Образование остаточных напряжений

В стадии охлаждения в зоне сварки (этап III) 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  усадка вдоль оси  в значительной мере компенсируется деформацией металла от , и при точечной сварке в этом направлении растягивающие напряжения невелики, а в приэлектродной области часто обнаруживаются остаточные сжимающие напряжения.

Усадка в продольном направлении (вдоль оси ) практически не остается некомпенсированной, 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  и окружных  напряжений (рис. 1).

Механизм образования этих напряжений можно пояснить следующей схемой. При охлаждении внутренние слои, например, в виде кольца стремятся укоротиться, однако соседние наружные более холодные слои препятствуют этому, и в них образуются остаточные растягивающие напряжения  и . При удалении от ядра температура и величина усадки снижаются, растягивающие напряжения уменьшаются до нуля. На значительном расстоянии  меняют свой знак и превращаются в сжимающие. Следует иметь в виду, что при охлаждении остаточные растягивающие напряжения могут превышать . После полного охлаждения уровень напряжений меньше , например, при точечной сварке деталей из сплава АМг6 они достигали 0,4…0,5.

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  и  в сжимающие. Это практически реализуется путем плавного или ступенчатого повышения усилия сжатия до  (рис. 2).

При использовании постоянного усилия  растягивающие напряжения  на пояске (точка А) образуются при температуре пластического состояния металла (например, для углеродистой стали 600 °С) и развиваются до полного охлаждения околошовной зоны. Однако, если через определенный промежуток времени  (точка Б) повысить усилие  до  или давление с  до  то остаточные напряжения  в зоне сварки будут преимущественно сжимающими. Наилучшим, но трудно выполнимым пока в сварочных машинах вариантом является плавное изменение усилия , при котором можно получить постоянное давление на охлаждающийся металл () и сжимающие остаточные напряжения .

Рис. 1. Остаточные напряжения после точечной сварки

Рис. 2. Схема напряженного состояния металла не стадии охлаждения;

, , , , ,  — средние давления и остаточные напряжения соответственно при отсутствии ковочного усилия () ступенчатом его изменении () и плавном увеличении ()

Уменьшить количество усадочных дефектов можно также снижением  путем замедленного охлаждения при использовании подогрева током, что дает возможность снизить , например, при точечной сварке алюминиевых сплавов на низкочастотных машинах и машинах постоянного тока до 20 % и более.

Так как 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 .