Деформации и напряжения при сварке. Деформации и напряжения при сварке

Скачать 1.18 Mb. Название Деформации и напряжения при сварке Дата 01.02.2018 Размер 1.18 Mb. Формат файла Имя файла Деформации и напряжения при сварке.doc.doc Тип Документы #31774

Деформации и напряжения при сварке Напряжением называется сила, отнесенная к единице поверхности или к единице площади поперечного сечения тела. Если сила измеряется в кгс, а площадь или поверхность в мм2, то напряжение будет измеряться в кгс/мм2. В зависимости от направления действующих усилий по отношению к рассматриваемому сечению металла и вызываемых ими деформаций в нем могут возникать следующие напряжения: растяжения, сжатия, изгиба, среза и кручения. Величина напряжения растяжения равна где σ - напряжение, кгс/мм2; Р - сила, кгс; Fо - площадь поперечного сечения образца до разрушения, мм2. Напряжение ов, при котором происходит разрушение образца под действием растягивающего усилия, называется временным сопротивлением разрыву. Напряжение 0Т, при котором металл продолжает удлиняться (как бы «течет») при постоянной величине растягивающего усилия, называется пределом текучести; он всегда меньше временного сопротивления. Для низко- и среднеуглеродистых сталей предел текучести от = 25—30 кгс/мм2, временное сопротивление ов = 42—45 кгс/мм2. Напряжения растяжения условно считают положительными и обозначают знаком ( + ), а напряжения сжатия — отрицательными (-). В сварных швах и соединениях при работе конструкции могут возникать все описанные выше виды напряжений, в зависимости от характера действующих нагрузок. Наиболее часто появляются напряжения растяжения и среза, которые приходится учитывать в первую очередь при расчете сварных швов на прочность. Ударное приложение нагрузки увеличивает ее действие на металл и повышает величину вызываемых ею напряжений. Для изделий, подвергающихся действию ударных нагрузок, должны применяться нехрупкие (вязкие) металлы. Сопротивляемость металла ударной нагрузке характеризуется ударной вязкостью, которая выражается работой в килограмм-сила-метрах (кгс-м), приходящейся на 1 см2 сечения образца и вызывающей его излом при ударе падающим грузом. Ударная вязкость обозначается ак. Сварные соединения, работающие при знакопеременной циклической нагрузке, подвергаются испытанию на усталостную прочность. Для этого используются специальные машины, в которых образец большое число раз (циклов) подвергается действию то растягивающих, то сжимающих нагрузок до разрушения. Число циклов составляет от 2 • 106 до 5 • 106. Напряжение, при котором происходит разрушение, называется пределом усталости. Главной причиной понижения усталостной прочности сварных соединений является концентрация (сосредоточение) напряжений. Напряжения могут концентрироваться в отдельных местах сварных соединений. Причинами концентрации напряжений являются: 1. Дефекты швов — острый надрез, непровар, трещина и другие, расположенные поперек действия растягивающих напряжений. 2. Неправильные очертания сварного шва, например, швы с большой выпуклостью и неплавным переходом от наплавленного металла к основному. 3. Нерациональная конструкция сварных соединений (например, большое число близко расположенных швов, образующих жесткий контур; наличие отверстий, входящих углов или отсутствие плавных переходов между сопрягаемыми элементами и сечениями в зоне действия высоких напряжений и др.). В местах концентрации напряжений суммарная величина их может превысить временное сопротивление разрыву наплавленного металла, что вызовет начало разрушения сварного шва, а в отдельных случаях приводит к разрушению сварной конструкции в целом. ТЕПЛОВЫЕ (ТЕРМИЧЕСКИЕ) ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ Деформации и напряжения, возникающие от неравномерного нагревания и охлаждения изделия, называются тепловыми, или термическими. Как известно, при нагревании все металлы расширяются, а при охлаждении — сжимаются. Незакрепленный участок металла, будучи нагрет и затем охлажден до первоначальной температуры, примет те же размеры, которые имел до нагревания. Величина расширения металла зависит от температуры нагрева и коэффициента линейного расширения. Коэффициенты линейного расширения металлов следующие: Допустим, что стержень 1, длина которого равна заштрихованной части (рис. 38, а), закреплен в жесткой рамке 2. Нагревание стержня вызвало бы его удлинение на длину А Б, если бы он мог свободно расширяться в рамке.  Так как стержень не может удлиняться, то он начнет оказывать давление изнутри на рамку, которая в свою очередь сжимает стержень с концов, вызывая в нем напряжения сжатия. Вследствие этого нагретый стержень, длина которого должна остаться без изменения, получит пластическую деформацию. В сечениях I—I и II —II рамки возникнут напряжения растяжения, которые будут тем больше, чем выше температура нагрева стержня. Если взять толстый стержень и слабую рамку, то она может разорваться по сечениям I—I и II—И. Если рамка жестче и прочнее стержня, последний изогнется и примет положение, показанное на рис. 38, а штрихом. При последующем охлаждении стержень, подвергшийся пластической деформации, стремится сократить свою длину на величину АБ В этом случае споротивление рамки вызовет в стержне напряжения растяжения и он может или разорваться или изогнуть рамку 2. Это же произойдет, если будем нагревать рамку 2 в сечениях I—I и II—11, оставляя стержень холодным. На величину деформации влияет теплопроводность свариваемого металла: чем выше теплопроводность, тем равномернее распределяется тепловой поток и тем меньше деформация. Поэтому при сварке нержавеющих сталей, обладающих меньшей теплопроводностью и большим коэффициентом линейного расширения, деформации получаются большими, чем при сварке низкоуглеродистой стали. Алюминий же, обладающий более высоким коэффициентом линейного расширения, но значительно лучше проводящий тепло, дает при сварке меньшие деформации по сравнению с низкоуглеродистой сталью. Термические напряжения при сварке возникают без воздействия внешних усилий. Такие напряжения в металле называются внутренними или собственными. Из собственных термических напряжений наибольшее значение имеют те, которые возникают во время охлаждения изделий (рис. 38, б). Если эти напряжения 1 действуют только вдоль шва, то они не влияют на прочность сварного соединения. Более опасны напряжения 2, действующие перпендикулярно оси шва (поперечные), так как они могут вызвать появление холодных трещин в шве и околошовной зоне. Если деформации и напряжения появляются в изделии только в процессе сварки и исчезают при остывании после сварки, они называются временными. Деформации и напряжения, которые сохраняются после сварки при полном охлаждении швов, называются остаточными. Когда металл обладает пластичностью и работает при статических нагрузках, остаточные напряжения практически не влияют на прочность сварной конструкции. Складываясь с напряжениями от рабочих нагрузок, общие напряжения вызывают пластическую деформацию металла и тем снимаются. В толстом металле (более 40 мм) возникают объемные остаточные напряжения, действующие в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Такие напряжения наиболее опасны для прочности конструкции, так как вызывают хрупкость металла. При наличии концентраторов напряжений (надрезов, непроваров, трещин и пр.), низкой окружающей температуры и повышенной жесткости конструкции возникновение пластических деформаций затруднено и в данном месте может появиться хрупкое разрушение металла. Для устранения остаточных напряжений в этом случае применяют термообработку после сварки. Остаточные деформации, если они выходят за пределы, допускаемые техническими условиями на изготовление данного изделия, требуют его правки после сварки.    ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ Неравномерное нагревание металла. Наличие сосредоточенного источника тепла (сварочное пламя, электрическая дуга), перемещающегося вдоль шва с какой-то скоростью и вызывающего неравномерное нагревание металла при сварке, является основной причиной возникновения внутренних напряжений и деформаций в сварных изделиях. Так, например, при сварке продольным швом двух листов, расположенных симметрично относительно оси шва (рис. 38, в), листы нагревают в средней зоне шириной b. При остывании шов от продольной усадки укорачивается с обеих сторон на величину Al, чему препятствуют наружные участки листов, менее нагретые. Вследствие этого в средней полосе после сварки возникнут напряжения растяжения ( + ), а в наружных полосах — напряжения сжатия (—), расположенные симметрично относительно шва. График этих напряжений показан на рис. 38, в, справа. Усадка наплавленного металла. Усадкой называется уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое. В результате усадки металла шва возникают растягивающие напряжения в соседних участках детали, которые вызывают в них соответствующие деформации. Различные металлы имеют разную усадку, обычно измеряемую в процентах от первоначального линейного размера: алюминий 1,7— 1,8, бронза 1,45—1,6, латунь 2,06, медь 2,1, сталь низкоуглеродистая литая 2,0, чугун серый литейный 0,7—0,8. Напряжения, вызванные усадкой, возрастают до момента перехода упругих деформаций в пластические. Если металл недостаточно пластичен, деталь может дать трещину в наиболее слабом месте, каким иногда является зона термическго влияния. Напряжения от усадки являются также одной из причин горячих трещин, возникающих во время затвердевания металла шва. При сварке происходит продольная и поперечная усадки. Если центр тяжести поперечного сечения шва не совпадает с центром тяжести сечения свариваемого элемента, то в результате продольной усадки возникает коробление в продольном направлении (рис. 39). Поперечная усадка дает угловые деформации, т. е. коробление листов (рис. 40) в сторону большего объема наплавленного металла. Поэтому при поперечной усадке листы будут коробиться вверх, в сторону утолщения шва. Если деталь закрепить, создав препятствие деформациям усадки, то в изделии появятся напряжения. При пластичном металле эти напряжения вызывают пластические деформации и не представляют опасности для прочности конструкции.   Величина деформации и связанных с ней напряжений зависит от величины зоны нагрева. Чем больший объем металла нагревается, тем сильнее будут деформации. Поэтому различные способы   сварки дают различную величину деформаций. Большая величина нагрева и деформации получается при газовой сварке кислородно-ацетиленовым пламенем, меньшая — при дуговой сварке металлическим электродом. Размеры и положение швов также влияют на величину деформаций. Наибольшие деформации вызывают длинные швы, швы с большим сечением, а также швы, расположенные несимметрично относительно главных осей сечения свариваемого профиля. Чем сложнее форма детали, чем больше в ней различных швов, тем скорее можно ожидать появления деформаций и напряжений при сварке. При односторонней наплавке плоских деталей уменьшение глубины и площади проплавления основного металла резко уменьшает коробление изделия. Искусственное охлаждение детали в процессе сварки уменьшает величину деформации. Структурные превращения в металле. При изменении структуры металла происходит изменение размеров и взаимного расположения его зерен (кристаллитов), сопровождающееся изменением объема металла, что вызывает внутренние напряжения. Напряжения, возникающие вследствие изменения структуры металла, могут иметь практическое значение только при сварке легированных и высокоуглеродистых сталей, склонных к закалке. При сварке низкоуглеродистой и низколегированной сталей, которые не закаливаются, возникающие от изменения структуры напряжения незначительны и не принимаются в расчет при изготовлении сварных конструкций.      ОСНОВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО УМЕНЬШЕНИЮ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ Для уменьшения деформаций и напряжений при сварке нужно руководствоваться следующими рекомендациями: 1. Применять такие марки электродов, которые дают пластичный металл шва. 2. Выполнять швы с меньшим количеством наплавленного металла, симметрично расположенные относительно центра тяжести сечения элемента; использовать прерывистые швы с расстоянием между ними не менее 30—40 мм. 3. Избегать в конструкциях, особенно работающих при ударных нагрузках, вибрациях и низких окружающих температурах, скоплений большого количества сварных швов и их пересечений друг с другом, а также коротких швов замкнутого контура, так как в подобных местах происходит концентрация собственных напряжений. 4. Симметрично располагать ребра жесткости в конструкциях. 5. Ограничивать применение накладок и косынок. 6. Применять по возможности стыковые швы, так как они обеспечивают наименьшую концентрацию напряжений. 7. Использовать методы секционного изготовления конструкций с последующей сборкой и сваркой готовых узлов, а также применять штампованные и литые детали при сборке узлов сложной конфигурации. В этом случае уменьшается неблагоприятное влияние жестких связей между отдельными деталями, образуемых сварными швами. 8. Преимущественнее применять швы с глубоким проплавлением, а также полуавтоматическую и автоматическую сварку под флюсом и в защитном газе, обеспечивающих большую скорость сварки, требующих малых зазоров между листами и обусловливающих более равномерное остывание шва. При полуавтоматической и автоматической сварке в защитных газах и порошковой проволокой возникают остаточные деформации меньшие, чем при ручной сварке покрытыми электродами. 9. Пользоваться сборочно-сварочными приспособлениями и кондукторами, обеспечивающими заданную точность сборки, получение швов равномерного сечения и соблюдение нужной последовательности сварки. Если зажимы кондукторов допускают перемещение деталей в результате усадки при сварке, то это снижает напряжения. При жестком закреплении деталей остаточные напряжения снижаются вследствие того, что в процессе сварки металл шва получает пластическую деформацию. 10. Правильно выбирать тепловой режим при сварке. Сваривать жестко закрепленные детали встык нужно при меньших тепловых режимах и применять электроды, дающие пластичный наплавленный металл. Если при сварке допускается свободное перемещение детали или основной металл склонен к закалке, то следует применять более мощный тепловой режим, что увеличивает объем разогреваемого металла и замедляет его остывание. При сварке закаливающихся сталей или металла больших толщин, а также сварке при низких окружающих температурах следует с целью уменьшения скорости охлаждения после сварки и разности температур между нагретыми и холодными частями изделий применять предварительный или сопутствующий подогрев изделия или околошовной зоны. Температура подогрева определяется свойствами металла и обычно составляет: для стали 400—600° С, чугуна 500—800°С, алюминия 200—270° С, бронзы 300—400° С. Низкотемпературный подогрев до 100—300° С нужен в случае сварки при низких окружающих температурах и трудносвариваемых сталей. 11. Соблюдать правильную последовательность наложения швов, при которой в свариваемых элементах, например листах, возможна свободная деформация. Например, при сварке листов настила (рис. 41, а) продольными и поперечными швами сначала выполняют все поперечные швы, соединяющие листы в полосы. После этого сваривают продольные швы, соединяющие полосы между собой. В этом случае листы могут свободно деформироваться в процессе сварки. На рис. 41, 6 цифрами показана правильная последовательность выполнения швов при сварке листов двутавровой балки.   Сваривать швы нужно на проход (при длине шва не более 300 мм) или от середины шва к его концам (при длине до 600 мм). В этом случае в середине шва возникают поперечные напряжения сжатия (рис. 42, а). Если вести сварку от концов шва к середине, то в средней части появятся поперечные напряжения растяжения (рис. 42, б), отчего в шве или околошовной зоне могут образоваться трещины. Стремиться к наиболее равномерному распределению тепла по поверхности свариваемых листов. На рис. 43 показан рациональный (а) и нерациональный (б) порядок приварки ребер к настилу из листов толщиной 8 мм. На рис. 43, а сначала свариваются все продольные угловые швы с одной стороны ребер, сварка ведется обратно-ступенчатым способом. Затем сваривают поперечные швы, после чего швы с другой стороны ребер: сначала продольные, потом поперечные. Швы накладывают так, чтобы всегда сваривались наиболее остывшие участки настила, а вызываемые наложением соседних швов деформации уравновешивали бы друг друга. При способе сварки, показанном на рис. 43, 6 этот принцип не соблюдается, поэтому настил значительно коробится и объем работ, связанный с последующей правкой, примерно на 30% больше, чем при сварке по схеме, показанной на рис. 43, а. 13. При сварке металла толщиной свыше 14 мм выбирать наиболее целесообразный способ подготовки кромок. На рис. 44 показано влияние на выполнение шва симметричной Х-образной подготовки кромок при многослойной двусторонней сварке. Вследствие большего объема наплавленного металла при сварке второй стороны шва возникла угловая деформация. При сварке стыковых швов, чтобы предупредить коробление листов, применяют временные ребра жесткости из уголков (рис. 45, а), для тонких листов (до 6 мм) или из прямоугольных планок со скобами для более толстых листов (рис. 45, б). После сварки всего шва эти ребра жесткости срубаются, чтобы предупредить угловую деформацию швов. При сварке тавровых соединений (рис. 45, в) приваривают временные распорки из уголка или тавра. Снижения поперечной усадки в стыковых швах можно достигнуть также уменьшением угла раскрытия кромок до 50° вместо обычно применяемого угла в 60°, а также применением V-образ-ной подготовки кромок с увеличенным до 3—5 мм затуплением. При этом придерживаются указанной цифрами последовательности наложения швов, которая почти полностью исключает угловые деформации (рис. 46). При V-образной подготовке кромок затупление занимает 1/3 толщины металла, а 2/3 приходится на скошенную часть.   14. Металл большой толщины (свыше 20—25 мм) сваривать многослойным швом. В этом случае швы накладывают «горкой» (рис. 47, а) или «каскадом» (рис. 47, б). Заполнив горку, сварку ведут в обе стороны от нее короткими валиками тем же способом. При этом зона сварки все время поддерживается в нагретом состоянии, что обеспечивает более равномерное распределение тепла и уменьшение напряжений в металле. 15. Проковывать в случае необходимости каждый слой многослойного шва ударами пневмозубила с закругленным бойком. Последний слой проковке не подвергается. Однако этот способ трудоемкий, требует наличия пневмоинструмента, создает шум в цехе и поэтому может быть, использован только в отдельных случаях. 16. С целью уменьшения коробления листов швы длиной более 600 мм выполнять в обратноступенчатом порядке. Чем короче шов, тем меньше деформируется изделие. Длинный шов делят на участки длиной 150—200 мм с таким расчетом, чтобы каждый участок мог быть сварен одним электродом или целым числом электродов. Сварку ведут в порядке, указанном на рис. 48, начиная с начала шва, а длинные швы — с середины. В этом случае деформации, возникающие при наложении соседних коротких участков шва, будут иметь противоположное направление. При обратноступенчатой сварке многослойных швов каждый последующий слой накладывают в обратном направлении по отношению к предыдущему. Стыки разных слоев должны располагаться вразбежку, т. е. не совпадать друг с другом. Уменьшение деформаций при обратноступенчатом способе наложения шва объясняется также и тем, что при нагреве тепло распределяется более равномерно. Весь шов получает равномерные деформации, как это схематически показано на рис. 48 (внизу). 17. Уравновешивать деформации, для чего порядок наложения швов должен быть таким, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные тем, которые возникли при наложении предыдущего шва. На рис. 49, а показан порядок наложения швов при сварке балки двутаврового сечения. Деформации шва 2 действуют в направлении, противоположном деформациям шва 1, выпрямляя балку, покоробившуюся при сварке шва 1. То же происходит при наложении швов 3 и 4. Можно также сваривать швы без искривления в таком порядке: 1; 4; 3 и 2. На рис. 49,б, виг цифрами показан порядок наложения валиков при продольной наплавке круглого стержня. Валики накладываются с разных сторон стержня на небольшой его ширине. Не следует наплавлять сначала одну половину стержня, а затем вторую (см. рис. 49, б), так как в этом случае первоначальные деформации могут полностью не уничтожиться и вал искривится. 18. Использовать обратные деформации. В этом случае в детали перед сваркой искусственно вызывают деформацию, обратную тем, которые она должна получить при сварке (рис. 50 и 51). Обратные деформации обычно используют в конструкциях, у которых сварные швы расположены только с одной стороны оси изделия, или на разных расстояниях от нее. Величина предварительной деформации для низкоуглеродистой стали СтЗ должна составлять 1—2% от первоначальных размеров и зависит от формы изделия. При сварке тавровых соединений угловую деформацию (рис. 52, а) можно устранить подготовкой кромок под сварку с увеличенным зазором (рис. 52, б). В этом случае деформация резко уменьшается, так как металл шва имеет возможность свободной усадки в направлении, обозначенном стрелками (рис. 52, в). 19. Применять искусственное охлаждение в процессе сварки, что уменьшает зону нагрева металла и деформацию изделия. Для охлаждения изделие погружают в воду, оставляя на поверхности только свариваемое место, или кладут под шов толстую подкладку Из красной меди, которая обладает высокой теплопроводностью и хорошо отводит тепло, или массивную подкладку из стали. Использование медных и стальных подкладок дает хороший результат при сварке тонколистовой нержавеющей стали, когда необходимо обеспечить хороший отвод тепла во избежание сильного перегрева и коробления изделия. Иногда медные и стальные подкладки дополнительно охлаждают водой, пропуская ее по каналам, сделанным в теле подкладки. 20. Применять отжиг или нормализацию изделия после сварки. Отжиг или нормализация полностью устраняют внутренние напряжения в изделии, возникающие при сварке. 21. Применять холодную или горячую правку изделий после сварки. Холодная правка производится домкратами, прессом, ударами молота или кувалды со стороны наибольшего выгиба изделия. Этот способ довольно дорогой, трудоемкий, и при неправильном применении может привести к появлению трещин, разрывов в швах и основном металле. 22. Весьма эффективным является метод исправления деформаций тонколистовых изделий путем холодной прокатки роликами шва и околошовной зоны после сварки на ширине 7—20 мм. Необходимое давление определяют по формуле: где Р0 — усилие нажатия ролика, кгс; b — ширина рабочего пояска ролика, см; d — диаметр ролика, см; h — толщина прокатываемого металла, см; от и Е — предел текучести и модуль упругости прокатываемого металла, кгс/см2. При прокатке в металле появляются пластические деформации, устраняющие возникшие напряжения и вызванную ими деформацию. С этой же целью в процессе сварки тонкие листы проковывают молотком, чтобы избежать появления так называемых «хлопунов» при нагреве. 23. При горячей правке осуществляется местный нагрев сварочными горелками до температуры пластического состояния участка металла на выпуклой стороне изделий. При остывании на этом участке возникают напряжения растяжения, выправляющие изделие. Для устранения остаточных напряжений после холодной или горячей правки, если это требуется по условиям работы конструкции, производят термообработку сварного изделия. В качестве примера на рис. 53, а, б, в даны схемы нагрева при горячей правке. Штрихом указано направление изгиба в процессе предварительного нагрева, стрелками - направление нагрева, цифрами - очередность нагрева, а заштрихованными участками - зоны нагрева.   При последующем охлаждении балка будет изгибаться в обратном (указанному штрихом) направлении и в большей степени. В двутавровой балке при сварке полки изгибаются: верхняя— краями вниз, а нижняя — краями вверх. Вертикальная стенка изгибается в вертикальной плоскости и образуется серповидность. При помощи нагрева правят сначала верхнюю полку, затем — нижнюю и вертикальную стенку и в последнюю очередь серповидность. На рис. 53, г показана правка нагревов выпучин в тонком листе. При правке лист нагревают отдельными участками (пятнами) в местах, указанных точками и расположенных по основанию выпучины. Каждый следующий участок нагревают после остывания предыдущего. Стрелками показан порядок и направление нагрева.    ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ ИЗДЕЛИЙ Термическая обработка изделий после сварки производится для устранения (снятия) в них остаточных напряжений в тех случаях, когда это требуется техническими условиями на изготовление данного изделия. Применяют следующие виды термической обработки. Полный отжиг. Стальное изделие нагревают до 820—930° С, выдерживают при этой температуре их затем медленно охлаждают. Полный отжиг обеспечивает: 1) получение мелкозернистого строения, что повышает пластичность металла шва и переходной зоны. Благодаря улучшению сцепления между зернами возрастает вязкость металла; 2) понижение твердости металла шва, что облегчает последующую обработку его резанием или давлением; 3) уничтожение внутренних напряжений в сварном изделии. Время выдержки при температуре отжига составляет от 0,75 до 1 мин на 1 мм толщины изделия; общее время выдержки должно быть не менее 30 мин. Затем изделие медленно охлаждают вместе с печью со скоростью от 50 до 75° в час до температуры 300° С, после чего его можно вынуть из печи и охлаждать на спокойном воздухе. Слишком длительная выдержка при температуре отжига вредна, так как способствует росту зерен. Особенно это сказывается на мягкой низкоуглеродистой стали при температуре выше 1000° С. Ниже этой температуры рост зерна будет незначителен даже при выдержке до 7—8 ч. На рис. 54 показана схема изменения структуры стали при полном отжиге. До отжига металл имеет крупнозернистое строение (рис. 54, а). При определенной температуре внутри крупных зерен образуются мелкие зерна (рис. 54,6). К концу нагревания этот процесс заканчивается и металл приобретает равномерное и однородное строение (рис. 54, в). Если сталь начать медленно охлаждать, то мелкозернистое строение сохранится, а по границам зерен выделится мягкое пластичное чистое железо — феррит (рис. 54, г), обеспечивающий хорошую связь между зернами и делающий сталь вязкой и пластичной. Такая структура остается и после отжига. Если при отжиге нагревать сталь до 1200° С, т. е. до начала оплавления в среде, содержащей кислород, то произойдет не только перегрев, но и пережог (окисление) металла. Пережженная сталь имеет окисленные с поверхности зерна, обладает большой хрупкостью и малой прочностью. Если перегретую сталь можно исправить повторным отжигом, то пережженный металл исправить нельзя. Нормализация. Нормализация отличается от полного отжига большей скоростью охлаждения. Повышенная скорость охлаждения в первые моменты после нагрева позволяет получить мелкозернистое строение металла. С этой целью сварное изделие после нагрева до температуры на 20—30° выше критической и выдержки вынимают из печи и охлаждают на воздухе. При нормализации металл шва получается несколько более прочным, но менее пластичным, чем при отжиге. Чем больше углерода и марганца содержит сталь, тем более заметно понижение пластичности при нормализации. Для мягкой низкоуглеродистой стали, содержащей менее 0,2% углерода, вместо отжига рекомендуется применять нормализацию. Отжиг для снятия напряжений (низкотемпературный отжиг или высокий отпуск). Для снятия напряжений изделие нагревают до 600—650° С и после выдержки (из расчета 2—2,5 мин на 1 мм толщины металла, но не менее 30 мин) подвергают медленному охлаждению вместе с печью. Поскольку при этом металл нагревается до температуры, лежащей ниже критической, изменений структуры не происходит. При отпуске изделие можно нагревать до более низкой температуры, но тогда напряжения частично останутся в изделии, хотя «пики» их значительно снизятся. Так, например, при 400—500°С снимается до 50%, а при 200—300° С — до 10—20% остаточных напряжений, возникающих в процессе сварки. Для отжига и нормализации всей сварной конструкции требуются соответствующие печи. Высокий отпуск устраняет остаточные напряжения и повышает пластичность металла, но не ликвидирует сварочные деформации. Для устранения деформаций детали следует предварительно зажать в приспособление, придав им требуемую форму, а затем подвергнуть высокому отпуску. После этого детали сохраняют ту форму, какую они имели в приспособлении.    ВЛИЯНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР НА СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Влияние низких температур на основной металл. При понижении температуры ниже известного предела обычные углеродистые стали и наплавленный металл становятся хрупкими и их ударная вязкость резко понижается, хотя временное сопротивление стали при этом даже возрастает Если при температуре 20° С ударная вязкость стали Ст. 3 около 13 кгс-м/см2, то при — 40° С она составит только 0,5—1 кгс-м/см2. Поэтому сварные соединения из обычной стали при температуре ниже — 40° С могут давать трещины при ударных нагрузках или в местах концентрации напряжений. Отжиг после сварки устраняет внутренние напряжения и повышает надежность эксплуатации конструкции при пониженных температурах. Низкоуглеродистые легированные стали, содержащие свыше 3% никеля, например нержавеющие хромоникелевые стали, а также цветные металлы (медь, латунь, алюминий), не уменьшают своей ударной вязкости даже при очень низких температурах (до —250° С) и не становятся хрупкими. Поэтому их широко используют в изделиях, работающих при низких температурах, напри мер, в аппаратах и сосудах для получения и хранения жидкого воздуха, жидкого кислорода, жидкого водорода, жидкого гелия и пр. Сварка при низких окружающих температурах. Низкая окружающая температура при выполнении сварки (сварка на холоде) оказывает влияние на механические свойства наплавленного металла низкоуглеродистой стали. При температуре ниже — 20° С сталь Ст. 3 несколько понижает ударную вязкость, заметно уменьшается угол загиба, что свидетельствует о повышении хрупкости металла сварного шва. Поэтому в шве могут образоваться трещины уже в процессе сварки на холоде. Наибольшие трудности возникают при сварке на холоде сталей, содержащих углерода свыше 0,25%, а также легированных марганцем, хромом и молибденом, склонных к закалке. В этом случае вследствие быстрого охлаждения участков, прилегающих к сварному шву, которые при этом частично закаливаются и становятся более твердыми и хрупкими, могут появиться трещины. Для предупреждения образования трещин такие стали на холоде следует сваривать с предварительным подогревом места сварки и медленным охлаждением шва после сварки. Сварка на холоде хромоникелевых нержавеющих сталей и цветных металлов не влияет на свойства наплавленного металла и поэтому вполне допустима. Для подогрева изделий при сварке на холоде применяют индукционные нагревательные устройства - индукторы (рис. 55). Нагревательное устройство состоит из стального магнитопровода и обмотки. На рис. 55, а изображен индуктор с незамкнутым сердечником 1, которым он устанавливается на нагреваемый лист 3, а обмотка 2 подключается к вторичной обмотке сварочного трансформатора 4. Свободные концы обмотки нагревателя и вторичной обмотки трансформатора замыкаются на нагреваемое изделие. При прохождении по обмотке индуктора переменного тока в магнитопроводе и воздушном пространстве окало полюсов сердечника возникает сильное переменное магнитное поле, которое индуктирует электродвижущую силу в нагреваемом изделии. Под действием электродвижущей силы в изделии возникают вихревые токи, нагревающие металл. Для нагрева труб, колонн, стержней и резервуаров небольшого диаметра применяют индукторы без специального сердечника (рис. 55, б), которым в данном случае служит сама нагреваемая труба 1, вокруг трубы навивается обмотка 2. включаемая последовательно во вторичную обмотку сварочного трансформатора 3. Переносные индукторы для подогрева имеют мощность порядка 9-10 ква и вес около 30 кГ. Скорость нагрева составляет 70— 80 град/мин. Переменное магнитное поле индуктора оказывает влияние на сварочную дугу, вызывая «магнитное дутье», которое распространяется на расстояние около 100 мм от индуктора. Температура нагрева металла определяется путем нанесения на него полосок термокраски (термоиндикатора), которая при нагревании до 150-200° С изменяет свой цвет. Нагревание ведется вдоль оси шва участками длиной до 800 мм и шириной до 200 мм, для чего индуктор на данном участке устанавливается дважды. В многослойных швах подогрев индуктором производится только при наложении первого валика. Последующие слои нужно наплавлять на металл, неполностью остывший после наплавки предыдущего слоя.