Причины возникновения напряжений и деформаций в сварных соединениях металлов

Ширина околошовной зоны

Ширина околошовной зоны. Околошовная зона

Ширина околошовной зоны не имеет определенных значений. Она переменна и зависит от нескольких факторов.

  • Вид сварки
  • Толщина металла
  • Режим сварки

Выше перечислены три основных фактора, влияющих непосредственно на ширину околошовной зоны. Если вам интересны приблизительные значения ширины околошовной зоны при той или иной сварке, обратите внимание на таблицу ниже.

Таблица размеров околошовной зоны

Вид сварки Ширина, мм, от — до
Ручная дуговая сварка(РДС) 3 — 6
Под флюсом 2 — 4
Полуавтомат в среде защитного газа Co2 1 — 3
Газовая сварка 8 — 28

Чем выше область нагрева во время сварки, тем шире околошовная зона. Так у газовой сварки самое высокое значение размера околошовной зоны.

Обратите внимание на статью — ожог глаз от сварки. В ней мы рассказали о причинах, видах и их характерных признаках. А так же о том, как лечить его в домашних условиях, народными средствами или медикаментами.

Структура и размеры зоны термического влияния

Исходя из понятия зоны термического влияния (это нагреваемая область), нетрудно предположить, что на разном удалении от шва деталь нагревается. Для наглядности представим участок околошовной зоны сварки низкоуглеродистой стали.

Строение зоны термического влияния
Строение зоны термического влияния

Схема структурных изменений в зоне термического влияния делится на несколько участков:

1 – неполного расплава. Он является переходным, металл находится в состоянии диффузии наплавки и основного сплава, соединяются две фазы – жидкая и твердая. Протяженность участка небольшая, от 100 до 500 микрон. При температуре 1500°С начинается образование крупных зерен.

2 – перегрева (длина 3–4 мм), в сплаве образуются крупные зерна, характерные для закалочного процесса, сс-железо переходит в у-железо. Ударная вязкость и пластичность стали снижаются. Температура постепенно падает с 1500 °С до 1100°С.

3 – нормализации или перекристаллизации (длина от 200 мкм до 1,5 мм, t – от 1100 до 900°С). Металл находится в температурном интервале. Образуются вторичные мелкие зерна (ферритовая фаза), физические свойства сплава близки к начальным.

4 – неполной перекристаллизации (длина от 500 мкм до 1,2 мм, t – от 900 до 725°С). Мелкие зерна чередуются с перлитными пластинками. Физические свойства хуже, чем на 3-м участке.

5 – рекристаллизации или старения (длина до 1,5 мм, t – от 725 до 450°С). Структура, характерная для нагартованного металла, разрушается. При нагреве до точки пластичности металл восстанавливается, формируются зерна стандартной величины.

6 – синеломкости, переход к основному металлу, температура понижается до 200°С. На сплаве видны синеватые пятна побежалости. Происходит насыщение поверхностного слоя азотом, водородом и углекислым газом с образованием нитридов, карбидов. Прочность стали повышается, пластичность снижается.

При сварке других сталей, в многопроходных швах структура ЗТВ меняется. Размеры зоны термовлияния зависят от нескольких факторов: толщины заготовок, химического состава стали, вида сварочного аппарата, они установливаются экспериментальным путем.

Способ сварки

Минимальный размер, мм

Максимальный размер, мм

Ручная электродуговая

3

6

С применением флюса

2

4

Дуговая в защитной атмосфере

1

3

Электрошлаковая

11

14

Газовая

8

28

У газовой горелки большая область термического воздействия. Минимальная у лазерной и электронно-лучевой сварки.

Читайте также:  Сварка высокоскоростным трением: метод перемешивания, плюсы и минусы, технология

Структура околошовной зоны

Как мы уже поняли, зона термического влияния или околошовная зона — участок сварного соединения, который находится в непосредственной близости к сварному шву. Простыми словами, это металл, рядом со швом, который подвергается нагреву.

Более того, вы уже узнали о том, что при нагреве, металл околошовной зоны меняет свою структуру, кристаллическую решетку. В связи с чем, меняются и свойства металла, прочностные показатели.

Пришло время узнать, что околошовная зона имеет определенную структуру, которую можно разбить на несколько участков.

Структура околошовной зоны или зоны термического влияния. Околошовная зона металла
Участки околошовной зоны или зоны термического влияния с характеристиками

Участок 1

Данный участок околошовной зоны называется участком частичного расплавления. Здесь переходный участок от металла шва к основному металлу. Температура данного участка достигает более 1500 градусов по цельсию.

Участок 2

Второй участок — самый слабый участок околошовной зоны. Имеет название «участок перегрева«. Данное название обусловлено тем, что температура данной зоны варьируется от 1100 до 1500 градусов цельсии. Но температуры не достаточно для плавления, по этому структура металла становится крупнозернистой. Что и является причиной хрупкости и низкой ударной вязкости. Ширина данного участка составляет от 3-х до 4-х миллиметров.

Участок 3

Участок нормализации. Температура данного участка колеблется от 900 до 1100 градусов цельсии. Ширина зоны от половины до полутора миллиметров. Название данного участка говорит на о том, что после плавного охлаждения, структура металла становится мелкозернистой. Соответственно, свойства металла гораздо благоприятны по сравнению с первыми двумя участками.

Нормализация — процедура специального нагрева металла, до температуры достаточной для смены структуры металла. Данная процедура необходима для повышения механических свойств. Нагрев происходит до 900 градусов по цельсию.

Участок 4

Участок характеризует его температура, которая находится на отметках от 700 до 900 градусов по цельсию. А так же, свой групно -зернистой структурой. Которая характеризует участок с номером 4 плохим по механическим свойствам. Данный участок хуже чем участок №3. Ширина участка от 0.5 до 1.2 мм. Название — участок неполной перекристаллизации.

Участок 5

Участок старения или рекристаллизации. Характерная температура данного участка — 400 — 700 градусов цельсии. В случае, если металл до сварки подвергался деформации на холодную, то после сварки этот участок имеет заниженные прочностные свойства ударной вязкости. А если не подвергался деформации, то изменений не происходит.

Участок 6

Температура участка варьируется от 200 до 450 градусов цельсии. Является зоной перехода от околошовной зоны к основному металлу. Особых изменений в структуре не наблюдается. Однако, при сварке низкоуглеродистых сталей, после остывания, металл приобретает повышенные прочностные свойства, но снижается пластичность.

Лекция «Устранение деформации сварной конструкции»

СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Читайте также:  КОМПРЕССОРЫ. План лекций 1.Поршневые компрессоры 2.Ротационные компрессоры 3.Турбокомпрессоры 4.Центробежные компрессоры. — презентация

1. Термическая обработка после сварки проводится для снятия напряжений, полученных в результате сварки и для улучшения механических свойств

При сварке применяют следующие виды термической обработки.

1.Отжиг. После сварки изделие помещают в нагревательную печь, нагрев осуществляют до 600—680°С.
После нагрева изделие выдерживают в печи при этой температуре в течение 2,5 мин на 1 мм толщины металла, и охлаждают вместе с печью.

Отжиг применяется, когда изготовление сварной конструкции связано с последующей обработкой резанием, повышенными требованиями к точности размеров, а также в тех случаях, когда необходимо повысить сопротивляемость хрупким разрушениям при низких температурах.

Читайте также:  Основы металлургического производства

2.Полный отжиг. Стальное изделие нагревают до температуры 820—930° С, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают вместе с печью до температуры 300°С, после охлаждают на воздухе. При полном отжиге устраняются внутренние напряжения и улучшается структура металла. Металл становится мелкозернистым и более пластичным.

3. Нормализация — это термическая обработка, подобная отжигу, но с охлаждением на воздухе. При нормализации сварное изделие нагревают до температуры 850—900° С, выдерживают при этой температуре и затем охлаждают на воздухе В этом случае металл шва и околошовной зоны приобретает мелкозернистую структуру, повышается его прочность и твердость.

4.Отпус

к . Изделие нагревают до температуры
400—700° С
, выдерживают при этой температуре, медленно охлаждают вместе с печью до нормальной температуры. Поскольку изделия в этом случае нагреваются до температуры, лежащей ниже критической (723°С), структурных изменений в сварном шве и околошовной зоне не происходит.

Нагрев для термической обработки может производиться в печах, горнах, ямах, а также с помощью индукторов. Для местного нагрева применяют сварочные горелки

2. Механические способы обработки

Для снятия остаточных напряжений после сварки используют проковку, прокатку (прил. 2), вибрацию, обработку взрывом устраняющие растягивающие остаточные напряжения в сварной конструкции.

СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Изменение размеров и формы сварной конструкции снижает ее работоспособность и портит ее внешний вид.

Для устранения деформаций применяют различные способы правки путём приложения статического

силового либо
динамического
ударного воздействия.

Правку, следует проводить
только в случае действительной необходимости,
когда остаточные деформации выходят за пределы допустимых. Любая правка
снижает надёжность
сварной конструкции.

В зависимости от конструкции изделия, величины деформации, типа материала и его термического состояния используют три основных вида правки:

  1. Термическая правка с местным нагревом

При правке этим методом нагревают растянутую часть деформированной детали. В этих участках металл испытывает пластическую деформацию сжатия и укорочения растянутых волокон металла. При последующем охлаждении эти участки, сокращаясь, выпрямляют изделие.

Термическую правку применяют в основном для устранения деформаций коробления листовых конструкций и ликвидации изгиба балочных конструкций.

При правке выпучин листовых деталей нагревают выпуклую часть в отдельных точках в шахматном порядке.

Рис. 1 Правка местным нагревом: а

– по ребру,
б
– по плоскости

После охлаждения диаметр нагреваемой окружности уменьшается, что и приводит к исчезновению выпучины. Нагрев можно производить газовой горелкой, электрической дугой, угольным электродом, на машинах для точечной сварки.

Правка убыстряется при сочетании местного нагрева с приложением статических нагрузок при использовании специальных правочных приспособлений.

Схема исправления сварной тавровой балки путем приложения статической нагрузки

Схема исправления деформированных изделий из тонколистового металла

а

– листы после сварки до прокатки,
б
– схема процесса прокатки,
1
– сварной шов,

2

– накладка,
3
– прокатные валки

Расположение участков нагрева при термической правке а

– тавровой балки,

б

– балки швеллерного сечения,
в
– рамы из швеллеров

Схема правки листовой стали

2. Термическая правка с общим нагревом (отжиг)

Её производят в правочных приспособлениях, в которых конструкция фиксируется в нужном положении с предварительным натягом в жёстком приспособлении . Затем приспособление с изделием загружается в печь и подвергается общему нагреву. Нагретый металл пластически деформируется в приспособлении и при последующем охлаждении сохраняет приданную ему форму.

3.
Холодная механическая правка
.Для этой же цели используют ручные прессы, специальные правочные приспособления, стальные пуансоны для обжатия на механизированных прессах, а также прокатку на трехвалковых станах. Для правки крупногабаритных сварных узлов применяют гидравлические правильные прессы и специализированные правильные машины.

Читайте также:  Как правильно класть крепкие, надежные и красивые сварочные швы

Так, грибовидность сварных двутавровых балок (рис. 1, д

), выправляют на специализированной машине, ролики 1 и 3 служат для подачи балки в процессе правки, нажимной ролик 2 совершает возвратно-поступательное движение.

Рис. Схемы механической правки сварных двутавровых балок (а

)

и цилиндрических оболочек (б

)

Сварные цилиндрические оболочки правят на трёх- и четырёхвалковых листогибочных машинах (рис. 14, б

).

4. Термомеханическая правка

Она заключается в сочетании местного нагрева с приложением статической нагрузки, изгибающей исправляемый элемент конструкции в нужном направлении. Эта нагрузка может создаваться домкратами, прессами или другими устройствами (рис. 14). Такой способ правки применяют для жёстких сварных узлов.

Рис. Термомеханическая правка сварного фундамента с применением домкрата (цифрами показана последовательность мест нагрева): 1

– опоры;
2 –
места нагрева;
3
– домкрат

Обработка сварных швов — обзор методов

Сварные швы отвечают за целостность металлической конструкции. В частности, соединение должно быть достаточно прочным, устойчивым к ржавлению, влажности. Обработка сварных швов призвана обеспечить выполнение этих задач.

Методы обработки

Существует три методики, с помощью которых защищаются сварные соединения:

  1. Термическая обработка. Благодаря этому способу можно убрать остаточные напряжения в материале, возникающие вследствие сварочных работ. Термообработка проводится по одной из двух технологий: местной, когда прогревается или охлаждается только само соединение, или общей — температурной обработке подлежит вся деталь.
  2. Механическая обработка. В данном случае задача состоит в удалении остатков шлака и проверке надежности соединения. Типичный пример механической обработки — простукивание шва молотком или выполнение его зачистки. Если шлак не удалить, возможно развитие коррозии.
  3. Химическая обработка. Нанесение защитных покрытий на соединение — один из способов борьбы с коррозийными процессами. Наиболее доступный вариант химической защиты — обработка шва грунтовочным лакокрасочным материалом.

Термическая обработка

Помимо уменьшения остаточных напряжений металла, термообработка позволяет добиться следующих целей:

  • сделать структуру шва и околошовных зон более приспособленной к воздействию внешних факторов;
  • оптимизировать физические и эксплуатационные свойства материала, в частности, повысить стойкость к ржавлению, жаропрочность и т.д.

Термическая обработка сварных соединений предполагает нагрев на определенное время сварного соединения или всего металла до заданной температуры. Далее происходит искусственное охлаждение, которое также производится по определенному сценарию.

Околошовная зона и трещины

Сварщики часто встречаются с проблемой возникновения трещин в околошовной зоне. Такие трещины могут быть как горячими так и холодными. Трещины в зоне термического влияния являются дефектом сварного соединения. Что бы была возможность снизить вероятность образования данного дефекта, необходимо понимать причины и знать определенные меры предотвращения.

Трещины в околошовной зоне
Трещины внутренние и наружные в околошовной зоне

Холодные трещины в околошовной зоне

Во-первых, нужно понимать, что холодные трещины — те, которые образуются при низких температурах основного металла. На пример во время остывания. Образуются они по причине недостатка или полного отсутствия структурных зерен в определенной области находящейся в зоне термического влияния.

Для того, что бы избежать образования таких трещин, необходимо постепенно и максимально плавно охлаждать деталь. Как правило, после сварки, деталь подогревают и постепенно снижают ёё температуру до температуру окружающей среды.

Источники

  • https://math-nttt.ru/obrabotka-metalla/prokovka-svarnyh-shvov-2.html
  • https://svarkaprosto.ru/tehnologii/zona-termicheskogo-vliyaniya
  • https://ArmRinok.ru/obrabotka/prokovka-svarnyh-shvov.html
  • https://weldering.com/vliyanie-nagreva-svarochnogo-plameni-strukturu-shva-zonu-termicheskogo-vliyaniya

[свернуть]
Ссылка на основную публикацию