Способ деформаций при сварке конструкций

Напряжения и деформации при сварке

Напряжения и деформации в металлических сварных конструкциях возникают в результате нарушений технологии выполнения работ. О надежности в таких случаях говорить не приходится, поскольку на стыках образуются трещины, которые в конечном итоге приводят к разрушению конструкции. Помимо этого не исключается деформация металлических элементов. Часто она настолько критична, что эксплуатация изделия невозможна.

Определение мест образования деформаций и напряжений

Сварочные напряжения – это направленные на соединительный шов механические воздействия постоянного характера. Они могут быть:

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

Сварочные деформации – это изменение формы конструкции в результате воздействия внутренней силы. Точка приложения этой силы приходится на места сварки. Деформации могут проявляться не сразу, а по истечении некоторого времени как результат усталости металла или после начала эксплуатации под воздействием дополнительных нагрузок. При благоприятных раскладах возможен минимальный ущерб, который выражается снижением устойчивости к воздействию коррозии. Если же внутреннее напряжение слишком высокое, то не исключается разрушение конструкции.

Причины возникновения деформаций и напряжений при сварке

Напряжения и деформации во время сварки могут возникать по нескольким причинам. Их принято разделять на две группы: основные и побочные. Отличительная особенность между ними состоит в том, что первые образуются во время сварочного процесса и объективно неизбежны. А вот побочные напряжения можно и нужно предотвращать.

Основные причины деформаций, относящиеся к второй группе (побочные):

1. Неравномерный нагрев металлической заготовки. Суть физического процесса сводится к тому, что металл с более высокой температурой расширяется больше. Между двумя примыкающими слоями с разной температурой образуется напряженность. Она тем больше, чем выше показатели температуры и, соответственно, коэффициент теплового расширения. С возрастанием значений прямо пропорционально увеличивается и вероятность деформации конструкции.
2. Усадки имеют место в тех случаях, когда жидкий металл резко охлаждается и переходит в твердое состояние. Во время этого процесса прилегающие участки растягиваются, в результате чего создается внутреннее напряжение металла, которое может быть как продольным, так и поперечным по отношению к стыку. В первом случае вероятно изменение длины заготовки, а во втором – образование угловой деформации.
3. Структурные изменения. Соединение заготовок из высокоуглеродистой и легированной стали сопровождается большим нагревом заготовок. В результате этого имеет место закаливание металлов, сопровождаемого изменением объема и значений коэффициента теплового расширения. В результате этих процессов образуется напряжение, приводящее к образованию трещин на видимой части шва и внутри него. Исключением является процесс сваривания стали с содержанием углерода до 0,35%. В этом случае структурные изменения тоже имеют место, но они настолько малы, что существенного влияния на качества соединения не оказывают.

К побочным причинам деформаций причисляют:

• неверный выбор электродов,
• сварка выполнялась в неправильном режиме;
• нарушения технологии выполнения сварочных работ;
• плохая подготовка кромок;
• ошибка при выборе типа шва;
• слишком маленькое расстояние между двумя разными швами;
• большое количество точек пересечения;
• неопытность специалистов;
• ошибки конструктивного характера.

Виды сварочных деформаций

Сварочные напряжения могут быть структурными или тепловыми в зависимости от причин их образования. Как понятно из названия, тепловые возникают в процессе нагрева или остывания заготовок, а структурные – в результате внутренних изменений материала. Они могут проявляться и комплексно, например, в случае сваривания высокоуглеродистых и легированных сортов стали.

Если принять во внимание место действия, то напряжения возникают в пределах всей конструкции, сварного соединения, в зернах или кристаллической решетке металла. По виду напряженного состояния их разделяют на три группы:

• Линейные. Характеризуются односторонним направлением действия;
• Плоские. Имеют двустороннюю направленность воздействия;
• Объемные. Действие напряжения направлено по трем осям.

Деформация, которая возникает во время сварочных работ, называется общей. В случаях, когда меняются форма и размеры одной или нескольких расположенных рядом свариваемых деталей, деформация называется местной.

Деформации принято различать и по продолжительности действия. Временными называют те, воздействие которых проявляется исключительно в период выполнения сварочных работ. Геометрические параметры восстанавливаются после остывания металла. Изменение формы, которое остается и после того, как устранена сама причина ее образования, называется остаточной. В случаях, когда геометрические параметры после работы приходят в начальную форму, деформации принято называть упругими, в обратном случае – пластическими.

Как избежать деформации металла при сварке

Для уменьшения вероятности деформации деталей и готовой конструкции специалисты рекомендуют придерживаться некоторых правил:

1. На этапе проектирования сделать расчет деформаций для нормального формирования сварочного шва, выбрать оптимальные припуски для усадки.
2. Расположить швы желательно симметрично относительно осей узлов.
3. При проектировании не допускать, чтобы в одной точке пересекалось больше трех швов.
4. Перед началом сварочных работ проверить, все ли зазоры на стыках соответствуют расчетным показателям.
5. Не формировать сварочные швы в местах предполагаемой концентрации внутренних напряжений металла.

В целях уменьшения деформации металла и напряжений внутри материалов во время выполнения сварочных работ специалисты используют специальные приемы. Наиболее эффективные из них:

• Создание дополнительных очагов деформации, вектор которых направлен в противоположную сторону.
• Длинные швы (1 метр и более) разбиваются на несколько участков до 15 см каждый. Сваривание выполняется обратноступенчатым методом.
• Часто помогает снижение температуры в сварочной зоне. Для этого во время сварки под стыки подкладываются графитовые или медные пластины.
• Расположенные недалеко друг от друга стыки свариваются так, чтобы деформации компенсировали одна другую.
• При соединении заготовок из вязких металлов применяются технологии и методы, направленные на снижение остаточных явлений.
• Если условиями эксплуатации допускается возможность создания коротких швов, то следует делать стыки как можно меньше.

При сваривании желательно делать как можно меньше проходов.

В случаях, когда предусматривается формирование двухстороннего шва, следует наплавлять слои с каждой стороны попеременно.

Перед началом работы можно выгнуть края заготовок в сторону противоположную направлению деформации. После остывания они вернутся в исходное положение.

Количество прихваток должно быть минимальным.

Небольшие заготовки и узлы приваривать с использованием кондукторов и шаблонов.

Временные и остаточные напряжения – методы устранения

Для снятия напряжений отлично подходят механическая обработка и отжиг. Температурное воздействие выполняется в случаях, когда возникает необходимость в точном соблюдении заданных размеров. Отжиг может быть местным или общим. Металл нагревается до температуры 550-680 °C. Работы выполняются в три приема: разогрев, выдержка при заданной температуре и охлаждение.

Механическое снятие напряжений включает обработку соединений проковкой, взрывом, вибрацией или прокаткой. Преследуемая цель – создание обратно направленной нагрузки. Для проковки горячей или холодной чаще всего применяется пневматический молот. Для создания вибраций применяется специальное устройство, генерирующее колебания в диапазоне от 10 до 120 Гц. Способ воздействия выбирается с учетом сложности конструкции, формы и размеров деталей.

Методы устранения деформаций

Существует несколько способов устранения дефектов геометрии конструкции: термический с местным или общим нагревом, чисто механический и комбинация этих двух способов – термомеханическое устранение дефектов. В случае применения термического способа правки с полным обжигом конструкцию изначально закрепляют в устройстве, которое будет создавать давление на деформированный участок. После этого ее нагревают в печи.

При локальном нагреве упор делается на сжимании металла при остывании. Для устранения изъяна участок прогревается с помощью сварочной дуги или газовой горелки. Поскольку соседние участки металла остаются холодными, то зона нагрева носит локальный характер и расширяется незначительно. После остывания дефективный участок выпрямляется, а его форма становится приемлемой.

Термическое воздействие является пригодным для исправления всех вариантов дефектов. Но при работе с тонкостенными листовыми материалами следует учитывать особенности:

• нагрев очень быстро распространяется по большой площади тонкого листа. В силу этих причин силы сжатия бывает недостаточно для устранения деформации;
• максимально допустимая температура локального нагрева составляет 600-650 °C. В противном случае буду образовываться новые дефективные участки и деталь станет непригодной для дальнейшей эксплуатации.

Исправление механическим путем подразумевает создание обратно направленных нагрузок на растянутые участки. Самые распространенные способы воздействия – вальцовка, изгибание, ковка, прокатка, растяжка.

Термомеханическая правка включает разогрев участка до 700-800 °C с последующим механическим воздействием. Участки с сильным деформированием исправляют следующим способом. Сначала делают обратные куполообразные выступы, после чего нагревают и резко охлаждают.

Способ устранения деформации выбирается в зависимости от сложности и размеров конструкции. При этом учитываются показатели трудозатрат, финансовые издержки и расход материалов.

Источник

Виды и причины сварочных деформаций

Сварка обеспечивает самое прочное и надежное соединение, если проведена правильно. Однако при нарушении технологии в конструкции возникают напряжения и деформации, вызванные сварочным процессом. Искажается форма и размеры изделия, в результате чего оно не может выполнять свои функции.

Что такое напряжение

Сварочное напряжение определяют как силу, действующую на единицу площади изделия. Оно может быть вызвано растягивающим, изгибающим, крутящим, сжимающим или срезающим усилием.

Эти силы достигают таких величин, что в процессе эксплуатации напряжения и деформации в отдельных деталях приводят к разрушению всей конструкции. Кроме этого происходит снижение антикоррозионных свойств, меняются геометрические размеры и жесткость конструкции.

Напряжения и деформации бывают временными и остаточными. Какие сварочные деформации называют временными, а какие остаточными определяется просто. Временные появляются во время сваривания деталей, вторые появляются и остаются после окончания сварки и охлаждения конструкции.

Причины появления

Главные причины возникновения напряжений и сварочных деформаций такие:

• неоднородный нагрев металлических заготовок;
• усадочные изменения сплава в сварном шве;
• фазовые изменения, возникающие при переходе расплавленного металла из одного состояния в другое.

Одним из свойств металлов является их способность расширяться при повышении температуры и сжиматься при охлаждении. При плавлении в области сварочного соединения появляется неоднородная термозона.

Она вызывает напряжения сжимающего или растягивающего свойства. Если эти напряжения превышают предел текучести металла, то происходит изменение формы изделия, возникают остаточные деформации.

Разновидности деформаций зависят от того, в каких объемах они проявляются. Выделяют три рода. Деформации первого рода действуют в макрообъемах, деформации второго рода происходят в пределах кристаллических зерен, а третьего рода происходят в кристаллической решетке металла.

Деформации и напряжения при сварке возникают и при кристаллизации сварного шва, когда происходит усадка жидкого металла. Объем остывающего жидкого металла уменьшается, это вызывает напряжения внутри металла. Параллельно и перпендикулярно оси сварочного шва формируются напряжения, которые вызывают изменение формы изделия. Продольные силы вызывают изменения длины сварного шва, а поперечные приводят к угловым деформациям.

При превышении определенных предельных температур при сваривании углеродистых и легированных сталей происходит их структурное превращение. У них появляется другой удельный объем и изменяется коэффициент линейного расширения, что приводит к огромным сварочным напряжениям.

Самые большие из них возникают в легированных сталях. В них образуются закалочные структуры, которые при охлаждении не возвращаются к прежней структуре металла, как в большинстве случаев, а сохраняют колоссальные напряжения могущие привести к разрушению сварного шва.

Для этих сплавов разрабатываются специальные технологические процессы, снижающие остаточные напряжения и деформации.

Как предотвратить

Для предупреждения вредных воздействий сварочных деформаций необходимо соблюдать следующие правила и провести несколько мероприятий:

• сварных швов должно быть минимум, и они должны быть как можно короче;
• количество пересекающихся и разнотолщинных швов так же сводят к минимуму;
• сварочные соединения делают с плавным переходом толщин;
• металл наплавляют в минимальном количестве;
• в самых напряженных местах конструкции швы вовсе не делают;
• оставляют припуск на усадку.

Необходимо правильно выбирать способ сварки, который зависит от свариваемости материалов, энергии и режима. Чтобы уменьшить зону прогрева, нужно увеличить скорость сваривания. Для увеличения глубины сварки (прогрев в толщину) необходимо увеличить силу тока.

Для уменьшения вредных воздействий нагрева в зоне сваривания сварщику необходимо по возможности избегать прихваток.

Положительный результат дает использование зажимов и других сварочных приспособлений. Они позволяют сохранить подвижность деталей при сварке в продольном направлении и препятствовать угловому перемещению.

Заготовки располагают таким образом, чтобы возникающие при остывании сварочные деформации были противоположны напряжениям.

Для уменьшения остаточных напряжений и деформаций надо использовать предварительный нагрев. Кроме этого нужно правильно выбрать технологию сварки.

Последовательность наложения швов должна уравновешивать возникающие напряжения. Накладывать швы надо так, чтобы свариваемые детали имели наибольшую подвижность.

В процессе сварки проводят проковку сварного шва, что деформирует остывающее сварное соединение и уменьшает воздействие усадки.

Способы устранения напряжений

Напряжения устраняют отжигом или механическими методами. Отжиг является самым эффективным методом снятия напряжений. Его применяют, когда к изделию предъявляются повышенные требования к точности геометрических размеров.

Он может быть общим или местным. Чаще всего отжиг производят при 550-680 °C. Выделяют три его стадии: нагрев, выдержка, остывание.

Из механических способов устранения напряжений применяют проковку, прокатку, вибрацию, обработку взрывом, приводящие к пластической деформации обратного знака.

Проковку делают пневмомолотком, а виброобработку специальным устройством вызывающим вибрацию изделия с резонансной частотой в пределах 10-120 Гц в течение нескольких минут.

Способы устранения деформаций

Сварочные деформации могут проходить в плоскости и с выведением из плоскости. О деформациях в плоскости говорят, когда изменяются геометрические размеры конструкции. Деформация из плоскости соответствует угловым изменениям детали, искривлению листовой поверхности.

Для устранения таких явлений применяют термическую правку с местным или общим нагревом, холодную механическую и термомеханическую.

Термический способ с местным нагревом основывается на том, что при охлаждении металл сжимается. Для устранения сварочных деформаций растянутую часть изделия сначала нагревают (горелкой или дугой), при этом окружающий сплав остается холодным и не дает горячему участку сильно расшириться.

При остывании изделие выпрямляется. Так правят балки, листовые полосы и некоторые другие детали.

Если происходит полный отжиг, то конструкцию закрепляют в устройстве, создающем давление на требуемые зоны, и помещают в печь для нагрева.

Холодную правку делают, используя постоянные нагрузки. Для этого применяют различные прессы или валки для прокатки длинномерных изделий типа труб или двутавровых балок, в необходимых местах они деформируются.

Термомеханическую правку производят с применением силовой нагрузки при местном нагреве изделия. Такой способ применяют к сильно растянутым деталям. Вначале собирают излишек металла в так называемые купола, а затем прогревают эти участки.

Технологию правки выбирают в зависимости от особенностей сварочной деформации и типа металлического изделия, его размеров, конфигурации. Обращают внимание также и на трудозатраты, останавливаясь на самом эффективном методе.

Источник