Сварочные напряжения и деформации

Содержание

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.

Обратный изгиб балки
Зависимость между толщиной металла, формой и сечением разделки
Обратный изгиб свариваемых деталей для предотвращения угловой деформации при стыковом соединении

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.

Диагностика сварочного напряжения

[Методы выявления сварочного брака] рассчитаны обнаружение [дефектов сварных швов], часть из которых связана с возникшими в процессе напряжениями. Их принято классифицировать как остаточные (внутренние) и поверхностные. Условия для первых формируются при остывании стали.

Внутренние деформирующие напряжения

Усадка металла после сварки, угловая деформация, внутренний разрыв возникают при внутреннем напряжении, которое может быть не выявлено методами визуального осмотра. Серьезные проблемы возникают, если напряжение нарастает по мере использовании сварной детали. Сокращается срок эксплуатации конструкции, растет риск разрушения шва, потери прочности и разрушения.

Поверхностные дефекты

Поверхностные напряжения выявляются по видимому короблению деталей, расхождению швов, появлению трещин при превышении предела прочности металла. В отдельных случаях, в зависимости от степени ответственности детали, допускается переваривание шва, закрытие трещин.

Объемное напряжение

Наиболее опасно с точки зрения целостности и предсказуемости детали объемное напряжение с признаками внутренней и внешней деформации. Практически невозможно определить силу, направление и развитие деформации, если напряжение связано с разницей в структурной сетке металла с разнонаправленными внутренними линиями растяжения и сжатия.

Определение

Сварочное напряжение – это силы, действующие на место наложения шва. Они могут быть вызваны следующими усилиями:

  • сдавливающими;
  • растягивающим;
  • изгибающим;
  • крутящим.

Направление действия сил на конструкцию.

Силовые показатели напрямую влияют на надежность и жесткость конструкции. Превышение допустимых норм может привести к разрушению шва.

  1. Тепловые напряжения при сварке. Возникают при неравномерном распределении тепловой энергии по поверхности заготовки.
  2. Структурные. Появляются при превышении предельно допустимых температурных показателей, установленных для свариваемого металла, что приводит к необратимым изменениям его структуры.

Некоторые изменения носят временный характер и исчезают с охлаждением металла. Однако, встречаются и сварочные остаточные напряжения, которые действуют на поверхность даже после устранения причин их образования.

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

Фото: виды напряжений при сварки

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.

Элементы структуры стали и внутренние напряжения

Под воздействием высокой температуры в стали происходят структурные изменения. Взаимодействующие компоненты состава металла образуют свои кристаллические формации.

  1. Аустенит — растворенный в железе твердый углерод, который начинает возникать при температуре от 723 С. В зависимости от концентрации, аустенит может сохраняться в металле до температур от 1100 до 1350 С, поддерживая высокую подвижность металлического зерна. Такая сталь при постепенном охлаждении сохраняет пластичность, потому напряжения в ней оказываются незначительными. Часть аустенита остается в металле после остывания.

  2. Цементит, он же карбид железа обладает высокой твердостью поверхности, потому ограничивает подвижность зерна в ромбовидной решетке.

  3. Феррит формируется при сварке в присутствии флюса и обеспечивает хорошую пластичность металла за счет округлости зерен. Образуется при остывании стали и поддерживает ее пластичность.

  4. При смешивании феррита и цементита образуется пластинчатый или зернистый перлит с вытянутыми или округлыми зернами. Быстрое охлаждение металла приводит к замене перлита трооститом.

  5. Зерна мартенсита относятся к неравновесным структурным элементам стали, существующим только в определенном температурном диапазоне (от 750 до 900 С). Закалка стали с быстрым охлаждением приводит к фиксации мартенсита в структуре, что придает металлу повышенную прочность, но ограничивает пластичность.

Если речь идет о легированной стали, то при изменении температур в ее структуре появляются нитридные и карбидные элементы перечисленных структурных компонентов. Разные размеры, время и условия существования кристаллических зерен и определяют возникновение напряжений.

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.
Читайте также:  Холодная сварка для пластика: виды, состав, инструкция по применению

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.

Фото: деформация при сварки

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.

Меры борьбы со сварочными деформациями.

1) При сборке конструкций применять по возможности сборочные приспособления , обеспечивающие свободное перемещение свариваемых конструкций от усадки швов. Следует строго соблюдать размеры притуплений, зазоров и соосность элементов.

2) Выполнять необходимую последовательность сварки швов; чередование слоев двухстороннего шва: чередование сварки поясных швов балок, строго выполнять последовательность и порядок сварки швов, указанные в типовой технологии или проекте производства сварочных работ.

3) Не допускать превышения величины тепловложения в шов (увеличения силы сварочного тока по сравнению с рекомендуемой для электродов применяемого типа и диаметра).

4Использовать жесткое закрепление деталей перед сваркой для уменьшения их деформаций (если это предусмотрено технологической запиской или иструкцией) с помощью прихваток или приспособлений; использовать вибрацию конструкций в процессе сварки для уменьшения деформаций и напряжений.

5) При сварке пластических сталей и металлов использовать проковку слоев шва непосредственно за сваркой (если это предусмотрено технологической запиской).

6)Использовать предварительный обратный выгиб листовых деталей (стенок и полок балок, листов корпуса резервуаров и др.) для предупреждения угловой деформации.

7) При сварке листовых резервуарных конструкций (днищ и корпусов) сперва сваривать стыки между листами, а потом стыки между полосами или поясами, при обратном порядке не исключены появление трещин в местах пересечений швов, а также увеличение коробления конструкций.
В необходимых случаях применять предварительный и сопутствующий подогревы.

9) Применять в необходимых случаях общую или местную термическую обработку сварных соединений.

Правка деформированных после сварки конструкций широко применяется на заводах и мастерских при недопустимом искажении формы и размеров конструкций. Различают три метода правки: механическую, термическую и термомеханическую. Механическая правка основана на образовании пластических удлинений в зоне сварных соединений, вследствие чего устраняются деформации. Термическую правку производят путем местного нагрева тех зон, усадка которых устраняет остаточные сварочные деформации. Таким образом может быть устранена серповидность листа или остаточная деформация изгиба сварного тавра. Иногда применяют комбинированный термомеханический метод для ликвидации выпучины в тонколистовой стали.

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.

Фото: противодействия деформации и напряжениям при сварки

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.

Профилактика и снятие напряжений металла при сварке

Основным способом предотвращения напряжений в сварочном шве можно назвать правильный выбор стали для соединения. Чем ближе по составу и структуре соединяемые фрагменты, тем меньше вероятность напряжения и последующей деформации. Особое внимание уделяют качеству и [технике сварки тонких металлов инвертором], так как небольшая толщина металла — это условие для разрыва и активного коробления.

Деформации сварных соединений

Многие начинающие и даже опытные сварщики часто сталкиваются с проблемой деформации сварных соединений (искривлений рабочей поверхности из-за теплового воздействия дуги). Деформации могут приводить ко многим неприятностям, самая опасная из которых — это риск получить конструктивно ненадежные соединения. Эта статья поможет лучше понять, что представляют собой деформации, как они происходят, какое влияние оказывают на соединение и как их контролировать. Что такое деформации сварного соединения? Деформация сварного соединения происходит из-за расширения и сужения наплавленного металла во время нагревания и остывания в ходе сварки. Если проводить сварку только с одной стороны детали, то это приведет к большему уровню деформаций, чем при чередовании обеих сторон. Во время цикла нагревания и охлаждения на сужение и деформацию металла влияет множество факторов, в частности, изменение физических и механических свойств металла по мере поступления тепла. Например, по мере роста температуры в зоне сварки предел прочности, эластичность и теплопроводимость стали падают, а тепловое расширение и удельная теплоемкость возрастают (Рис. 3-1). Эти изменения, в свою очередь, влияют на теплоотдачу и однородность распределения тепла.

Читайте также:  Ванная сварка стальных конструкций и арматуры

Причины деформаций Чтобы понять, как и почему происходят деформации во время нагревания и остывания металла, рассмотрим брусок стали, показанный на Рис. 3-2. При равномерном нагревании брусок начнет расширяться во всех направлениях, как это показано на Рис. 3-2(a). После того, как металл начнет остывать, он равномерно сузится до исходного размера.

Если равномерно нагреть незафиксированный стальной брусок, как на рисунке (a), он расширится во всех направлениях и затем при охлаждении вернется к исходным размерам. Но если брусок зафиксирован, как на рисунке (b), он сможет расшириться только в вертикальном направлении — при этом увеличится его толщина. При охлаждении брусок равномерно сожмется, как на рисунке (c), и поэтому останется деформированным. Это самое простое объяснение деформаций в сварных соединениях.

Но если брусок зафиксирован — например, в тисках, как показано на Рис. 3-2(b) — боковое расширение будет невозможно. Но так как при нагревании материал все же должен расширяться, брусок расширится в вертикальном направлении (увеличится его толщина). Несмотря на это, когда брусок начнет остывать, он сузится равномерно, как показано на Рис. 3-2 (c). В результате брусок станет короче, но толще. Он получит необратимую деформацию (для простоты на рисунках выше показано только изменение толщины. В действительности также схожим образом изменится длина бруска)

Точно такие же силы сжатия и расширения действуют на наплавленный и основной металл. Когда наплавленный металл затвердевает и сплавляется с основным, он находится в расширенном состоянии. При остывании он пытается сжаться до объема, который он бы обычно имел при низкой температуре, но не может этого сделать из-за примыкающего основного металла. Из-за этого между наплавленным и основным металлом возникают напряжения. В этот момент из-за изменения объема при остывании сварной шов удлиняется и сужается. Но при этом снижаются только те напряжения, которые превышают предел текучести наплавленного металла. К моменту, когда металл остынет до комнатной температуры — при условии полной фиксации для предотвращения сдвигов — наплавленный металл будет иметь внутреннее растягивающее напряжение, примерно равное пределу текучести металла. Если снять фиксацию (зажимы или иную силу, препятствующую сжатию), остаточные напряжения будут частично сняты, потому что они заставят металл сдвинуться и деформировать соединение.

Контроль сжатия — как сократить деформации Чтобы предотвратить или сократить деформации при нагревании и остывании сварного соединения, нужно использовать определенные конструкторские и сварочные приемы. Сжатие нельзя предотвратить, но его можно контролировать. Существует несколько методов сокращения деформаций из-за сжатия металла::

1. Избегайте излишне большого сечения шва Чем больше металла, тем больше силы сжатия. Правильное сечение шва позволит не только сократить искажения, но и сэкономить время и сварочные материалы. Объем наплавленного металла в угловом соединении можно снизить за счет плоского или немного выпуклого шва, в стыковом — за счет правильной подготовки кромок и подгонки. Избыточный металл в сильно выпуклом шве не позволит повысить допустимую нагрузку, но определенно увеличит силы сжатия.

При сварке пластин большого сечения (больше 2,5 см) создание одностороннего или даже двухстороннего скоса кромок позволить значительно снизить объем наплавленного металла, что автоматически означает намного меньший уровень деформаций.

Как правило, когда не стоит опасаться деформаций, нужно выбирать самое экономичное соединение. Если деформации могут представлять собой проблему, подберите соединение, в котором остаточные напряжения будут друг друга компенсировать или соединение, для которого требуется наименьшее количество наплавленного металла.

2. Сделайте прерывистый сварной шовЕще один способ снизить объем наплавленного металла — по возможности вести прерывистую сварку, как показано на Рис. 3-7(c). Например, при добавлении на стальную пластину ребер жесткости прерывистая сварка позволяет снизить объем наплавленного металла на 75% и в то же время обеспечить необходимую прочность.

3. Делайте как можно меньше проходов Меньшее число проходов за счет материалов большего диаметра, Рис. 3-7(d) оказывается более предпочтительным в случаях, когда следует опасаться поперечных деформаций. Сжатие от каждого прохода суммируется, поэтому при большом числе проходов сжатие усиливается.

4. Прокладывайте шов возле нейтральной оси Деформации можно сократить, если уменьшить плечо рычага для сил сжатия, которые могут сместить пластины. Это показано на Рисунке 3-7(e). Для контролирования деформаций можно эффективно использовать как строение шва, так и сварочную процедуру.

5. Располагайте швы на нейтральной оси Этот метод, показанный на Рис. 3-7(f), позволяет уравновесить силу сжатия с одной стороны изделия силой сжатия с другой стороны. Для этого также важны строение соединения и процедура сварки.

6. Обратноступенчатая сваркаПри сварке обратноступенчатым способом общее направление сварки может быть, например, слева направо, но каждый отдельный валик накладывается в направлении справа налево, как это показано на Рис. 3-7(g). При наложении очередного сегмента валика его нагретые края расширяются, что временно раздвигает пластины в точке B. Но как только тепло переходит по пластине в точку C, расширение вдоль внешних краев CD опять сдвигает пластины вместе. Это расстояние больше всего в момент создания первого валика. При последующей сварке пластины расширяются меньше и меньше за счет силы сжатия предшествующих валиков. Обратноступенчатая сварка подходит не для каждой задачи и она слишком неэкономичная при автоматической сварке.

7. Прогнозирование сил сжатияС помощью предварительной подгонки деталей (с первого взгляда может показаться, что это относится только к потолочной или вертикальной сварке, что не всегда так) можно использовать силы сжатия конструктивно. На Рис. 3-7(h) показано несколько примеров такой подгонки деталей. При этом методом проб и ошибок нужно подобрать зазоры, необходимые для того, чтобы силы сжатия стянули пластины в нужное положение.

Предварительные подгибка, подгонка и обратная деформация, Рис. 3-7(i) — это самые распространенные примеры компенсирования деформаций при сварке. При предварительной подгонке удлиняется верхняя часть кромок под сварку — где будет расположена большая часть наплавленного металла. Из-за этого шов в готовом виде получается несколько длиннее, чем было бы в нижнем положении. Когда после сварки зажимы будут сняты, пластины опять примут плоскую форму, что снизит продольное усадочное напряжение за счет укорачивания шва. Эти две силы компенсируют друг друга и пластины принимают желаемую плоскую форму.

Еще один распространенный прием компенсирования сил сжатия — это сварка парных идентичных сегментов, Рис. 3-7(j), жестко скрепленных зажимами. После завершения сварки обоих изделий им позволяют остыть и затем снимают зажимы. Этот метод можно совмещать с подгибкой, когда перед наложением зажимов в определенные места между деталями вставляются клины.

В случае швов большого сечения жесткость элементов и их расположение относительно друг друга позволяют должным образом сбалансировать все воздействующие силы. Если это невозможно, нужно найти другой способ компенсировать силы сжатия в наплавленном металле. Этого можно добиться, если с помощью зажимов погасить силы сжатия за счет противоположной силы. Этой противоположной силой могут быть: другие силы сжатия; сдерживающие силы зажимов, тисков или фиксаторов; сдерживающие силы из-за определенного расположения элементов; или провисание одного из элементов благодаря гравитации.

8. Процедура сварки Хорошо продуманная процедура сварки предусматривает поочередную сварку в разных местах конструкции, потому что когда она сжимается в одном месте, она противодействует силам сжатия в уже готовых соединениях. В качестве примера, сварку можно поочередно вести с двух сторон нейтральной оси стыкового соединения, как показано на Рис. 3-7(k). Еще один пример, для стыкового соединения, предусматривает поочередную сварку в последовательности, показанной на Рис. 3-7(l). В этих примерах сжатие от шва №1 компенсирует сжатие от шва №2.

Наверное, самый распространенный способ контроля деформаций в мелких деталях — это зажимы, тиски и другие крепежные приспособления, которые фиксируют детали в нужном положении до завершения сварки. Выше уже было упомянуто, что сдерживающая сила зажимов увеличивает внутреннее напряжение в наплавленном металле до тех пор, пока не будет достигнут предел текучести. В большинстве случаев сварки низкоуглеродистой стали он составляет около 310 МПа. Было бы логично предполагать, что это напряжение приведет к значительному смещению или деформации после того, как деталь освободят от тисков или зажимов. Однако на самом деле этого не происходит, так как это напряжение (сужение детали) намного ниже смещения, которое произошло бы без использования фиксации во время сварки.

Читайте также:  Дефектоскопия трубопроводов, рассмотрим их виды: распространена ультразвуковая дефектоскопия сварных швов и соединений

9. Снижение сил сжатия после сварки Проковка — это один из доступных способов противостоять силам сжатия во время остывания шва. По сути, проковка шва позволяет удлинить шов и сделать его тоньше, тем самым снизив (с помощью пластических деформаций) напряжение из-за остывания при охлаждении металла. Но этим методом нужно пользоваться с осторожностью. Например, нельзя проковывать корневой шов из-за риска скрыть или вызвать появление трещины. Как правило, проковка не допускается при последнем проходе, потому что это может скрыть трещину и помешать визуальному осмотру, и потому что она оказывает нежелательный эффект механического упрочнения. Поэтому применимость этого метода несколько ограничена, хотя бывают случаи, когда проковка между проходами оказалась единственным подходящим решением проблем с деформациями или растрескиванием. Перед проведением проковки на нее сначала нужно получить конструкторское разрешение.

Еще один метод снятия сил сжатия — это термическое снятие напряжения, контролируемое нагревание соединения до определенной температуры с последующим контролируемым соединением. Иногда для этого скрепляют вместе два идентичных соединения, после чего проводится сварка и снятие напряжения. Это позволяет свести к минимуму остаточное напряжение, которое деформировало бы соединения.

10. Сокращение времени сварки Так как для распространения тепла необходимо время, оно оказывает большое влияние на деформации. В большинстве случае предпочтительно завершить сварку как можно скорее, до того, как нагреется и расширится большой объем металла. Сжатие и деформирование сварного шва зависят от используемого процесса сварки, типа и диаметра сварочных материалов, силы тока и скорости сварки. Механизированное сварочное оборудование позволяет сократить продолжительность сварки и объем затронутого тепловым воздействием металла, как следствие, сократив уровень деформаций. Например, для создания сварного шва определенного размера на пластине большого сечения с настройками 175А, 25В и 7,5 см/мин. требуется 87 500 джоулей энергии (тепловложения) на линейный дюйм шва. Для создания такого же шва с настройками 310А, 35В и 20 см/мин. требуется 81 400 джоулей на линейный дюйм. Большое тепловложение обычно приводит к большим деформациям шва (примечание: мы специально не используем слова «избыточное» и «больше необходимого» потому что сечение шва тесно связано с тепловложением. В большинстве случаев сечение углового шва (в дюймах) равняется квадратному корню тепловложения(кЖд/дюйм), поделенному на 500. Поэтому эти два соединения скорее всего будут иметь разный размер.

Другие методы контроля деформаций

Тиски с жидкостным охлаждением Для борьбы с деформациями было разработано несколько методов. Например, при сварке листового металла иногда используется жидкостное охлаждение (Рис. 3-33), которое позволяет быстро отводить жар от свариваемых компонентов. Для этого к медным крепежным зажимам припаиваются медные трубы и во время сварки через эти трубы подается вода. Кроме того, деформации также удается сократить за счет сдерживающей силы зажимов.

Укрепляющая накладка «Укрепляющие накладки» — это еще один полезный прием для снижения деформаций при сварке стыковых соединений, Рис. 3-34(a). К кромкам одной из пластин приваривают скобы и в них вставляют клины, которые выравнивают кромки и удерживают их во время сварки.

Термическое снятие напряжения Снятие напряжение нагреванием используется для снижения деформаций только в исключительных случаях. Однако бывают случаи, когда это необходимо для предотвращения дальнейшей деформации материала до завершения сварки.

Концентраторы напряжений. Сварочные напряжения и деформации. Мероприятия по их снижению или предотвращению

В местах искажения сечения (у отверстий, выточек, надрезов, утолщений, резкого сброса сечений, сварные швы и т. п.) происходит искривление линий силового потока и их сгущение около препятствий , что приводит к повышению напряжений в этих местах.
Отношение максимального напряжения в местах концентрации к номинальному, равномерно распределенному по ослабленному сечению, называется коэффициентом концентрации.

Сварка вызывает в изделиях появление напряжений, существующих без приложения внешних сил. Напряжения возникают по ряду причин, прежде всего из-за неравномерного распределения температуры при сварке, что затрудняет расширение и сжатие металла при его нагреве и остывании, так как нагретый участок со всех сторон окружен холодным металлом, размеры которого не изменяются. Вследствие структурных превращений участков металла околошовной зоны, нагретых в процессе сварки выше критических точек, в свариваемых конструкциях возникают структурные напряжения. В отличие от напряжений, действующих на конструкцию во время ее эксплуатации и вызываемых внешними силами, эти напряжения называют внутренними (собственными) и остаточными сварочными напряжениями. Если значения сварочных напряжений достигнут предела текучести металла^ они вызовут изменение размеров и формы, т. е. деформацию изделия. Деформации могут быть временными и остаточными. Если остаточные деформации достигнут заметной величины, они могут привести к неисправимому браку. Остаточные напряжения могут вызвать не только деформацию сварного изделия, но и его разрушение. Особенно сильно проявляется действие этих напряжений в условиях, способствующих хрупкому разрушению сварного соединения, которое происходит в результате неблагоприятного сочетания концентрации напряжений, температуры и остаточных напряжений. Первые два фактора меньше поддаются изменению, чем остаточные напряжения, поэтому применяют ряд мер по предотвращению и снижению сварочных напряжений и деформаций.

Высокая концентрация теплоты способствует сужению зоны, подвергающейся пластическим деформациям, и уменьшению деформаций конструкций. С этой точки зрения наиболее благоприятной является замена ручной сварки покрытыми электродами автоматической или полуавтоматической сваркой под флюсом или в защитных газах. Для обеспечения минимальной деформации сварной конструкции следует накладывать сварные швы наименьшего сечения и не допускать их увеличения в процессе изготовления конструкции. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных дефор-мадий непосредственно зависит от погонной энергии, определяемой режимом сварки, а также от размера шва или слоя. При прочих равных условиях Х-образная разделка кромок, обеспечивающая симметричное расположение шва, вызывает меньшую деформацию, чем V-об-разная. Эффективной мерой уменьшения деформаций является применение сварочных материалов, обеспечивающих более высокую прочность металла шва и поэтому позволяющих делать швы меньшего сечения. На величину остаточных напряжений и деформаций оказывает влияние порядок наложения шва по его длине и сечению. Наибольшие остаточные деформации возникают при сварке «напроход». При ручной сварке швы следует выполнять от середины к концам двумя сварщиками. Уменьшает напряжения и деформации обратносту-пенчатая сварка, сварка каскадом. Эффективной мерой снижения остаточных деформаций является закрепление свариваемых деталей в специальных кондукторах. Для борьбы с деформациями часто применяют предварительный обратный изгиб свариваемых деталей (рис. 40) или определенный порядок сварки (рис. 41, 42).

При резком охлаждении сварного соединения нагреваемый при сварке участок, в котором возникают пластические деформации, сужается, что приводит к уменьшению остаточных деформаций и напряжений. Предварительный или сопутствующий подогрев уменьшает перепад температур между участками сварного соединения, в результате чего снижаются напряжения.

Существуют также конструктивные меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями. С помощью этих мер стараются получить равномерное по сечению изделия распределение напряжений от рабочей нагрузки и остаточных, а также устранить всевозможные концентраторы напряжений. Для этого сводят до минимума число пересекающихся и сближающихся швов; число швов, образующих замкнутый контур; сокращают скопление швов в изделии; обеспечивают свободные деформации в частях изделия при сварке швов (постановка лишних ребер жесткости или косынок, уменьшающих гибкость изделия, часто приносит вред); применяют по возможности стыковые швы, которые обеспечивают наименьшую концентрацию напряжений.

Для полного снятия напряжений сварные соединения подвергают термической обработке. Снять напряжения можно термопластическим методом, основанным па создании пластических деформаций в зоне шва путем нагрева смежных со швом участков основного металла. 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 состояния. Сварочные напряжения могут быть сняты почти полностью, если в околошовной зоне создать дополнительные пластические деформации путем проковки шва. Эффективной мерой снятия сварочных напряжений в конструкциях из незакаливающихся сталей является воздействие на сварную конструкцию внешних сил, от которых в ней возникают напряжения, равные пределу текучести металла. Устранить деформации можно с помощью термической правки, когда нагрев производят газокислородным пламенем или электрической дугой неплавящимся электродом, или путем механической правки на прессах или вручную.

Источники

  • https://PokVorota3.ru/ustrojstva/koroblenie-metalla-pri-svarke.html
  • https://NiceSpb.ru/materialy/deformaciya-i-napryazhenie-pri-svarke.html
  • https://oxotnadzor.ru/kontsentratory-napryazheniy-svarnykh-soyedineniy/

[свернуть]
Ссылка на основную публикацию