Способы уменьшения напряжения деформации при сварке

Способы уменьшения напряжения деформации при сварке

§ 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 f₀, f₀ 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».

Источник

Деформации и напряжения при сварке

Содержание:

В производстве металлоконструкций самые надежные и долговечные соединения обеспечивает сварочная технология при условии безошибочного проведения работ. Если же хоть незначительно нарушаются технологии процесса, то в создаваемой конструкции формируются деформации и напряжения при сварке. При этом искривляются формы, возникают неточности в размерах изделия, что делает невозможным качественное выполнение функциональных задач.

Что являют собой напряжения и деформации

Появлением напряжений и искажений сопровождается любое силовое воздействие на металлическое изделие. Силу, которая оказывает давление на единицу площади называют напряжением, а нарушение целостности форм и размеров в результате силовой нагрузки называют деформацией.

Напряжение может быть вызвано физическим усилием сжимающего, растягивающего, срезающего или изгибающего характера. Когда сварочные напряжения и деформации превышают допустимые значения, то это влечет за собой разрушению отдельных элементов и всей конструкции.

Почему образуются деформации и напряжения

Деформации при сварке появляются из-за вызванных разными факторами внутренних напряжений. Причины таких нарушений условно разделяют на две большие категории: основные (неизбежные), которые всегда присутствуют при сварочных работах и сопутствующие, которые подлежат устранению.

Причины неизбежные

Группу основных составляют следующие причины возникновения напряжений и деформаций при сварке:
структурные видоизменения, провоцирующие развитие сжимающих и растягивающих напряжений. Довольно часто при охлаждении изделий, выполненных из высокоуглеродистых и легированных стальных сплавов при нарушается зернистая структура металлов и размеры самих деталей.

В результате меняется первоначальный объем металла, что собственно и поднимает внутреннее напряжение;

• неравномерный прогрев. В процессе сварки нагревается только задействованный участок металла, при этом он расширяется и оказывает влияние на менее нагретые слои. Образующаяся вследствие прерывистого прогрева высокая концентрация напряжений в сварных соединениях в основном зависит от показателей линейного расширения, степени теплопроводности и температурного режима. Чем выше эти показатели, тем меньшей является теплопроводность металла и соответственно возрастают риски неточностей сварочном шве;
• литейная усадка, когда объем металла заметно уменьшается из-за его кристаллизации. Объясняется это тем, что в расплавленном металле под влиянием усадки образуется сварочное напряжение, которое может быть одновременно поперечным и продольным.

Не только внешние силовые воздействия способны спровоцировать напряжение при сварке. Металлическим сплавам характерны также свои собственные напряжения и деформации, которые разделяются на остаточные и временные. Первые возникают вследствие пластичной деформации и даже после охлаждения конструкции они в ней остаются. Когда появляются временные сварочные деформации? Непосредственно в процессе сваривания в прочно зафиксированном изделии.

Сопутствующие причины

Кроме основных существуют также побочные причины возникновения деформаций при сварке. К таковым относят:

• отклонение от технологических нормативов, например, использование не подходящих для конкретного случая электродов, нарушение режимов сварки, недостаточная подготовка изделия к сварочному процессу и другие;
• несоответствие конструктивных решений: частое пересечение между собой сварных соединений или недостаточное расстояние между ними, неточно подобранный тип шва и т. д.;
• отсутствие опыта и соответственных знаний у сварщика.

Что из перечисленного вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях? Любое неправильное действие приводит к технологическим дефектам шва, в частности к появлению трещин, пузырей, непроваров и других браков.

Виды деформаций и напряжений

Различают разные виды напряжений в зависимости от характера их возникновения, периода действия и других факторов. В таблице ниже показано что вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях и какими они бывают.

Характер возникновения	Тип напряжения	Чем вызвано нарушение
В соответствии причины появления	Тепловые	Неравномерный прогрев из-за перепада температур в процессе сварки
	Структурные	Изменения в структуре металла при нагревании его выше предельно допустимой температуры
По времени существования	Временные	Образуются при фазовых видоизменениях, но постепенно исчезают вследствие охлаждения
	Остаточные	Даже после ликвидации причин их появления присутствуют в изделии
По охватываемой площади	Действующие в пределах всей конструкции
	Действующие только в зернах структуры материала
	Присутствующие в кристаллической решетке металла
По направленности действия	Продольные	Образуются вдоль линии сварочного шва
	Поперечные	Располагаются перпендикулярно к оси соединения
По виду напряженного состояния	Линейные	Только в одном направлении распространяется действие
	Плоскостные	Образуются в двух разных направлениях
	Объемные	Оказывают одновременно трехстороннее воздействие

Виды деформаций при сварке бывают:

• местные и общие. Первые возникают на отдельных участках и изменяют только часть изделия. Вторые проводят к изменению размера всей конструкции и искривлению ее геометрической оси;
• временные и конечные. Возникающие в конкретный момент сварочные деформации называют временными, а те, которые после полного охлаждения изделия остаются в нем — остаточными;
• упругие и пластичные. Когда после сварки размер и форма конструкции полностью восстанавливаются, деформация упругая, если дефекты остаются — пластичная.

Деформации металла возможны как в плоскости сварной конструкции, так и вне нее.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций

С целью определения прочности и надежности шва, и выявления возникших дефектов проводится тестирование сварных соединений. Такой контроль позволяет своевременно обнаружить браки и оперативно их устранить.

Для выявления изъянов используют следующие типы контроля:

• разрушающий. Позволяет исследовать физические качества сварного шва, активно применятся на производственных предприятиях;
• неразрушающий. Проводится посредством внешнего осмотра, капиллярного метода, магнитной или ультразвуковой дефектоскопии, контролем на проницаемость и другими способами.

При производстве конструкций с применением сварки одним из важных нюансов является точное определение возможных деформаций и напряжений. Их наличие приводит к отклонениям от первоначальных размеров и форм изделий, понижает прочность конструкций и ухудшает эксплуатационные качества.

Расчет сварочных напряжений и деформаций позволяет проанализировать разные варианты проведения сварочных операций и спланировать их последовательность так, чтобы в процессе работ конструкция подвергалась минимальным напряжениям и образованию дефектов.

Способы устранения сварочных напряжений

Дли ликвидации напряжений проводят отжиг или же используют механические методы. Наиболее прогрессивным и действенным считается отжиг. Применяется метод в случаях, когда к геометрической точности всех параметров изделия выдвигаются сверхвысокие требования.

Отжиг может быть общим или местным. В большинстве случаев проводят процедуру при температуре 550-680°С. Весь процесс проводится в три этапа: нагрев, выдержка и остывание.

Из механических способов чаще всего используется прокатка, проковка, техника вибрации и обработка взрывом. Проковка проводится с применением пневмомолота. Для виброобработки используют вызывающие вибрацию устройства, у которых в течение нескольких минут 10-120 Гц составляет резонансная частота.

Способы устранения деформации

Деформация металла при сварке устраняется термомеханической, холодной механической и термической правкой с общим или местным нагревом. При полном отжиге конструкция прочно фиксируется в специальном устройстве, которое на требуемые участки образует давление. После закрепления изделие помещается в печь для нагрева.

Принцип термического способа состоит в том, что в процессе охлаждения металл сжимается. Растянутый участок нагревают с помощью дуги или горелки таким образом, чтобы холодным оставался окружающий сплав. Это препятствует сильному расширению горячего участка. В процессе остывания конструкция выпрямляется. Метод идеально подходит для правки листовых полос, балок и других изделий.

Холодная правка проводится с применением постоянных нагрузок, которые образуют с помощью разнообразных прессов, валков для прокатки длинных конструкций. В сильно растянутых конструкциях для ликвидации деформаций используют термическую правку. Сперва собираются излишки металла, после чего проблемные участки прогреваются.

Какой из методов считается самым лучшим? Однозначного ответа здесь не существует. При выборе технологии следует учитывать тип, размеры и формы металлического изделия, какие особенности вызвали деформации и сварочные напряжения, и деформации, возникшие в плоскости или снаружи. Также внимание стоит обратить на эффективности методики и предстоящих трудозатратах.

Как предотвратить возникновение напряжений и деформации

Чтобы повысить качество конструкций и предотвратить образование браков, следует знать от чего зависит величина деформации свариваемого металла.

Понизить напряжения в процессе сварочных работ и предотвратить деформации можно, если придерживаться следующих правил:

• при проектировании сварной конструкции сперва нужно провести расчет сварочных деформаций, что позволит правильно сформировать сечения швов и предусмотреть на отдельных участках изделия необходимые для усадки припуски;
• швы нужно выполнять симметрично к профильным осям всего изделия и отдельных его деталей;
• очень важно, чтобы в одной точке не было пересечений более чем трех швов;
• перед свариванием конструкцию необходимо проверить на соответствие расчетам величин зазоров в стыках и общих размеров;
• понизить остаточную деформацию можно, если создать в соединении искусственную деформацию, противоположную по знаку от выполняемой сварки. Для этого применяется общий или местный подогрев конструкции;
• при выполнении длинных швов применять обратноступенчатый способ на проход;
• использовать теплоотводящие прокладки или охлаждающие смеси, способные уменьшить зону разогрева;
• накладывать швы таким образом, чтобы последующее соединение вызывало обратные от предыдущих швов деформации;
• подбирать для вязких металлов такие сварочные техники, которые способны понизить конечные деформации.

Нужно понимать, чтобы понизить к минимуму деформации при сварке, причины их возникновения и меры предупреждения непосредственно повязаны между собой. Поэтому вначале нужно провести все расчеты и подготовительные работы, и только после этого приступать к процессу сваривания металлоконструкций.

Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям

Намного проще предотвратить проблему, нежели ее устранять. Касается это также сварочных работ. Чтобы не столкнуться с устранением брака, а также избежать лишних финансовых затрат следует обратить внимание на некоторые меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями.

Сопроводительный и предварительный подогрев

Выполнение таких видов подогрева улучшает качественные характеристики шва и прилегающих к нему участков. Также метод способствует уменьшению остаточного напряжения и пластических деформаций. Применяют подогрев для склонных к возникновению кристаллизационных трещин и закалке сталей.

Наложение швов в обратно ступенчатом порядке

Если длина шва превышает 1000 миллиметров, то следует разбить его на отдельные участки протяжностью 100-150 мм каждый и вести их нужно противоположно к направлению сварки. Применение такого способа позволяет достичь равномерного нагревания металла и существенно понизить деформацию, что нельзя отнести к случаю последовательного наложения.

Проковка швов

Как холодный, так и нагретый металл можно проковывать. Металл от силы удара разжимается в разные стороны, понижая таким образом растягивающее напряжение. Если конструкция создана из склонного к появлению закалочных структур металла, то на таких изделиях проковка не выполняется.

Выравнивание деформаций

Сущность способа состоит в подборе порядка выполнения швов. При этом каждое последующий шов должен создавать противодействующую деформацию предыдущему соединению. Очень актуально это при сваривании двусторонних соединений.

Жесткое крепление деталей

В течение всего процесса сварки обрабатываемые детали необходимо жестко и прочно закреплять в кондукторах. Вынимать можно только после полного охлаждения. Следует обратить внимание, что у такого метода есть один недостаток — повышенные риски появления внутренних напряжений.

Термическая обработка

Улучшает механические характеристики шва и расположенных вблизи участков, выравнивает структуру соединения, понижает внутренние напряжения. Термическая обработка состоит из разных операций: отпуск, отжиг (полный или низкотемпературный), нормализация.

Наилучшим способом обработки для сварных изделий считается нормализация, особенно хорошо подходит метод для изделий из низкоуглеродистых сталей.

Интересное видео

Источник