Способы устранения напряжений при сварке

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.

Источник

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