Образование остаточных напряжений

В стадии охлаждения в зоне сварки (этап III на рис. 2.1) возникает сложнонапряженное состояние металла из-за несвободной усадки и действия усилия сжатия.

Характер распределения внутренних напряжений изменяется во времени, так как зависит не только от усадки и внешнего давления, но и от сопротивления пластической деформации металла. В начале охлаждения или при относительно малом значении сопротивления пластической деформации а_д усадка вдоль оси z в значительной мере компенсируется деформацией металла от F_CB. При точечной сварке растягивающие напряжения в этом направлении невелики, а в приэлектродной области часто обнаруживаются остаточные сжимающие напряжения.

Усадка в продольном направлении (вдоль оси г) практически не компенсируется, так как за счет охлаждения вокруг литого ядра образуется своеобразный жесткий каркас, препятствующий деформации от внешнего усилия в этом направлении. Поэтому в центральной части зоны сварки получают развитие процессы образования остаточных радиальных а_г и окружных а_е напряжений.

Механизм образования этих напряжений можно пояснить следующей схемой (рис. 2.22). При охлаждении внутренние слои, например в виде кольца, стремятся укоротиться, чему соседние наружные более холодные слои препятствуют. Поэтому в металле образуются остаточные растягивающие напряжения а_г и а₀. При удалении от ядра температура и величина усадки снижаются, растягивающие напряжения уменьшаются до нуля. На значительном расстоянии а₀ меняют свой знак и превращаются в сжимающие. Следует иметь в виду, что при охлаждении остаточные растягивающие напряжения могут достигать предела текучести а_т. После полного охлаждения уровень напряжений меньше а_т (например, при точечной сварке деталей из сплава АМгб они составляют (0,4-0,5) с_я).

Если по мере охлаждения зоны сварки за счет увеличения внешнего давления вызвать дополнительную пластическую деформацию металла и тем самым обеспечить компенсацию усадочных процессов, можно снизить и даже преобразовать растягивающие напряжения а_г и о₀ в сжимающие. Это практически реализуется путем плавного или ступенчатого повышения усилия сжатия до ковочного значения F_KOB.

Рис. 2.22. Остаточные напряжения после сварки

Плавное изменение усилия F_KOB является наилучшим, но сложно реализуемым в сварочных машинах вариантом, который позволяет получить постоянное давление на охлаждающийся металл и в результате — сжимающие остаточные напряжения. Уменьшить количество усадочных дефектов можно также снижением сопротивления пластической деформации а_д путем замедленного охлаждения при использовании подогрева током, что дает возможность снизить F_K0в, например, при точечной сварке алюминиевых сплавов на низкочастотных машинах и машинах постоянного тока до 20% и более.

Поскольку образование остаточных напряжений за счет усадки продолжается до полного охлаждения, то становится значимым время проковки. При точечной сварке стали 09Г2С толщиной 6 + 6 мм увеличением этого времени с 0,5 до 7 с удается повысить предел выносливости при многоцикловой нагрузке с 60 до 120 МПа. При сварке малых толщин (до 1 мм) обеспечить необходимую для снижения остаточных растягивающих напряжений деформацию можно без приложения F_Kon.