Процес зварювання плавленням супроводжується нагріванням металу зварювального з'єднання, який зазнає структурні і хімічні зміни. Розрізняють три зони з'єднання: зону наплавленого металу, зону термічного впливу зварювання і зону основного металу. Зоною термічного впливу називають прилеглий до шву ділянку основного металу, в якому відбуваються структурні фазові зміни внаслідок нагрівання до температури вище 720 о С. Глибина цієї зони при ручному зварюванні приблизно дорівнює 3 ... 6 мм, при автоматичній - 2 ... 4 мм.
Обов'язковою умовою зварювання є підтримання температури розплавленого металу шва (стали) в інтервалі 1500 ... 1600 о С.
Внутрішні зварювальні напруги в зварних швах і з'єднаннях виникають в результаті лінійної усадки наплавленого металу через нерівномірне нагрівання зварюваного металу і зміни обсягу металу при зміні його структури. При зварюванні ділянки, що оточують місце зварювання, чинять опір розвитку температурних деформацій, піддаючись стиску. Під час затвердіння і наступного охолодження обсяг металу шва зменшується - відбувається лінійна усадка, але, так як він вже жорстко пов'язаний з основним металом, його усадка викликає поява внутрішніх напружень. Чим більше обсяг наплавленого металу, тим більше внутрішні напруги і деформації.
Величина сили стиснення визначається температурним подовженням при нагріванні # 916; l. рівному:
де # 945; = 0,000012 о С -1 - коефіцієнт лінійного розширення для стали при t ≈ 20 о С;
# 916; t = t2- t1 - різниця температур до і після нагрівання елемента;
l - початкова довжина елемента.
При зварюванні в стик двох листів стикових швом за один прохід виникають не тільки поздовжні, а й поперечні зварювальні напруги і деформації (рис. 10.11). Епюру поздовжніх напружень # 963; y можна уявити як комбінацію епюр, які утворюються при наплавленні шва на кромку кожного аркуша.
Мал. 10.11. Зварювальні напруги при з'єднанні листів встик:
а - епюри зварювальних напружень; б - зменшення зварювальних
напруг назад-ступінчастою зварюванням
поперечні напруги # 963; x виникають внаслідок неодновременного (послідовного) накладення зварного шва по довжині стику.
З огляду на те, що зварений шов з'єднує обидва листи по прямій лінії, створюється перешкода їх вигинаючи (штрихові лінії) і виникає епюра поперечних зварювальних напруг # 963; x.
Для зменшення поперечних зварювальних напруг може бути застосований обратноступенчатий спосіб зварювання, при якому шов накладається окремими ділянками, при чому напрямок зварювання на кожній дільниці назад загальному напрямку накладення шва.
Особливо великі і небезпечні зварювальні напруги виникають при зварюванні в стик деталей, закріплених від вільних переміщень в напрямку стику (рис. 10.12). При розігріві на початку зварювання деталі вільно подовжуються і зближуються між собою. Після накладення шва вони з'єднуються в зближеному стані. При охолодженні шов і деталі прагнуть скоротитися, однак кінці їх закріплені, через що в деталях виникають великі напруги, що розтягують, здатні розірвати виріб.
У з'єднаннях кутовими швами також виникають зварювальні напруги і деформації. У накладають аркуші нахлесточного з'єднання розвиваються однозначні напруги по краях і разнозначних в середині (рис. 10.13, а). Якщо лист вузький, тобто шви знаходяться на невеликій відстані один від одного, то істотно зростають поперечні напруги # 963; x.
У самих швах теж виникають поперечні усадці напруження, оскільки жорсткість зварювальних листів перешкоджає вільному скорочення шва при охолодженні. Внутрішня частина шва при цьому виявляється розтягнутою, а поверхневий шар, що остигає швидше, - стисненим (рис. 10.13, б). У багатошаровому кутовому шві (як, втім, і стиковому) кожний наступний шар при охолодженні стискає попередній, чому усадочні напруги зменшуються (рис. 10.13, в).
Вплив зварювальних напруг і деформацій на якість і роботу конструкцій. Деформації і напруги, які утворюються під час зварювання, по-різному впливають на роботу конструкцій. Цей вплив може бути як великою, так і незначною, як негативним, так і позитивним.
Якщо тимчасові внутрішні розтягують деформації металу шва перевищують його пластичні властивості при кристалізації, то утворюються неприпустимі дефекти типу гарячих тріщин.
Мал. 10.13. Зварювальні напруги в кутовому шві:
а - епюри зварювальних напружень; б - одношарова зварювання;
в - багатошарова зварка
Залишкові зварювальні деформації, як правило, погіршують роботу конструкцій, приводячи до відхилень від проектних розмірів. Спотворення розмірів елементів зварних конструкцій ускладнює в деяких випадках подальшу збірку, приводячи до додаткових дорогим операціям щодо виправлення конструкцій. Однак іноді залишкові зварювальні деформації можуть мати позитивний вплив на роботу конструкцій. Наприклад, серповидність двотаврової балки можна використовувати як початковий будівельний підйом.
Скорочення елементів конструкцій від зварювання вимагає виготовлення деталей і вузлів зварних конструкцій кілька великих розмірів. Величина, на яку збільшуються розміри конструкції, називається припуском і визначається або розрахунком, або досвідченим шляхом.
Вплив зварювальних напружень на міцність з'єднання. Багаторічний досвід спорудження та експлуатації сталевих зварних конструкцій показав, що міцність їх при статичної та динамічної навантаженнях в більшості випадках не залежить від наявності залишкових напружень. При залишкових напругах лінійного характеру, які збігаються за знаком з напругою від навантаження, може змінитися величина зусиль, що викликають місцевий перехід напруг за межі плинності і поява пластичних деформацій. Після досягнення в найбільш напружених точках конструкції межі текучості подальше зростання напруги припиниться, тому що відбудеться перерозподіл напружень на прилеглі зони металу. Цим забезпечується висока міцність зварних з'єднань.
При плоскому однозначному поле зварювальних напруг (наприклад, середня зона двох аркушів, зварених встик, що зазнають розтягування в двох напрямках) вони перешкоджають розвитку пластичності при підсумовуванні зварювальних і силових напружень і можуть викликати крихке руйнування вироби. Їх несприятливий вплив посилюється джерелами концентрації напружень внаслідок дефектів зварного шва. Особливо небезпечні зварювальні напруги, що з'являються при зварюванні товстих виробів, так як в цьому випадку розподіл залишкових напружень носить об'ємний характер, ще більш ускладнює вплив пластичності матеріалу на вирівнювання напруги.
Залишкові зварювальні деформації, впливаючи на геометричну форму конструкцій і їх елементів, іноді знижують їх несучу здатність. Такі деформації, як викривлення поздовжньої осі елементів, що працюють на стиск, грибоподібних полиць балок і колон, викривлення стінок балки і колони (під дією стискаючих зварювальних напружень виникають в стінці так звані хлопунов) можуть значно знизити значення критичних навантажень, що викликають втрату стійкості конструкції.
Розмір залишкових деформацій залежить від технології складально-зварювальних робіт і конструктивної форми. Остання може мати вирішальне значення, тому в процесі конструювання повинні бути заздалегідь відомі характер очікуваних деформацій і їх орієнтовні розміри.