Высокотемпературный характер сварочных работ, резко выраженная локальность нагрева и неравномерность охлаждения приводят к возникновению напряжений и деформаций в соединяемых изделиях. Это свойственно как бюджетному, так и премиальному сварочному оборудованию, Lincoln Electric способен создавать деформационные напряжения ничуть не меньше, чем экономичный Сварог или самый простенький Эсаб. Цена на сварочные аппараты напрямую с появлением напряжений и деформаций не коррелирует, они обусловлены целым комплексом причин. В частности, высокая производительность и универсальность работы по разным сплавам, что свойственно для дорогостоящих инверторов, являются дополнительными факторами возникновения деформационных напряжений.

Основные причины сварочных деформаций и напряжений таковы:

1. Неравномерный нагрев. Тепловое расширение расплавленного металла приводит к механическому давлению на прилегающие к шву слои. В количественном виде величина возникающих напряжений напрямую зависит от значения теплового коэффициента линейного расширения и температуры пятна дуги. Низкая теплопроводность свариваемого металла также чревата появлением деформаций.


2. Литейная усадка при охлаждении ЗТВ. При остывании шва или стыка происходит объемное уменьшение наплавленного металла. Усадка уже сама по себе означает появление растягивающих сил, а пространственная неравномерность охлаждения влечет появление непредсказуемой направленности сил растяжения. Чем меньше объем расплава, тем незначительнее деформации при его охлаждении. Например, новейшее сварочное оборудование Lincoln Electric способно проплавлять сталь на значительные глубины с минимальной шириной швов. Соответственно, и литейная усадка при работе таких аппаратов будет небольшой.


3. Структурные изменения в расплавленном металле. Самая нежелательная причина деформаций, так как влечет появление и растягивающих, и сжимающих сил в глубине расплава. Например, сварка углеродистых сталей может сопровождаться преобразованием феррита как в аустенит (при больших температурах катодного пятна), так и в мартенсит (при резком охлаждении). Мартенсит объемнее феррита, аустенит более плотен – возникает сложная картина разнонаправленных механических сил. На практике большинство легированных марок сталей и сплавы с содержанием более 0.4 % углерода могут растрескиваться при сварке именно ввиду структурных превращений. При сваривании низкоуглеродистых сталей изменения структуры незначительны и к появлению остаточных напряжений приводят реже.

Главной проблемой образующихся при сварке деформаций и напряжений является снижение механической прочности всей конструкции. Особенно опасна внешняя нагрузка на такое изделие – при совпадении векторов внутренних сил и внешнего воздействия запас прочности может снизиться настолько, что произойдет спонтанное разрушение ответственной детали или узла. Так как принципиально устранить деформационные изменения нельзя, в зависимости от конкретных сварочных условий используется ряд технологических приемов. Большое значение имеет точный выбор режима работы оборудования; правильный расчет конструкции узла или стыка; оптимальное расположение швов и грамотная последовательность их выполнения (для многослойной сварки). Например:

• Швы длиной более 0.5 – 0.7 метров сваривают обратноступенчатым способом, направление сварки каждого участка противоположно общему вектору шва. Обратно-ступенчатый шов сглаживает деформационные напряжения, в первую очередь по их амплитуде.


• Многослойные швы выполняются методом «каскад» или «горка». Для улучшения механических характеристик часто используется послойная проковка таких слоистых шовных конструкций, за исключением начального (корневого) и завершающего слоя. При многослойной сварке важна грамотная последовательность наложения швов, чтобы возникающие напряжения взаимно компенсировались. Скажем, приваривание поперечин в конструкциях типа двутавровых балок следует выполнять «крест-накрест». Широкие настилы из нескольких листов сначала соединяют в две полосы, потом сваривают полосы вдоль торцов, далее продолжают сборку полос с последующим наращиванием настила по ширине. Общим правилом для таких сборных конструкций является возможность пространственной деформации отдельных элементов без ущерба для работы и надежности всего узла (изделия, детали).


• Металлы и сплавы с высокой вязкостью требуют сварочных технологий, которые обеспечивают существенное снижение остаточных напряжений. Самый простой способ – это интенсивный теплоотвод за счет водяного охлаждения (погружного или струйного). К сожалению, далеко не все металлы выдерживают резкий перепад температур. Как альтернатива водяному охлаждению используются вспомогательные подкладки из материалов с высокой теплопроводностью – например, из меди. Для ответственных и дорогостоящих конструкций из вязкого металла применяется сварка с последующим полным остыванием в оснасточно-сборочных приспособлениях. Для такого премиального сварочного оборудования, как Lincoln Electric или Эсаб цена временных затрат на полное остывание может быть неоправданно высокой платой для устранения деформаций и напряжений.


• Поэтому при сварке многих марок сталей (особенно высокоуглеродистых) большое распространение получили методы термической подготовки – предварительный подогрев, нормализацию и отжиг.

Подогрев обеспечивает снижение температурных неравномерностей и гарантирует медленное охлаждение после сварки. При работе на морозе предварительный прогрев деталей рекомендован для большинства стальных изделий, в том числе низкоуглеродистых.

Полный отжиг – это нагрев сваренного узла до 800°С  –  950°С в специальных печах, выдержке при данной температуре и остывании детали вместе с печью. Полный отжиг обеспечивает устранение внутренних напряжений за счет повышения вязкости и пластичности всей зоны термического воздействия. Объемные и дорогостоящие печи и длительный характер отжига предполагают использование данной технологии только по ответственным конструкциям и с применением высококачественных сварочных аппаратов или инверторов – EWM, BlueWeld или Эсаб. «Цена» полного отжига в плане механических характеристик – уменьшение твердости шовного металла.

Отжиг при пониженной температуре аналогичен «полной» процедуре, за исключением температурных параметров. «Пониженный» отжиг выполняют при T = 600°С - 650°С. При  низкотемпературном отжиге структурных изменений в ЗТВ не наблюдается и твердость швов не снижается. Однако и сварочные напряжения данная технология снимает только частично.

Нормализация предполагает нагрев и выдержку при температурах, превышающих критический уровень возникновения структурных превращений в металле шва (примерно на 30 - 40°С). Охлаждение при нормализации происходит не в печах, а на открытом воздухе, иногда с принудительной вентиляцией. Метод оптимален для изделий из низкоуглеродистых сталей, так как кроме ликвидации напряжений в зоне термического воздействия способствует получению мелкозернистых структур в шовном металле.