Методы уменьшения сварочных напряжений и деформаций

Методы снижения сварочных напряжений и устранения остаточных деформацийЕсли меры предотвращения образования сварочных напряжений и деформаций оказываются недостаточными, появляется необходимость в устранении (снятии) возникших напряжений и деформаций.
Содержание

Методы уменьшения сварочных напряжений и деформаций

Методы снижения сварочных напряжений и устранения остаточных деформаций

Сообщение об ошибке

Методы снижения сварочных напряжений и устранения остаточных деформаций

Если меры предотвращения образования сварочных напряжений и деформаций оказываются недостаточными, появляется необходимость в устранении (снятии) возникших напряжений и деформаций.

Снятие сварочных напряжений путем термообработки. Для полного снятия напряжений сварные соединения подвергают термообработке. С этой целью при сварке углеродистых конструкционных сталей проводят общий высокий отпуск конструкции (нагрев до 630 — 650 º С с выдержкой при этой температуре в течение 2- 3 мин на 1 мм толщины металла). Охлаждение должно быть медленным для того, чтобы при его прохождении снова не возникли напряжения. Режим охлаждения в основном зависит от химического состава стали. Чем больше содержание элементов, способствующих закалке, тем меньше должна быть скорость охлаждения. Во многих случаях деталь охлаждают до температуры 300 º С с печью, а затем на спокойном воздухе.

При высоком отпуске сварочные напряжения снимаются вследствие того, что при температуре 600 º С предел текучести металла близок к нулю и материал практически не оказывает сопротивления пластической деформации, в процессе которой происходит релаксация сварочных напряжений. При температуре отпуска 600 — 620 º С наблюдается некоторое охрупчивание металла, порог хладноломкости перемещается в сторону положительных температур. Особенно это проявляется на сталях, содержащих ванадий. Снижение температуры отпуска до 550 — 560 º С устраняет указанный недостаток.

В ряде случаев можно ограничиться высоким отпуском отдельных элементов конструкции. Так, при изготовлении сферических резервуаров для хранения различных продуктов ограничиваются только отпуском лепестков с приваренными люками. Отпуск отдельных узлов применяют также при изготовлении сварных рам тележек вагонов и локомотивов. Такие операции значительно проще, чем отпуск всей конструкции, и, как показал опыт, обеспечивают требуемую эксплуатационную надежность.

Высокий отпуск является дорогой операцией, удлиняющей технологический процесс изготовления конструкции, и его следует применять в действительно необходимых случаях. Если механическая обработка проводится на детали, не прошедшей отпуска, то в связи с перераспределением напряжений может произойти изменение ее размеров. В большинстве случаев при сварке изделий из стали с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов можно ограничиться только предварительным местным или общим подогревом и не проводить последующей термообработки.

Термопластический метод снятия напряжений. Метод основан на создании пластических деформаций в зоне шва, что осуществляется путем нагрева смежных со швом участков основного металла.

При этом достигается тот же эффект, что и при растяжении внешними силами. Снятие напряжений достигается только при тщательной регулировке источника нагрева и определенной скорости перемещения его вдоль шва.

Снятие сварочных напряжений с помощью аргоно-дуговой обработки. Одной из мер снятия сварочных напряжений является расплавление участка перехода от шва к основному металлу неплавящимся электродом в аргоне. При этом нарушается равновесие внутренних сил напряженного поля вследствие перехода части металла в жидкое и пластическое состояние. Естественно, что при кристаллизации расплавленного металла будут вновь возникать напряжения, однако они сравнительно малы, так как количество этого металла во много раз меньше, чем металла шва. Расплавление небольшого количества основного металла и металла шва приводит к уменьшению напряжений на 60 — 70%. Получаемый при этом плавный переход от шва к основному металлу способствует значительному повышению прочности сварных соединений при переменных нагрузках (рис. 1.)

Рис. 1. Кривые выносливости сварных образцов из стали 10Г2Б с накладками: 1 — швы оплавлены; 2 — швы не обработаны

Снятие сварочных напряжений путем проковки металла шва и околошовной зоны. Сварочные напряжения могут быть сняты почти полностью, если в шве и околошовной зоне создать дополнительные пластические деформации. Это достигается проковкой швов. Проковку производят в процессе остывания металла при температурах 450 º С и выше либо от 150 º С и ниже. В интервале температур 400 — 200 º С в связи с пониженной пластичностью металла при ее проковке возможно образование надрывов. Специаль ный нагрев сварного соединения для выполнения проковки, как правило, не требуется. Удары наносят вручную молотком массой 0,6 — 1,2 кг с закругленным бойком или пневматическим молотком с небольшим усилием. При многослойной сварке проковывают каждый слой, за исключением первого, в котором от удара могут возникнуть трещины. Этот прием применяют для снятия напряжений при заварке трещин и замыкающих швов в жестких конструкциях. Проковка сварного соединения также способствует повышению усталостной прочности конструкции.

Снятие сварочных напряжений путем нагружения конструкции до напряжений, равных пределу текучести металла. Эффективной мерой снятия сварочных напряжений в конструкциях, изготовляемых из незакаливающихся сталей, является воздействие на сварную конструкцию внешних сил, от которых в ней возникают напряжения, равные пределу текучести металла. Нагружение конструкции должно быть статическим и проводиться в условиях, когда металл находится в пластическом состоянии (при положительной температуре). Такой метод снятия напряжений особо следует рекомендовать для конструкций, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (низкие температуры, большие скорости приложения нагрузок) перед вводом их в работу.

Если в первый период эксплуатации конструкция работает в условиях, когда металл находится в пластическом состоянии, происходит смягчение остроты концентраторов напряжений. При этом сварочные напряжения не повлияют на статическую прочность конструкции при тяжелых условиях ее эксплуатации. При снятии напряжений этим способом не все элементы конструкции могут быть нагружены до предела текучести. Поэтому напряжения снимаются только в элементах, наиболее нагруженных от прилагаемых нагрузок, в остальных, например в участках с приваренными ребрами, фланцами и т.п., они остаются почти без изменений.

Нагружение до предела текучести конструкций, при сварке которых возможно образование малопластических закалочных структур в околошовной зоне, не приводит к снятию сварочных напряжений. В этом случае сварочные напряжения могут быть сняты только высоким отпуском. Выполнен ряд исследовательских работ по уменьшению либо полному устранению сварочных напряжений при помощи ультразвука.

Устранение деформации путем термической правки. При термической правке нагрев производят газокислородным пламенем либо электрической дугой неплавящимся электродом. Температура нагрева деформированного участка при термической правке составляет 750 — 850 º С. Нагретый участок стремится расшириться, однако окружающий его холодный металл ограничивает возможность расширения, в результате чего возникают пластические деформации сжатия. После охлаждения линейные размеры нагретого участка уменьшаются, что приводит к уменьшению или полному устранению деформаций

На рис. 2, а показаны деформированная балка с приваренными косынками и места, подлежащие нагреву при правке. Если балка таврового сечения деформируется после сварки в сторону пояса, то рекомендуется править ее, как показано на рис. 2, в, и нагревать ряд участков самого пояса. В практике часто наблюдается сложная деформация стенки и пояса (рис. 2, б). Для устранения такой деформации производят нагрев как вертикальной стенки, так и пояса.

Рис. 2. Правка деформированной тавровой балки нагревом (кружками и полосками указаны места нагрева): а — правка при вогнутой полке, б — правка при сложной деформации, в — правка при выпуклой полке

Для правки сварных конструкций требуется определенный навык. Поэтому, если в производственных условиях неизбежна правка конструкций, то для выполнения термической правки необходимо специально обучать рабочих. В случае деформации тонкого листа, приваренного к массивной раме, правку можно осуществлять путем нагрева в симметрично расположенных точках с выпуклой стороны листа. Нагрев следует начинать от центра выпуклости.

Устранение деформации путем механической правки. Для устранения деформации механическую правку можно осуществлять на прессах или при толщине металла до 3 мм вручную ударами молотка. Этот вид правки менее целесообразен, чем термическая правка, и его применение следует ограничивать. При механической правке образуется местный наклеп, повышающий предел текучести металла. Пластические свойства металла резко снижаются, особенно у кипящей стали. Вызываемая наклепом неоднородность механических свойств сказывается отрицательно на статической прочности конструкции и при эксплуатации конструкции под переменными нагрузками.

Сварочные напряжения и деформации

Образование напряжений и деформаций при сварке обычно связано с несоблюдением технологических требований. Такие соединения ненадежны, так как на швах могут появиться трещины, снижающие прочность. После деформации при сварке геометрические параметры могут измениться настолько, что конструкция будет непригодна для эксплуатации.

Определение сварочных напряжений и деформаций

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению. По направленности они могут быть:

  • растягивающего действия;
  • изгибающего;
  • крутящего;
  • сжимающего;
  • срезающего.

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил. Нарушения могут проявиться не сразу после завершения сварочных работ, а во время эксплуатации из-за увеличения нагрузки. В лучшем случае снизится антикоррозийная устойчивость, в худшем ― разрушится конструкция.

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению.

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил.

Причины возникновения

Причины образования деформаций и напряжений при сварке подразделяются на основные и побочные категории. К первым относят те, которые возникают во время сварки, поэтому неизбежны. Вторые нужно предотвращать.

Основные причины возникают как следствие:

  1. Неравномерного нагрева сварочной зоны и прилегающих участков. Более горячий металл расширяется больше чем холодный, поэтому между слоями с разной температурой начинает концентрироваться напряженность. Ее величина определяется степенью нагревания и коэффициентом теплового расширения. Чем больше эти значения, тем выше вероятность нарушения геометрии конструкций.
  2. Усадки. Когда при охлаждении после сварки металл переходит из жидкой фазы в твердое состояние, объем уменьшается. Этот процесс сопровождается растягиванием прилегающих участков с образованием напряжений, направленных вдоль или поперек шва. Продольное воздействие изменяет длину соединения, а поперечное способствует образованию угловой деформации.
  3. Структурных изменений. При сварке высокоуглеродистой или легированной стали с большим нагревом происходит процесс закаливания с изменением объема и коэффициента теплового расширения. Это явление создает напряжения, приводящие к образованию трещин внутри и на поверхности швов. У сталей, в составе которых углерода меньше 0,35%, структурные изменения настолько малы, что не оказывают существенного влияния на качество сварных соединений.
Читайте также  Сварочная маска хамелеон с подачей воздуха

К побочным причинам причисляют:

  • неправильный выбор электродов или режимов сварки, некачественная подготовка деталей перед сваркой, другие нарушения технологии;
  • неверный выбор вида швов или малое расстояние между ними, большое количество точек пересечения соединений и прочие конструктивные ошибки;
  • неопытность сварщиков.

Классификация напряжений и деформаций

В зависимости от причины образования напряжения называются тепловыми и структурными. Первые возникают во время нагрева/остывания, вторые возникают при структурной перестройке металла. При сварке легированных или высокоуглеродистых сортов стали они проявляются совместно.

По месту действия напряжения присутствуют в границах конструкции, зернах, кристаллической решетке металла. По виду напряженного состояния их называют:

  • линейными, с односторонним действием;
  • плоскостными, действующими по двум направлениям;
  • объемными, распространяющиеся по трем осям.

По направленности продольные напряжения действуют вдоль сварного соединения, а поперечные перпендикулярно.

Деформацию конструкции, которая происходит в процессе сварки, называют общей, а если изменяются размеры и форма только одной или нескольких деталей ― местной. По продолжительности существования действие временных сварочных деформаций проявляется только в процессе соединения деталей. После охлаждения геометрические параметры восстанавливаются. Остаточной называют сварочную деформацию, которая остается неизменной после устранения причины появления. Если геометрические параметры восстанавливаются после завершения сварки, деформации называются упругими, если нет ― пластичными.

Как предотвратить возникновение

Для снижения величины сварочных напряжений и деформаций при подготовке к работе специалисты рекомендуют:

  • при проектировании выполнять расчет деформаций для правильного формирования сечения сварочных швов, припусков для усадки;
  • располагать швы симметрично по отношению к осям узлов;
  • не проектировать соединения так, чтобы больше трех швов пересекались в одной точке;
  • прежде чем приступить к сварке, проверить, нет ли отклонений величины зазоров на стыках от расчетных величин;
  • не проводить швы через места концентрации напряжений.

Для уменьшения деформаций и напряжений во время работы применяют следующие приемы:

  • создавать на соединениях очаги дополнительной деформации с действием, противоположным сварке;
  • швы длиной больше 1 м разбивать на отрезки длиной 10 — 15 см и сваривать обратноступенчатым методом;
  • подкладывать под стыки медные или графитовые прокладки для снижения температуры сварочной зоны;
  • соседние швы сваривать так, чтобы деформации компенсировали друг друга;
  • для сварки деталей из вязкого металла применять технологии, которые обеспечивают снижение величины остаточных явлений;
  • делать размер швов меньше, если это допускается условиями эксплуатации;
  • по возможности выполнять соединения с меньшим числом проходов;
  • при наложении двухсторонних швов слои наплавлять попеременно с каждой стороны;
  • предварительно выгибать края заготовок в направлении, противоположном действию деформации, когда сварка завершится, они вернутся в исходное положение;
  • не делать много прихваток;
  • для ускорения сборки и снижения величины деформаций небольшие узлы сваривать в кондукторах.

Методы устранения напряжений

Для снятия напряжений пользуются отжигом и механической обработкой. Первый способ применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую точность размеров. Местный или общий отжиг проводят при нагреве до 550 — 680⁰C в три стадии: нагревание, выдержка, охлаждение.

Для механического снятия напряжений используют обработку проковкой, прокаткой, вибрацией, взрывом, чтобы создать нагрузку с противоположным знаком. Для горячей и холодной проковки используют пневматический молот. Обработку вибрацией проводят устройством, которое генерирует колебания с частотой в диапазоне 10 — 120 Гц.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции.

Методы устранения деформаций

Дефекты устраняют термическим с местным или общим нагревом, холодным механическим, термомеханическим способами. Для правки термическим методом с полным отжигом конструкцию закрепляют в устройстве, которое создает давление на искривленный участок, затем нагревают в печи.

Способ локального нагрева основан на сжимании металла при остывании. Для исправления дефектов искривленное место греют горелкой или сварочной дугой. Так как прилегающие участки остаются холодными, зона нагрева не может значительно расшириться. После охлаждения растянутый участок выпрямляется.

Термическим способом выправляют любые виды деформаций, однако при работе с тонкостенным металлом следует учитывать его особенности:

  • тепло при местном нагреве тонких стальных листов быстро распространяется по всей площади, поэтому величина усилия сжатия оказывается недостаточной для исправления дефекта;
  • температура локального нагрева тонкостенного металла не должна превышать 600 — 650⁰C, поскольку при увеличении температуры начнется образование пластических деформаций даже при отсутствии напряжения.

При механической правке растянутые участки деформируются внешними нагрузками в обратном направлении. Дефекты устраняют применением изгибания, вальцовки, растяжения, ковкой, прокаткой роликами.

Термомеханическую правку проводят с подогревом растянутого участка до 700 — 800⁰C и внешнего воздействия. Для выправления участков с большим растяжением сначала из избытков металла холодной рихтовкой формируют выступы в форме куполов. Затем по отдельности нагревают и резко охлаждают.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции. При этом учитывают эффективность метода, трудоемкость, величину финансовых затрат.

Методы снижения сварочных деформаций и напряжений

Снижение сварочных напряжений и деформаций выполняют несколькими методами. Различают термические, механические и термомеханические методы снижения сварочных деформаций.

К термическим методам относят отпуск после сварки и предварительный нагрев в процессе сварки. Подогрев металла перед сваркой (или в процессе сварки) снижает предел его текучести, тем самым уменьшает величину остаточных напряжений и деформаций. И хотя этот метод не полностью исключает появление сварочных деформаций, при достаточно сильном нагреве (250°С и более) можно добиться положения, когда их величина будет находиться в допустимых пределах.

Отпуск металла после сварки более эффективен и позволяет снизить величину остаточных напряжений и деформаций на 85 — 90%. Кроме того, отпуск способствует улучшению пластических свойств сварочного шва. Отпуск может быть общим и местным.

При общем отпуске сваренную деталь нагревают до температуры 650°С и медленно охлаждают. При местном отпуске нагреву подлежит только часть конструкции в области сварочного шва.

Под механическими методами понимают обработку (проковку, прокатку, вибрацию, приложение местных нагрузок, ультразвуковое воздействие и т.д.) сваренных деталей, позволяющую снизить остаточные напряжения в кристаллической решетке.

Самым эффективным методом является прокатка металла, но для этого требуется специальное оборудование. Поэтому прокатку выполняют только в условиях крупных производственных подразделений. Наиболее доступным и простым методом является проковка. Для этого горячий шов подвергают ударной обработке, снимая остаточные напряжения. Под приложением местных нагрузок понимают изгиб, кручение и т.д. в направлении, противоположном остаточным деформациям. Вызванные местными нагрузками деформации сварочного соединения накладываются на остаточные деформации, полученные при сварке, снижая их величину.

Термомеханические методы предусматривают одновременно термическую и механическую обработку свариваемых конструкций и позволяют добиться максимального эффекта.

Этими методами не ограничиваются возможности борьбы с остаточными напряжениями и деформациями. Снизить вероятность появления этих вредных явлений помогают рациональные приемы проведения сварочных работ, суть которых заключается в правильном проектировании и конструировании сварного изделия, уменьшении количества наплавленного металла, снижении вносимого в зону шва тепла за счет уменьшения сварных швов и сечений.

Именно для этого следует избегать скоплений и перекрещиваний сварочных швов, симметричного их расположения и т. д. Препятствуют деформациям свариваемых деталей ребра жесткости, накладки, косынки и прочие приспособления, о которых мы расскажем в соответствующих разделах данной книги.

Виды сварных соединений

Сварные соединения и швы классифицируются по следующим основным признакам: виду соединения; положению, в котором выполняется сварка; конфигурации и протяженности; применяемому виду сварки; способу удержания расплавленного металла шва; количеству наложения слоев; применяемому для сварки материалу; расположению свариваемых деталей относительно друг друга; действующему на шов усилию; объему наплавленного металла; форме свариваемой конструкции; форме подготовленных кромок под сварку, По виду соединения сварные швы бывают стыковыми и угловыми. По расположению в пространстве швы сварных соединений подразделяются на нижние, вертикальные, горизонтальные и потолочные. Выход шва из потолочного положения в вертикальное при сварке цилиндрических изделий называется полупотолочным положением. По конфигурации швы сварных соединений бывают прямолинейными, кольцевыми, вертикальными и горизонтальными. По протяженности швы разделяются на сплошные и прерывистые. Сплошные швы в свою очередь делятся на короткие, средние и длинные. По виду сварки швы сварных соединений разделяются на: швы дуговой сварки швы автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом швы дуговой сварки в защитных газах швы электрошлаковой сварки швы электрозаклепочные швы контактной электросварки швы паяных соединений По способу удержания расплавленного металла швы сварных соединений делятся на швы, выполненные без подкладок и подушек; на съемных и остающихся стальных подкладках: на медных, флюсомедных. керамических и асбестовых подкладках, а также флюсовых и газовых подушках. В зависимости от того, с какой стороны накладывается шов, различают односторонние и двусторонние швы. По применяемому для сварки материалу швы сварных соединений подразделяются на швы соединения углеродистых и легированных сталей; швы соединения цветных металлов; швы соединения биметалла; швы соединения винипласта и полиэтилена. По расположению свариваемых деталей относительно друг друга швы сварных соединений могут быть под острым или тупым углом, под прямым углом, а также располагаться в одной плоскости. По объему наплавленного металла различают нормальные, ослабленные и усиленные швы. По форме свариваемой конструкции швы сварных соединений выполняются на плоских и сферических конструкциях, а по расположению на изделии швы бывают продольными и поперечными. Сварными называют неразъемные соединения, выполненные при помощи сварки. Они могут быть стыковыми, угловыми, нахлесточными, тавровыми и торцевыми (рис.1). Стыковым называют соединение двух деталей их торцами, расположенными в одной плоскости или на одной поверхности. Толщина свариваемых поверхностей может быть одинаковой или отличаться одна от другой. На практике стыковое соединение чаще всего применяют при сварке трубопроводов и различных резервуаров. Угловое — сварное соединение двух элементов, расположенных под углом относительно друг друга и сваренных в месте примыкания их краев. Такие сварные соединения нашли широкое применение в строительной практике. Нахлесточное — сварное соединение предусматривает наложение одного элемента на другой в одной плоскости с частичным перекрытием друг друга. Такие соединения чаще всего встречаются в строительно-монтажных работах, при сооружении ферм, резервуаров и т.д.
Рис.1.Соединения сварные: А — стыковые; Б — угловые; В — нахлесточные; Г — тавровые Рис. 2.Основные положения сварных швов в пространстве: А — стыковые; Б — угловые; 1 — нижнее; 2 — горизонтальное; 3 — вертикальное; 4 — потолочное

Тавровым называют соединение, в котором к плоскости одного элемента приложен торец другого соединения под определенным углом.
Сварочные швы

Участок сварного соединения, сформированный как результат кристаллизации расплавленного металла, называется сварочным швом. В отличие от соединений сварные швы бывают стыковыми и угловыми (рис. 2).

Стыковой — это сварной шов стыкового соединения. Угловой — это сварной шов углового, нахлесточного и таврового соединений.

Сварочные швы различают по количеству слоев наложения, ориентации их в пространстве, по длине и т.д. Так, если шов полностью охватывает соединение, то его называют сплошным. Если в пределах одного соединения шов разрывается, то его называют прерывистым. Разновидностью прерывистого шва является прихваточный шов, который применяют для фиксации элементов относительно друг друга перед сваркой. Если сварочные швы накладывают один на другой, то такие швы называют многослойными.

По форме наружной поверхности сварочные швы могут быть плоскими, вогнутыми или выпуклыми. Форма сварочного шва оказывает влияние на его физико-механические свойства и на расход электродного металла, связанный с его формированием. Наиболее экономичны плоские и вогнутые швы, которые, к тому же, лучше работают при динамических нагрузках, так как отсутствует резкий переход от основного металла к сварному шву. Чрезмерный наплыв выпуклых, швов приводит к перерасходу электродного металла, а резкий переход от основного металла к сварному шву при концентрированных напряжениях может вызвать разрушения соединения. Поэтому при изготовлении ответственных конструкций выпуклость на швах снимают механическим способом (фрезы, абразивные круги и т.д.).

Различают сварочные швы по их положению в пространстве. Это нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные швы.

Элементы геометрической формы подготовки кромок под сварку

Элементами геометрической формы подготовки кромок под сварку (рис. 3, а) являются: угол разделки кромок α; зазор между стыкуемыми кромками а; притупление кромок S; длина скоса листа L при наличии разности толщин металла; смещение кромок относительно друг друга δ.

Угол разделки кромок выполняется при толщине металла более 3 мм, поскольку ее отсутствие (разделки кромок) может привести к непровару по сечению сварного соединения, а также к перегреву и пережогу металла; при отсутствии разделки кромок для обеспечения провара электросварщик всегда старается увеличить величину сварочного тока.

Разделка кромок позволяет вести сварку отдельными слоями небольшого сечения, что улучшает структуру сварного соединения и уменьшает возникновение сварочных напряжений и деформаций.

Зазор, правильно установленный перед сваркой, позволяет обеспечить полный провар по сечению соединения при наложении первого (корневого) слоя шва, если подобран соответствующий режим сварки.

Длиной скоса листа регулируется плавный переход от толстой свариваемой детали к более тонкой, устраняются концентраторы напряжений в сварных конструкциях.

Притупление кромок выполняется для обеспечения устойчивого ведения процесса сварки при выполнении корневого слоя шва. Отсутствие притупления способствует образованию прожогов при сварке.

Смещение кромок ухудшает прочностные свойства сварного соединения и способствует образованию непровара и концентраций напряжений. ГОСТ 5264—69 допускает смещение свариваемых кромок относительно друг друга до 10% толщины металла, но не более 3 мм.

Как избежать деформаций при сварке? Способы устранения сварочных деформаций

Статья «Как избежать деформаций при сварке? Способы устранения сварочных деформаций» является заключительным продолжением для статей «Деформации и напряжения при сварке. Причины сварочных деформаций и напряжений» и «Виды деформаций и напряжений при сварке».

Для уменьшения внутренних деформаций и напряжений применяют ряд технологических приёмов по технике и очерёдности выполнения швов и их расположению, по выбору правильной конструкции изделия, по выбору режимов ручной дуговой сварки (или другого способа сварки).

Меры по предотвращению сварочных деформаций

Одним из способов устранения сварочных деформаций является сварка в кондукторах — специальных приспособлениях, позволяющих жёстко закрепить изделие. Кроме этого, часто применяют предварительную деформацию свариваемых деталей. Направление предварительной деформации должно быть противоположно ожидаемой деформации при сварке. Такая мера называется ещё методом предварительного изгиба.

Такой метод используют для предотвращения угловых деформаций при сварке угловых швов и при сварке нахлёсточных соединений. При сварке листового металла малой ширины, их выгибают в сторону, обратную от предполагаемой деформации.

В случае сварки листов большой ширины, их сварные кромки предварительно изгибают. Для предотвращения деформаций при сварке тавровых и двутавровых соединений, их закрепляют в приспособления, которые изгибают детали в сторону, обратную предполагаемой деформации.

Техника сварки, позволяющая избежать сварочных деформаций

Существуют разные варианты техники сварки, позволяющие уменьшить сварочные напряжения и поводки. При выполнении сварочных швов большой длины, используют обратноступенчатый способ сварки на проход (схема а) на рисунке слева). При выполнении многослойной сварки, наплавляются каскадные сварные швы, или горкой. Каждый из этих слоёв (кроме первого и последнего) проковывают.

Кроме этого, сварные швы выполняются таким образом, чтобы каждый последующий шов вызывал напряжения, противоположные напряжениям от предыдущего шва (схемы б) и в) на рисунке слева).

Последовательность сварки не должна препятствовать возможной свободной деформации сварной металлоконструкции. Например, при сварке листового настила из металлических полос, необходимо, в первую очередь, сваривать листы в каждом слое настила, а затем сваривать слои между собой (см. рисунок справа).

При сварке вязких материалов, применяют способы сварки, позволяющие снизить остаточные напряжения. К таким способам относятся закрепление свариваемой детали в специальных приспособлениях. В таких приспособлениях свариваемые детали собирают, сваривают и остужают.

Кроме этого, применяют различные приёмы, позволяющие быстро отводить тепло от сварного изделия, например, при охлаждении под струёй воды, или отвод теплоты с помощью медных подкладок.

Если свариваемый металл склонен к формированию закалочных структур, то резкое охлаждение сварного шва и зоны термического влияния приводит к возникновению внутренних напряжений и образованию холодных трещин в металле.

Для того, чтобы уменьшить перепад температур в металле, пред сваркой выполняют предварительный подогрев. Если сварочные работы ведутся при низких температурах, то подогрев обязателен даже если выполняется сварка низкоуглеродистых сталей.

Термообработка после сварки для устранения напряжений и деформаций

Отпуск после сварки для снятия напряжений

При сварке углеродистых конструкционных сталей выполняют общий высокотемпературный отпуск. Для этого сварное изделие нагревают до температуры 630-650°C, выдерживают при этой температуре и охлаждают. Время выдержки определяется из расчёта 2-3мин на миллиметр толщины металла.

Охлаждение сварного соединения должно происходить медленно, чтобы при остывании вновь не возникли внутренние напряжения. Скорость охлаждения стали определяется, в зависимости от её химического состава. Чем больше в составе стали присутствует элементов, способствующих закалке, тем меньше скорость охлаждения при отпуске после сварки. Часто сварное соединение охлаждают вместе с печью до температуры 300°C, а затем на обычном воздухе.

Отжиг для устранения внутренних напряжений

Отжиг для устранения напряжений и деформаций при сварке выполняется полный или низкотемпературный. При полном отжиге сварное изделие нагревают до температуры 800-950°C, выдерживают и охлаждают вместе с печью. После такого отпуска вязкость и пластичность сварного шва увеличивается, а твёрдость уменьшается.

При низкотемпературном отпуске сварное соединение нагревают до температуры 600-650°C и охлаждают вместе с печью. При таком отпуске, нагрев металла происходит до температур, ниже критических, поэтому, преобразований в кристаллической структуре металла не происходит.

Аргонодуговая обработка для снятия остаточных напряжений

Для снятия остаточных напряжений и деформаций после сварки применяют аргонодуговую обработку. Суть её заключается в том, что переходную зону от сварного шва к основному металлу расплавляют неплавящимся электродом в среде аргона. При расплавлении этой переходной зоны напряжения, действующие между металлом шва и основным металлом, исчезают. При кристаллизации, они появятся вновь, но их величина будет намного меньше изначальной. Такой способ позволяет снизить остаточные напряжения до 70%. Кроме снижения напряжений, этот метод позволяет получить плавный переход от шва к основному металлу и это существенно увеличивает прочность конструкции.

Проковка сварного шва с целью уменьшения напряжений и устранения деформаций

Если в металле шва или близлежащих областях металла создать дополнительные пластические деформации, то можно полностью устранить остаточные напряжения и деформации при сварке. Для этого выполняют проковку сварных швов.

Проковывают сварное соединение во время его остывания при температурах выше 450°C, либо ниже 150°C. При температурах от 200°C до 400°C проковку не выполняют из-за повышенного риска образования надрывов.

Проковывают швы вручную, молотком, массой около 1кг. Допускается применять пневматический молоток. В случае выполнения многослойных швов, не выполняют проковку последнего слоя и первого, на котором от ударов возможно образование трещин. Таким способом снимают напряжения в металле при заварке дефектов или при выполнении замыкающего сварного шва.

Термическая правка металла

Для устранения сварочных деформаций может применяться термическая правка, при которой нагрев сварного соединения происходит газовым пламенем, либо электрической дугой от неплавящегося электрода. При термической правке металл нагревается до температуры 750-850°C и начинает стремительно расширяться. Но, окружающие его холодные слои металла препятствуют его расширению и вызывают пластическую деформацию данного участка. При охлаждении, металл нагретого участка сжимается, и в нём происходит частичное или полное устранение деформаций.

Механическая правка сварного соединения

При сварке тонкого металла (до 3мм) правка производится вручную, с помощью молотка. При больших толщинах металла применяют прессы. Этот способ устранения сварочных деформаций не нашёл широкого применения, т.к. термическая правка является более целесообразным способом.

После механической правки на поверхности металла остаётся местный наклёп и предел текучести на этом участке повышается. При этом, пластичность стали снижается. Подобная неоднородность механических свойств негативно отражается на статической прочности всей металлоконструкции и при её работе под переменными нагрузками.

Методы уменьшения сварочных напряжений и деформаций

§ 25. Основные мероприятия по уменьшению деформаций и напряжений при сварке

При сварке изделий невозможно полностью избежать остаточных деформаций. При всестороннем защемлении свариваемого изделия можно лишь свести деформации изделия к концу охлаждения к минимальной величине. Всестороннее защемление при сварке изделия практически осуществить трудно, поэтому такой способ борьбы со сварочными деформациями почти не применяют. Используются только такие способы, которые позволяют получать сварные изделия с минимальными остаточными деформациями. Некоторые способы борьбы с деформациями изделия приводят к возрастанию внутренних напряжений, например, закрепление свариваемых деталей перед сваркой.

Для борьбы со сварочными деформациями применяются конструктивные и технологические способы.

К конструктивным способам относятся:

1. Уменьшение количества сварных швов и их сечения, что снижает количество вводимого при сварке тепла. Между количеством тепла и величиной деформации при сварке существует прямая зависимость. Поэтому минимальная деформация конструкции будет при наименьших протяженности и сечении швов, например

2. Симметричное расположение швов для уравновешивания деформаций (рис. 33). Например, при изготовлении балки двутаврового сечения со сплошной стенкой наложение одного нижнего поясного шва вызовет изгиб балки — серповидную деформацию f1, а наложение верхнего поясного шва вызовет изгиб в обратную сторону. Таким образом, балка будет иметь конечный прогиб f, f 1 . Детали собираются с жестким креплением, не допускающим какого-либо смещения одной детали относительно другой или с эластичным, допускающим смещение деталей. Жесткое крепление деталей осуществляется сварочными прихватками в отдельных местах шва (рис. 34, а) или жесткими сборочно-сварочными приспособлениями. Сборка с эластичным креплением производится специальными пластинами, временно прихватываемыми к деталям на некотором расстоянии от оси шва (рис. 34, б, в). Жесткая сборка приводит к меньшей конечной деформации по сравнению с эластичной.

1 ( Прихватки — короткие швы с поперечным сечением до 1 /3 поперечного сечения полного шва.)


Рис. 34. Сборка на прихватках: а — жесткие прихватки, б, в — эластичные прихватки

На величину конечных деформации влияет последовательность наложения швов. Например, наименьшая стрела прогиба узла, показанного на рис. 35, будет при такой последовательности выполнения швов: сначала — поперечный шов 2, затем — продольный 1 и после него — поперечный вертикальный 3.


Рис. 35. Правильная последовательность сварки узла: 1 — продольный шов, 2, 3 — поперечные швы

2. Жесткие закрепления деталей. Собранное изделие полностью сваривается, если закреплено на фундаменте, плите или приспособлении, которые имеют жесткость, в несколько раз большую по сравнению с сварным изделием. После сварки и полного охлаждения изделия зажимы удаляются. После освобождения изделия деформация будет меньше, чем при сварке в свободном состоянии. Закреплением можно снизить сварочные деформации на 10 — 30% в зависимости от ряда условий. Этот способ дает наибольший эффект при сварке балок малой высоты и наименьший — при сварке высоких балок (1000 мм и более).

Закрепление рекомендуется при сварке плоских листов для предотвращения угловых деформаций. Листы можно прижимать вблизи шва, например, электромагнитными прижимами. Чем тоньше свариваемые листы, тем целесообразнее их закрепление, с тем чтобы избежать также и выпучивания.

Полностью устранить деформации закреплением невозможно, так как при освобождении от зажима сварное изделие продолжает деформироваться за счет силы, сконцентрированной на участке металла с пластической деформацией.

3. Обратный выгиб деталей. Свариваемые детали предварительно изгибают перед сваркой на определенную величину f в обратную сторону (рис. 36) по сравнению с изгибом, вызываемым сваркой. Этот прием используется при сварке узлов таврового сечения. Величина изгиба устанавливается опытным или расчетным путем. Обратный изгиб перед сваркой выполняют с приложением усилия в пределах упругого, упругопластического и пластического состояния. Сварка изделия с упругим изгибом производится в особых силовых приспособлениях. Изделие с пластическим изгибом сваривается в свободном состоянии. Однако для получения пластического изгиба требуется мощное оборудование; поэтому такой способ редко применяется в сварочном производстве. Пользуясь обратным изгибом, можно полностью устранить конечные деформации сварных изделий.


Рис. 36. Обратный выгиб элемента тавра: а — сборка тавра с обратным выгибом f; б — форма тавра после сварки

4. Правильный тепловой режим. Для уменьшения деформации изделий, особенно из малопластичных металлов, например чугуна или закаливающихся сталей, можно применять предварительный подогрев зоны сварки шириной 40 — 50 мм с каждой стороны шва. При этом снижается перепад температур между участками сварного соединения, подвергающимися сильному нагреву при наложении шва, и следовательно, уменьшаются напряжения и конечные деформации. Температура предварительного подогрева устанавливается в зависимости от химического состава металла, его толщины и жесткости конструкции, например: для стали — 400 — 600°С, для чугуна — 500 — 800°С, для алюминиевых сплавов — 200 — 270°С, для бронзы — 300 — 400°С. При сварке особо ответственных конструкций из низкоуглеродистых сталей толщиной более 40 мм устанавливают температуру подогрева 100 — 200°С, при сварке низколегированных сталей толщиной более 30 мм — 150 — 200°С.

Предварительный подогрев выполняют газовыми горелками, электрическими или индукционными нагревателями. Можно применять также сопутствующий подогрев.

5. Многослойные и обратноступенчатые швы. Последовательное введение меньших количеств тепла применением многослойных швов вместо одновременного при однослойном шве способствует выравниванию нагрева сварного соединения и уменьшает сварочные напряжения и деформации.

Обратноступенчатый способ заключается в том, что всю длину шва разбивают на отдельные ступени и сварка каждой ступени производится в направлении, обратном общему направлению сварки. Этот способ обеспечивает более равномерный нагрев металла шва по всей его длине и минимальные сварочные деформации и напряжения (рис. 37). Длина ступени при обратноступенчатой сварке зависит от толщины металла, формы, жесткости свариваемого изделия. Она выбирается в широких, пределах (100 — 400 мм). Чем тоньше свариваемый металл, тем меньше длина ступени. Часто длину свариваемой ступени рассчитывают по длине шва, получающейся от одного или двух электродов.


Рис. 37. Схемы заполнения швов по длине: а — напроход, б — от середины к краям, в — обратноступенчатая; I, II, III, IV — ступени, А — общее направление шва

6. Принудительное охлаждение в процессе сварки. Уменьшая зону нагрева при сварке созданием быстрого и интенсивною отвода тепла, можно значительно уменьшить остаточные деформации. Отвод тепла осуществляют, погружая изделие в воду и оставляя на воздухе только участок сварки. Этот способ пригоден для незакаливающихся низкоуглеродистых сталей. В других случаях можно применять массивные подкладки под швом из меди или медных сплавов, обладающих высокой теплопроводностью. Эти подкладки можно дополнительно охлаждать циркулирующей внутри водой. Медные подкладки дают хорошие результаты при сварке, например, нержавеющих сталей небольшой толщины.

7. Применение внешней растягивающей силы. Внешняя растягивающая сила, приложенная к концам свариваемого изделия, например двутавровой балки, позволяет свести к нулю укорочение нагретого металла обжатием (осадкой). Этим устраняется конечная сварочная деформация по направлению действия силы. Сила усадки при сварке изделия способствует укорочению, а внешняя растягивающая сила удлинению волокон металла. Если волокна металла будут деформироваться в направлении растягивающей силы, то при правильно подобранной величине этой силы можно добиться полного устранения конечных деформаций сварного изделия.

Этот способ борьбы с деформациями вполне целесообразен, однако используется из-за отсутствия соответствующего силового оборудования.

8. Местная силовая обработка сварных швов и околошовной зоны. Снижение сварочных деформаций и напряжений в сварных соединениях достигается ковкой (ударной силой), обкаткой (статистической силой), вибрационным давлением (пульсирующей силой) и другими силовыми воздействиями. Все виды силовой обработки металла шва и околошовной зоны создают местную пластическую деформацию удлинения, обратную деформации укорочения от сварки. В результате этого сварное изделие приобретает первоначальную форму и размеры.

Ковка производится ручным или механическим молотком массой 0,5 — 1,5 кг; холодная ковка выполняется при температуре 20 — 200°С, горячая — при температуре 450 — 1000°С (для стали). Ковка стали в температурном интервале 200 — 450°С не рекомендуется ввиду ее низкой вязкости и возможности образования трещин.

При ручной сварке штучными электродами и при горячей ковке следует выполнять швы длиной 150 — 200 мм и сразу же после сварки проковывать их. При многопроходной или многослойной сварке проковка производится после каждого прохода или наложения слоя, за исключением первого и последнего (декоративного). Первый, корневой шов проковывать нельзя, так как он имеет малое сечение, и при ударе в нем возникнут трещины. Верхний, тонкий декоративный слой вызывает весьма незначительные деформации; кроме того, ковка ухудшит внешний вид шва. При ручной сварке с последующей холодной проковкой следует выполнять швы заданной длины и проковку вести при температурах не выше 200°С молотком массой 0,5 — 1,5 кг.

При изготовлении сварных конструкций время ковки превышает время сварки в 1 — 2 раза, поэтому ковка применяется редко.

Широко применяется ковка в ремонтных сварочных работах. Она улучшает структуру металла, уплотняет его и этим увеличивает коррозионную стойкость и повышает механические свойства сварного соединения.

Металлы, имеющие малую пластичность при высоких температурах, должны коваться в холодном состоянии. Ковка закаливающихся при сварке сталей не рекомендуется из-за возможности появления трещин.

Сварное изделие исправляется от конечных деформаций (коробления) механической или термической правкой. Сущность правки заключается в придании изделию новых деформаций, уничтожающих первоначальные возникшие от сварки. Механическая правка изделия выполняется вручную тяжелым молотком или на станках и прессах, а термическая — местным нагревом изделия газовым пламенем.

Местный нагрев расширяет металл, а соседний холодный металл оказывает расширению горячего металла сопротивление, в результате чего в горячем металле возникают пластические напряжения сжатия.

После охлаждения нагретого участка его размеры уменьшаются во всех направлениях, что приводит к уменьшению или полному исчезновению деформации. Для получения максимального эффекта можно производить нагрев с одновременным охлаждением соседних участков водой.

Термическая правка выполняется рабочими, имеющими специальные навыки.

1. Что называется деформацией?

2. Какая разница между упругой и пластической деформацией?

3. Как влияет температура нагрева на предел текучести стали?

4. Объясните явления возникновения напряжений и деформаций при нагреве и охлаждении стального образца.

5. Начертите схему распределения продольных напряжений в стыковом сварном соединении.

6. Назовите виды деформаций сварных пластин и изделий.

7. Назовите способы борьбы с деформациями при сварке изделий.

8. В чем заключаются механический и термический способы правки сварного изделия?

По минимальной стоимости костюм спутник на сайте фирмы «Аспект».

Оцените статью
Добавить комментарий