При применении сварки в конструкции возникают деформации и напряжения, обусловленные неравномерностью нагрева зоны шва, либо процессами перекристаллизации, происходящими в шве.

Сварочные напряжения, возникающие в процессе нагрева и остающиеся после охлаждения, не связаны с какими-либо внешними силовыми воздействиями на конструкцию. Они являются внутренними и могут быть названы «собственными».

Собственные напряжения появляются не только при сварке, но и при многих других процессах обработки металла (прокатке, ковке, штамповке, литье).

Впервые проблема внутренних напряжений была поставлена в 1887 г. русским металлургом Н. В. Калакуцким, который отмечал, что «... величина и характер внутренних напряжений находятся в прямой зависимости от условий обработки; эти напряжения могут быть видоизменены в широких пределах и техника в состоянии указать для этого вполне надежные, верные и весьма простые средства».

Установить внутренние напряжения осмотром конструкции невозможно. Скрытый характер этих напряжений и невозможность контроля за ними вызывали серьезные опасения. Высказывались даже мнения, что из-за больших внутренних напряжений применять сварку для крупных конструкций вообще нельзя.

Однако анализ и тщательное изучение случаев разрушений сварных конструкций привели к противоположным выводам, а именно: в подавляющем большинстве случаев, в частности и в судовых конструкциях, выполняемых из пластичных материалов, наличие высоких сварочных напряжений не снижает прочности и не вызывает никаких опасений относительно работоспособности сооружений.

При изучении напряжений, возникающих при сварке, приходится учитывать резкое колебание температур, изменение механических характеристик и даже физических состояний металла от нагрева. Из-за этих неизбежных усложнений пока еще невозможно выразить закономерности деформирования точными математическими зависимостями.

С другой стороны, для решения неотложных задач практики необходимо уже сейчас с той или иной степенью точности оценивать ожидаемые деформации и напряжения при нагреве изделия и полном его охлаждении после сварки. Поэтому были приняты некоторые упрощающие предположения, которые сделали возможной разработку методов расчета сварочных деформаций и напряжений; это позволило с достаточной для практики степенью точности определять расчетным путем деформации конструкций, состоящих из простых элементов. Принятые расчетные схемы могут служить основанием для определения деформаций и напряжений и в более сложных конструкциях.

В этой области сварки оказались весьма плодотворными работы советских ученых. Исследования сварочных напряжений производил В. П. Вологдин, изложивший результаты своих работ в простой и доступной форме. Широко известны работы Н. О. Окерблома и его сотрудников в Ленинградском политехническом институте, исследования Г. А. Николаева в Московском высшем техническом училище им. Баумана, и другие. Исследования Н. Н. Рыкалина и созданная им теория распространения тепла при сварке послужили прочной основой для дальнейшего изучения проблемы напряжений и деформаций при сварке.

В результате местного (неравномерного) нагрева металла, обусловленного воздействием концентрированного источника теплоты, в сварной конструкции возникают временные и остаточные сварочные напряжения. Временные сварочные напряжения наблюдаются только в определенный момент сварки в процессе изменения температуры. Напряжения, существующие после окончания сварки конструкции и полного ее остывания, называют остаточными сварочными напряжениями или сварочными напряжениями. Они возникают в результате затруднений расширения и сжатия металла при его нагреве и остывании. Затрудненность расширения и сжатия металла обусловлена тем, что нагретый участок со всех сторон окружен холодным металлом, размеры которого не претерпевают никаких изменений. Реактивные остаточные напряжения возникают в связи с дополнительным закреплением свариваемых деталей (в приспособлении, при жестком закреплении и т. п.), также препятствующим нормальному протеканию процессов расширения и сжатия. Реактивные напряжения характеризуются неуравновешенной эпюрой напряжений.

Структурные напряжения возникают в конструкции вследствие структурных превращений участков металла околошовной зоны, нагретых в процессе сварки до температуры выше критических точек. Значительные по величине структурные напряжения возникают при сварке закаливающихся сталей, при охлаждении которых после сварки в околошовной зоне образуются мартенсит-ные, имеющие наибольший удельный объем структуры.

Различают сварочные напряжения трех родов. В сварных конструкциях из низкоуглеродистых и низколегированных сталей в основном развиваются сварочные напряжения первого рода. Они действуют и уравновешиваются в значительных, соизмеримых с размерами конструкции или отдельных ее деталей, объемах. При определенных условиях возможно возникновение сварочных напряжений второго и третьего родов — действующих и уравновешивающихся в пределах отдельных зерен металла.

В зависимости от пространственного расположения и взаимодействия различают сварочные напряжения: линейные или одноосные, действующие только по одной оси в одном направлении (рис. 4-14, а), плоскостные или двухосные, действующие в двух направлениях (рис. 4-14, б), и объемные или трехосные, действующие в трех направлениях (рис. 4-14, в). По направлению действия различают продольные и расположенные поперек оси шва линейные сварочные напряжения (рис. 4-15).

Рис. 4-14. Различные виды напряженного состояния; напряжения:
а - линейные; б - плоскостные;
в - объемные сварочные

Рис. 4-15. Продольные (1) и поперечные (2) напряжения в сварном соединении

Практика эксплуатации сварных конструкций показывает, что в большинстве случаев сварочные напряжения не снижают несущей способности конструкций. По вопросу о влиянии, оказываемом сварочными напряжениями на работоспособность сварной конструкции, нет единого мнения. Большинство исследователей приходит к выводу о том, что линейные сварочные напряжения не снижают прочности сварных конструкций ни при одном из видов нагрузок (статической, вибрационной, ударной), если металл, из которого изготовлена конструкция, в процессе ее эксплуатации находится в пластическом состоянии. Однако, если металл находится в хрупком состоянии, т. е. не способен к пластическому деформированию, наличие даже линейных сварочных напряжений может привести к снижению несущей способности конструкции.

Даже такой пластичный металл, как низкоуглеродистая сталь, при определенных условиях (низкая температура, резкая концентрация напряжений, наличие дефектов) может находиться в хрупком состоянии. Недостаточно ясно также влияние на прочность конструкции сварочных напряжений с плоскостным и объемным характером распределения. Большинство исследователей считают, что и при этом не происходит снижения прочности конструкции при статической (в чистом виде) нагрузке и пластичном состоянии металла.

Технологию сварки и сборки конструкции следует разрабатывать с учетом обеспечения минимальной величины сварочных напряжений, и там, где это диктуется условиями работы конструкции, предусматривать снятие этих напряжений. При этом следует учитывать, что снятие сварочных напряжений — весьма трудоемкая и сложная операция, и к ней следует прибегать только при действительной, технически обоснованной необходимости. Если значения сварочных напряжений достигнут предела текучести металла, они вызовут его пластическую деформацию, а следовательно, и изменения размеров и формы свариваемой конструкции, т. е. ее деформацию (коробление).