тепловых напряжений;
· линейная усадка наплавленного металла. Затвердевший металл уменьшается в объеме, а так как он жестко связан с основным металлом детали, то в переходной зоне возникают внутренние напряжения растяжения;
· структурные изменения возникают в металлах при быстром охлаждении, когда перлитно-ферритная или аустенитная структура околошовной зоны переходит в мартенситную, объем которой больше объема исходной структуры.
Широкий диапазон изменения температуры в месте сварки приводит к изменению физических и механических характеристик металла в околошовной зоне. Из графика (рис. 1) видно, что относительное удлинение δт в интервале температур от 100 до 350 °C снижается, а предел прочности стали σв повышается. Максимальное возрастание прочности в интервале 200—350 °C при понижении пластичности часто бывает причиной образования в металле трещин. Коэффициент
Рис. 1. Изменение свойств низкоуглеродистой стали в зависимости от температуры.
линейного расширения α с повышением температуры возрастает, а модуль упругости Е резко падает и при температуре около 650 °C практически равен нулю, т. е. сталь утрачивает свои упругие свойства. Предел текучести σ, с повышением температуры снижается. Изменение предела текучести в зависимости от температуры аппроксимируют ломаной прямой линией и принимают таким, как показано на графике штриховой линией.
Структурные изменения, происходящие в металле при нагреве и охлаждении, сопровождаются объемными изменениями, которые и становятся причиной возникновения структурных напряжений. На рис. 2 показана зависимость объемных изменений в стали при нагреве и охлаждении.
Границы нагрева АС1 и АС3 показывают начало и конец образования аустенита, а кривая 1 — изменение объема сталей всех марок при нагреве. В интервале температур АС 1 — АС 3 α-железо переходит в γ-железо, плотность которого выше, т. е. наблюдается уменьшение объема при нагревании. При охлаждении изменение объема идет по кривой 2. В низкоуглеродистых сталях распад аустенита происходит в интервале температур 900—700 °C, когда сталь пластична, поэтому объемные изменения не вызывают заметного образования структурных напряжений. У закаливающихся и особенно у легированных сталей из-за податливости к переохлаждению распад аустенита происходит при более низких температурах.
Рис. 2. Объемные изменения в стали при нагреве и охлаждении
Так, при полной закалке аустенит переохлаждается до температуры 200—350 °C и затем сразу переходит в мартенсит с резким увеличением объема (кривая 3 на рис. 2). В интервале температур 200—350 °C сталь имеет высокую прочность и упругость, поэтому объемные изменения сопровождаются образованием структурных напряжений. В объемах с мартенситной структурой возникают остаточные напряжения сжатия, а по границам — продольные напряжения растяжения. В более пластичных сталях растягивающие напряжения вызывают пластические деформации, а в более хрупких — трещины и даже отколы.