Сварочные деформации и остаточные напряжения

Сварочные деформации и остаточные напряжения — закономерные следствия неравномерного нагрева и усадки металла при сварке плавлением. Зона шва и околошовная зона нагреваются до температуры плавления и выше точки фазовых превращений, тогда как соседние участки остаются относительно холодными. Стеснённое тепловое расширение и последующая усадка приводят к появлению пластических деформаций, искажений геометрии конструкции и поля собственных напряжений, сохраняющегося после остывания.

Ниже разобраны природа усадки, виды сварочных деформаций, характер остаточных напряжений, конструктивные и технологические меры их снижения, а также методы правки и термообработки сварных изделий.

Природа сварочной усадки

При сварке плавлением металл шва и узкая прилегающая околошовная зона нагреваются до температур, при которых предел текучести материала падает практически до нуля. Свободному расширению этих волокон препятствует холодная остальная часть детали — в результате нагретый объём пластически сжимается. При последующем остывании эти же волокна стремятся сократиться, но к моменту охлаждения они уже укорочены пластическим сжатием, и их «недостаток длины» компенсируется растяжением. Так формируются усадочные напряжения и остаточные деформации.

В зоне активных пластических деформаций при остывании образуется растяжение, а в окружающем основном металле — уравновешивающее сжатие. Эпюра самоуравновешена: интеграл напряжений по сечению равен нулю.

Различают два основных направления усадки: продольную (вдоль оси шва) и поперечную (перпендикулярно оси шва). Сочетание этих усадок и стеснение их соседними участками порождает всё многообразие сварочных деформаций.

Виды сварочных деформаций

Деформации классифицируют по характеру изменения геометрии конструкции и по соотношению с размерами свариваемого изделия.

По масштабу различают:

• местные деформации — изменения формы в пределах сварного соединения (угловая, грибовидность);
• общие деформации — изменение формы и размеров всей конструкции (продольное и поперечное укорочение, изгиб, скручивание).

По времени проявления — временные (существуют только в процессе сварки и остывания) и остаточные (сохраняются после полного охлаждения).

Остаточные напряжения в сварном соединении

После остывания в сварном соединении сохраняется самоуравновешенное поле остаточных напряжений. В однопроходном стыковом шве типовая картина выглядит так:

• Продольные напряжения σ_x (вдоль шва) — растягивающие в металле шва и узкой прилегающей зоне, сжимающие в основном металле вдали от шва.
• Поперечные напряжения σ_y (поперёк шва) — знакопеременные по длине шва; их распределение сильно зависит от жёсткости заделки и условий стеснения.

В зоне активных пластических деформаций (металл шва и узкая околошовная полоса) уровень продольных растягивающих напряжений у пластичных сталей перлитного класса, у аустенитных сталей, а также у ряда сплавов алюминия близок к пределу текучести σ_т материала в этой зоне. Эта особенность важна для прочностных расчётов сварных соединений и оценки склонности к хрупкому разрушению и коррозии под напряжением.

Структурные превращения металла при остывании могут существенно изменить эпюру. У отдельных классов сталей с мартенситным превращением, протекающим при низких температурах и сопровождающимся увеличением удельного объёма, в шве возможно появление остаточных сжимающих продольных напряжений вместо растягивающих. Поэтому для каждой группы сталей характер поля напряжений анализируют отдельно.

Остаточные растягивающие напряжения вблизи концентраторов (поры, подрезы, несплавления, резкое изменение сечения) суммируются с эксплуатационными и могут стать причиной хрупкого, усталостного или коррозионного разрушения. Это основная причина, по которой высокие остаточные напряжения снижают для ответственных конструкций.

Что влияет на величину деформаций и напряжений

Конструктивные меры снижения деформаций

Часть мер закладывается ещё на стадии проектирования. Они дешевле и эффективнее, чем последующая правка.

• Минимизация числа и длины швов. Лишний шов — лишний источник усадки. Где допустимо — использовать гнутые профили и горячекатаные сечения вместо сварных.
• Симметричное расположение швов относительно центра тяжести сечения. Несимметричные швы вызывают изгиб всей конструкции.
• Стыковые швы предпочтительнее угловых при сопоставимой нагрузке: меньше угловой деформации и грибовидности.
• Рациональный выбор размера катета в тавровых и нахлёсточных соединениях. Завышенный катет означает большие тепловложения и большие деформации без выигрыша по прочности.
• Разделка кромок с минимальным объёмом наплавленного металла при заданной глубине проплавления (например, U- и X-образная разделка вместо V-образной на толстом металле).
• Усиление сечения рёбрами жёсткости в тонкостенных элементах — снижает риск потери устойчивости от сжимающих напряжений.

Технологические меры: порядок швов, режим, подогрев

Последовательность сварки

Рациональный порядок наложения швов позволяет уравновесить усадки и не «копить» деформации в одной части конструкции.

1. Сначала — стыковые швы. Они выполняются на свободно собранных деталях, до приварки рёбер и фасонок, чтобы поперечная усадка проходила без стеснения.
2. Затем — тавровые и угловые швы. После стыковых, когда основное полотно уже сформировано.
3. Симметричное наложение. Парные швы (например, с двух сторон стенки тавра) выполняют одновременно или поочерёдно короткими участками, чтобы усадки компенсировали друг друга.
4. Сварка «от середины к краям» длинных швов — обратноступенчатым способом. Это уменьшает накопленное продольное укорочение и риск отрыва прихваток.
5. Узловая сборка. Сначала сваривают отдельные узлы, потом соединяют их в общую конструкцию — это снижает суммарную жёсткость стеснения и облегчает правку.

Режим сварки

Снижение погонной энергии сварки (отношения мощности источника к скорости перемещения) уменьшает ширину зоны нагрева и итоговые деформации. Практические приёмы:

• увеличение скорости сварки при сохранении тока и напряжения;
• применение более концентрированных источников (импульсно-дуговая, лазерная, электронно-лучевая сварка);
• многопроходная сварка тонкими валиками вместо одного толстого валика на больших толщинах.

Предварительный подогрев

Подогрев основного металла перед сваркой замедляет охлаждение шва и зоны термического влияния. Цели:

• уменьшение перепада температур между зоной шва и основным металлом, а значит — снижение градиента деформаций;
• предотвращение закалочных структур и холодных трещин в сталях, склонных к подкалке;
• удаление влаги с поверхности кромок;
• снижение уровня остаточных напряжений за счёт более равномерного остывания.

Температура подогрева, ширина зоны нагрева и допустимое время между окончанием сварки и термообработкой регламентируются нормативной документацией для конкретной марки стали, толщины и условий эксплуатации.

Назначение температуры подогрева и режима охлаждения «по аналогии» без проверки нормативного документа на конкретную сталь и толщину — частая причина образования трещин и брака. Для трубопроводов, сосудов давления, ответственных металлоконструкций режимы установлены отдельными нормативами.

Жёсткое закрепление и обратные деформации

Два противоположных подхода управления формой.

Сварка с жёстким закреплением

Деталь фиксируется в стапеле или кондукторе, и усадка не может реализоваться в виде свободного коробления. Конечная геометрия близка к проектной, но возрастают остаточные напряжения — стеснённая усадка переходит в упругопластическое поле. Подход применим там, где геометрия важнее, а уровень напряжений будет снижен последующей термообработкой.

Сварка с обратной деформацией (предварительный прогиб)

Перед сваркой детали собирают с прогибом или раскрытием кромок в сторону, противоположную ожидаемой деформации. После остывания усадка возвращает изделие в проектное положение. Метод требует знания величины ожидаемой усадки — её определяют расчётом или по результатам аналогичных сварок.

Правка сварных конструкций

Если деформации превысили допуск, форму восстанавливают правкой. Различают три основных способа.

Холодная правка не допускается в местах резкого изменения сечения, в зонах приварки рёбер и фасонок, на хрупких и склонных к старению сталях, а также при отрицательных температурах ниже допустимых для марки стали. Для каждой группы сталей и конструкций ограничения на холодную правку задаются нормативной документацией.

Параметры термической правки (температура нагрева, форма и размер пятен/полос, последовательность) подбираются под конкретный тип деформации (грибовидность, саблевидность, винтовая деформация) и контролируются по поверхности измерительным инструментом и шаблонами.

Послесварочная термообработка

Послесварочная термообработка (PWHT — post-weld heat treatment) снижает уровень остаточных напряжений и улучшает структуру металла шва и зоны термического влияния. Основные виды:

Механизм снижения напряжений при отпуске: при повышении температуры предел текучести металла падает, и упругие остаточные напряжения, превышающие новый, более низкий предел текучести, релаксируют через микропластические деформации. После выдержки и медленного охлаждения уровень остаточных напряжений существенно ниже исходного. Конкретные режимы PWHT — температура, скорость нагрева, время выдержки на единицу толщины, скорость охлаждения, ширина зоны нагрева — задаются нормативными документами для конкретной марки материала и типа изделия, а также действующей технологической инструкцией предприятия.

Альтернативные методы снижения напряжений

• Вибрационная обработка — низкочастотные колебания вблизи резонансной частоты конструкции для перераспределения остаточных напряжений;
• Поверхностное наклёпывание (упрочняющая обработка дробью, иглами, ультразвуком) — создаёт сжимающие напряжения в поверхностном слое, повышает усталостную долговечность сварных соединений;
• Проковка швов в горячем или промежуточном состоянии — снижает поперечные растягивающие напряжения;
• Локальная термомеханическая обработка — нагрев в сочетании с дозированным механическим усилием.

Контроль остаточных напряжений

Методы измерения остаточных напряжений делятся на разрушающие, частично-разрушающие и неразрушающие.

Типовые ошибки

• Сварка несимметричной конструкции без учёта эксцентриситета швов — итоговый прогиб не вписывается в допуск, требуется дорогая правка.
• Сначала привариваются рёбра жёсткости, потом выполняются стыковые швы. Стыки оказываются стеснены, поперечная усадка не реализуется — растут остаточные напряжения и риск трещин в концевых участках швов.
• Длинные швы выполняются «напроход» вместо обратноступенчатого способа — накопленная продольная усадка деформирует всю конструкцию.
• Завышенный катет угловых швов в стремлении «сделать запас» — больше тепловложение, больше деформация и угловой разворот без выигрыша по прочности.
• Игнорирование предварительного подогрева сталей, склонных к подкалке — холодные трещины в зоне термического влияния, особенно при пониженной температуре окружающей среды.
• Холодная правка в зонах концентраторов и в околошовной зоне сталей повышенной прочности — провоцирует трещины и охрупчивание.
• Локальная термическая правка пятнами без контроля температуры — пережог поверхности, изменение структуры и механических свойств.
• Замена нормативно требуемой PWHT «вибрационной обработкой» без подтверждения эквивалентности — недопустимо для сосудов давления и трубопроводов, работающих под давлением.
• Сварка после длительного перерыва между проходами без поддержания межслойной температуры — рост скорости охлаждения, риск закалочных структур.

Вопросы и ответы