От чего зависит величина деформации свариваемого металла? - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

От чего зависит величина деформации свариваемого металла?

Сварочные напряжения и деформации

Образование напряжений и деформаций при сварке обычно связано с несоблюдением технологических требований. Такие соединения ненадежны, так как на швах могут появиться трещины, снижающие прочность. После деформации при сварке геометрические параметры могут измениться настолько, что конструкция будет непригодна для эксплуатации.

Определение сварочных напряжений и деформаций

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению. По направленности они могут быть:

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

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил. Нарушения могут проявиться не сразу после завершения сварочных работ, а во время эксплуатации из-за увеличения нагрузки. В лучшем случае снизится антикоррозийная устойчивость, в худшем ― разрушится конструкция.

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению.

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил.

Причины возникновения

Причины образования деформаций и напряжений при сварке подразделяются на основные и побочные категории. К первым относят те, которые возникают во время сварки, поэтому неизбежны. Вторые нужно предотвращать.

Основные причины возникают как следствие:

  1. Неравномерного нагрева сварочной зоны и прилегающих участков. Более горячий металл расширяется больше чем холодный, поэтому между слоями с разной температурой начинает концентрироваться напряженность. Ее величина определяется степенью нагревания и коэффициентом теплового расширения. Чем больше эти значения, тем выше вероятность нарушения геометрии конструкций.
  2. Усадки. Когда при охлаждении после сварки металл переходит из жидкой фазы в твердое состояние, объем уменьшается. Этот процесс сопровождается растягиванием прилегающих участков с образованием напряжений, направленных вдоль или поперек шва. Продольное воздействие изменяет длину соединения, а поперечное способствует образованию угловой деформации.
  3. Структурных изменений. При сварке высокоуглеродистой или легированной стали с большим нагревом происходит процесс закаливания с изменением объема и коэффициента теплового расширения. Это явление создает напряжения, приводящие к образованию трещин внутри и на поверхности швов. У сталей, в составе которых углерода меньше 0,35%, структурные изменения настолько малы, что не оказывают существенного влияния на качество сварных соединений.
Читайте также:  Как правильно сварить железо?

К побочным причинам причисляют:

  • неправильный выбор электродов или режимов сварки, некачественная подготовка деталей перед сваркой, другие нарушения технологии;
  • неверный выбор вида швов или малое расстояние между ними, большое количество точек пересечения соединений и прочие конструктивные ошибки;
  • неопытность сварщиков.

Классификация напряжений и деформаций

В зависимости от причины образования напряжения называются тепловыми и структурными. Первые возникают во время нагрева/остывания, вторые возникают при структурной перестройке металла. При сварке легированных или высокоуглеродистых сортов стали они проявляются совместно.

По месту действия напряжения присутствуют в границах конструкции, зернах, кристаллической решетке металла. По виду напряженного состояния их называют:

  • линейными, с односторонним действием;
  • плоскостными, действующими по двум направлениям;
  • объемными, распространяющиеся по трем осям.

По направленности продольные напряжения действуют вдоль сварного соединения, а поперечные перпендикулярно.

Деформацию конструкции, которая происходит в процессе сварки, называют общей, а если изменяются размеры и форма только одной или нескольких деталей ― местной. По продолжительности существования действие временных сварочных деформаций проявляется только в процессе соединения деталей. После охлаждения геометрические параметры восстанавливаются. Остаточной называют сварочную деформацию, которая остается неизменной после устранения причины появления. Если геометрические параметры восстанавливаются после завершения сварки, деформации называются упругими, если нет ― пластичными.

Как предотвратить возникновение

Для снижения величины сварочных напряжений и деформаций при подготовке к работе специалисты рекомендуют:

  • при проектировании выполнять расчет деформаций для правильного формирования сечения сварочных швов, припусков для усадки;
  • располагать швы симметрично по отношению к осям узлов;
  • не проектировать соединения так, чтобы больше трех швов пересекались в одной точке;
  • прежде чем приступить к сварке, проверить, нет ли отклонений величины зазоров на стыках от расчетных величин;
  • не проводить швы через места концентрации напряжений.
Читайте также:  Как оцилиндровать бревно в домашних условиях

Для уменьшения деформаций и напряжений во время работы применяют следующие приемы:

  • создавать на соединениях очаги дополнительной деформации с действием, противоположным сварке;
  • швы длиной больше 1 м разбивать на отрезки длиной 10 — 15 см и сваривать обратноступенчатым методом;
  • подкладывать под стыки медные или графитовые прокладки для снижения температуры сварочной зоны;
  • соседние швы сваривать так, чтобы деформации компенсировали друг друга;
  • для сварки деталей из вязкого металла применять технологии, которые обеспечивают снижение величины остаточных явлений;
  • делать размер швов меньше, если это допускается условиями эксплуатации;
  • по возможности выполнять соединения с меньшим числом проходов;
  • при наложении двухсторонних швов слои наплавлять попеременно с каждой стороны;
  • предварительно выгибать края заготовок в направлении, противоположном действию деформации, когда сварка завершится, они вернутся в исходное положение;
  • не делать много прихваток;
  • для ускорения сборки и снижения величины деформаций небольшие узлы сваривать в кондукторах.

Методы устранения напряжений

Для снятия напряжений пользуются отжигом и механической обработкой. Первый способ применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую точность размеров. Местный или общий отжиг проводят при нагреве до 550 — 680⁰C в три стадии: нагревание, выдержка, охлаждение.

Для механического снятия напряжений используют обработку проковкой, прокаткой, вибрацией, взрывом, чтобы создать нагрузку с противоположным знаком. Для горячей и холодной проковки используют пневматический молот. Обработку вибрацией проводят устройством, которое генерирует колебания с частотой в диапазоне 10 — 120 Гц.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции.

Методы устранения деформаций

Дефекты устраняют термическим с местным или общим нагревом, холодным механическим, термомеханическим способами. Для правки термическим методом с полным отжигом конструкцию закрепляют в устройстве, которое создает давление на искривленный участок, затем нагревают в печи.

Читайте также:  Направляющая для дрели своими руками

Способ локального нагрева основан на сжимании металла при остывании. Для исправления дефектов искривленное место греют горелкой или сварочной дугой. Так как прилегающие участки остаются холодными, зона нагрева не может значительно расшириться. После охлаждения растянутый участок выпрямляется.

Термическим способом выправляют любые виды деформаций, однако при работе с тонкостенным металлом следует учитывать его особенности:

  • тепло при местном нагреве тонких стальных листов быстро распространяется по всей площади, поэтому величина усилия сжатия оказывается недостаточной для исправления дефекта;
  • температура локального нагрева тонкостенного металла не должна превышать 600 — 650⁰C, поскольку при увеличении температуры начнется образование пластических деформаций даже при отсутствии напряжения.

При механической правке растянутые участки деформируются внешними нагрузками в обратном направлении. Дефекты устраняют применением изгибания, вальцовки, растяжения, ковкой, прокаткой роликами.

Термомеханическую правку проводят с подогревом растянутого участка до 700 — 800⁰C и внешнего воздействия. Для выправления участков с большим растяжением сначала из избытков металла холодной рихтовкой формируют выступы в форме куполов. Затем по отдельности нагревают и резко охлаждают.

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

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

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

Как предотвратить

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Способы устранения напряжений

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

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

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

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

Способы устранения деформаций

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

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

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

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

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

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

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

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

Деформации и напряжения при сварке

Деформации и напряжения при сварке

Процесс, при котором в результате воздействия силы форма и размер твердого тела изменяют свою форму, называется деформацией. Различаются следующие ее виды:

– упругая, при которой тело восстанавливает исходную форму, как только действие силы прекращается. Такая деформация, как правило, бывает незначительной, например для низкоуглеродистых сталей она составляет не более 0,2 %.

– остаточная (пластическая), возникающая в том случае, если тело после устранения воздействия не возвращается в первоначальное состояние. Этот вид деформации характерен для пластичных тел, а также отмечается при приложении к телу очень значительной силы. Для пластической деформации нагретого металла, в отличие от холодного, требуется меньше нагрузки.

Степень деформации зависит от величины приложенной силы, т. е. между ними прослеживается прямо пропорциональная зависимость: чем больше сила, тем сильнее деформация.

Силы, которые действуют на изделие, делятся на:

– внешние, к которым относятся собственно вес изделия, давление газа на стенки сосуда и пр. Такие нагрузки могут быть статическими (не изменяющимися по величине и направлению), динамическими (переменными) или ударными;

– внутренние, возникающие в результате изменения структуры металла, которое возможно под воздействием внешней нагрузки или, например, сварки и др. Рассчитывая прочность изделия, внутреннюю силу обычно называют усилием.

Величину усилия характеризует и напряжение, которое возникает в теле в результате этого усилия. Таким образом, между напряжением и деформацией имеется тесная связь.

Относительно сечения металла действующие на него силы могут иметь разное направление. В соответствии с этим возникает напряжение растяжения, сжатия, кручения, среза или изгиба (рис. 3).

Рис. 3. Виды напряжения, изменяющие форму металла и сплава (стрелки указывают направление уравновешивающих сил): а – растяжение; б – сжатие; в – кручение; г – срез; д – изгиб

Появление деформации в сварных конструкциях объясняется возникновением внутренних напряжений, причины которых могут быть разными и подразделяются на две группы.

К первой относятся неизбежные причины, которые обязательно возникают в ходе обработки изделия. При сварке это:

1. Кристаллизационная усадка наплавленного металла. Когда он переходит из жидкого состояния в твердое, его плотность возрастает, поэтому изменяется и его объем (это и называется усадкой), например уменьшение объема олова в таком случае может достигать 26 %. Данный процесс сопровождается растягивающими напряжениями, которые развиваются в соседних участках и влекут за собой соответствующие им напряжения и деформации. Усадка измеряется в процентах от первоначального линейного размера, а каждый металл или сплав имеет собственные показатели (табл. 1).

Таблица 1. ЛИНЕЙНАЯ УСАДКА НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Напряжения, причиной которых является усадка, увеличиваются до тех пор, пока не наступает момент перехода упругих деформаций в пластические. При низкой пластичности металла на наиболее слабом участке может образоваться трещина. Чаще всего таким местом бывает околошовная зона.

При сварке наблюдаются два вида усадки, которые вызывают соответствующие деформации:

а) продольная (рис. 4), которая приводит к уменьшению длины листов при выполнении продольных швов. При несовпадении центров тяжести поперечного сечения шва и сечения свариваемой детали усадка вызывает ее коробление;

Рис. 4. Продольная усадка и деформации при различном расположении шва по отношению к центру тяжести сечения элемента: а – при симметричном; б, в – при несимметричном; 1 – график напряжений; 2 – шов; ?L – деформация; b – ширина зоны нагрева; напряжение сжатия; + – напряжение растяжения; г – при несимметричном; 2 – шов

б) поперечная (рис. 5), следствием которой всегда является коробление листов в сторону более значительного объема наплавленного металла, т. е. листы коробятся вверх, в направлении утолщения шва. Фиксация детали воспрепятствует деформации от усадки, но станет причиной возникновения напряжений в закрепленных участках.

Рис. 5. Поперечная усадка и деформации: а – деформации до и после сварки; б – график распределения напряжения (О – центр тяжести поперечного сечения шва; напряжение сжатия; + – напряжение растяжения)

Величина деформаций при сварке зависит, во-первых, от размера зоны нагрева: чем больший объем металла подвергается нагреванию, тем значительнее деформации. Следует отметить, что для различных видов сварки характерны разные по размеру зоны нагрева и деформации, в частности при газовой сварке кислородно-ацетиленовым пламенем она больше, чем при дуговой сварке.

Во-вторых, имеют значение размер и положение сварного шва. Величина деформации тем существеннее, чем длиннее шов и больше его сечение, определенную роль играют также несимметричность шва и главной оси сечения свариваемого изделия.

В-третьих, если деталь сложна по своей форме, то швов на ней бывает больше, поэтому можно предположить, что напряжения и деформация обязательно проявятся.

2. Неравномерный нагрев свариваемых частей или деталей. Как известно, при нагревании тела расширяются, а при охлаждении – сужаются. При сварке используется сосредоточенный источник тепла, например сварочная дуга или сварочное пламя, который с определенной скоростью перемещается вдоль шва и поэтому неравномерно нагревает его. Если свободному расширению или сокращению мешают какие-либо препятствия, то в изделии развиваются внутренние напряжения. Более холодные соседние участки и становятся такой помехой, поскольку их расширение выражено в меньшей степени, чем у нагретых участков. Поскольку термические напряжения, ставшие следствием неравномерного нагревания, развиваются без внешнего воздействия, то они называются внутренними, или собственными. Наиболее важными являются те из них, которые возникают при охлаждении изделия, причем напряжения, действующие вдоль шва, менее опасны, поскольку не меняют прочности сварного соединения, в отличие от напряжений, перпендикулярных шву, которые приводят к образованию трещин в околошовной зоне;

3. Структурные трансформации, которые развиваются в околошовной зоне или металле шва. В процессе нагревания и охлаждения металла размер и расположение зерен относительно друг друга изменяются, что отражается на объеме металла и становится причиной возникновения внутренних напряжений со всеми вытекающими последствиями, представленными в первом пункте. В наибольшей степени этому подвержены легированные и высокоуглеродистые стали, предрасположенные к закалке; низкоуглеродистые – в меньшей. В последнем случае при изготовлении сварных конструкций это явление может не приниматься в расчет.

Вторую группу составляют сопутствующие причины, которые можно предупредить или устранить. К ним относятся:

– ошибочные конструктивные решения сварных швов, например небольшое расстояние между соседними швами, слишком частое пересечение сварных швов, ошибки в выборе типа соединения и др.;

– несоблюдение техники и технологии сварки, в частности плохая подготовка кромок металла, нарушение режима сварки, использование несоответствующего электрода и др.;

– низкая квалификация исполнителя.

Величина деформаций при сварке во многом определяется теплопроводностью металла. Между ними существует прямо пропорциональная зависимость: чем выше теплопроводность, тем более равномерно распространяется поток тепла по сечению металла, тем менее значительными будут деформации. Например, при сварке нержавеющей стали как менее теплопроводной возникают большие деформации, чем при сварке низкоуглеродистых сталей.

Напряжения и деформации, которые имеют место исключительно в ходе сварки, а по ее окончании исчезают, называются временными; а если они сохраняются после охлаждения шва – остаточными. Практическое значение последних особенно велико, поскольку они могут сказываться на работе детали, изделия, всей конструкции. Если деформации носят локальный характер (например, на отдельных участках появляются выпучины, волнистость и др.), то они называются местными; если в результате деформации терпят изменения геометрические оси и размеры изделия или конструкции в целом – общими.

Кроме того, деформации могут возникать как в плоскости изделия, так и вне ее (рис. 6).

Рис. 6. Некоторые виды деформации: а – в плоскости сварного соединения; б – вне плоскости сварного соединения; 1 – форма изделия до сварки; 2 – форма изделия после сварки

Для уменьшения деформаций и напряжений при сварке придерживаются следующих конструктивных и технологических рекомендаций:

1. При подборе материала для сварных конструкций руководствуются правилом: использовать такие марки основного металла и электродов, которые либо не имеют склонности к закалке, либо подвержены ей в наименьшей степени и способны давать пластичный металл шва.

2. Избегают закладывать в конструкциях (особенно в ответственных), тем более рассчитанных на работу при ударах или вибрации, многочисленные сварные швы и их пересечения, а также использовать короткие швы замкнутого контура, поскольку в этих зонах, как правило, концентрируются собственные напряжения. Чтобы снизить тепловложения в изделие или конструкцию, оптимальная длина катетов швов должна быть не более 16 мм.

3. Стараются симметрично располагать ребра жесткости в конструкциях и сводят их количество к минимуму. Симметричность необходима и при расположении сварных швов, так как это уравновешивает возникающие деформации (рис. 7), т. е. последующий слой должен вызывать деформации, противоположные тем, которые развились в предыдущем слое.

Рис. 7. Последовательность наложения сварных швов для уравновешивания деформаций

Эффективен и способ обратных деформаций (рис. 8). Перед сваркой в конструкции (как правило, швы в ней должны располагаться с одной стороны относительно оси либо на различных расстояниях от нее) вызывают деформацию, обратную той, что возникнет в ней при сварке.

Рис. 8. Сваривание гнутых профилей как пример применения обратной деформации

4. Ограничивают применение таких способов соединения, как косынки, накладки и др.

5. По возможности отдают предпочтение стыковым швам, для которых концентрация напряжений не столь характерна.

6. Предполагают минимальные зазоры на разных участках сварки.

7. В сопряжениях деталей предусматривают возможность свободной усадки металла шва при охлаждении в отсутствие жестких заделок.

8. Практикуют изготовление конструкций по секциям, чтобы потом сваривать готовые узлы. Если последние имеют сложную конфигурацию, то заготавливают литые и штампованные детали, чтобы снизить неблагоприятное воздействие жестких связей, которые дают сварные швы.

9. Выбирают технологически обоснованную последовательность (рис. 9) выполнения сварных швов, при которой допускается свободная деформация свариваемых деталей. Если, например, требуется соединить листы, то в первую очередь выполняют поперечные швы, в результате чего получают полосы, которые потом сваривают продольными швами. Такая очередность исключает жесткую фиксацию соединяемых частей листов и позволяет им свободно деформироваться при сварке.

Рис. 9. Оптимальная последовательность выполнения сварных швов при сварке листов: а – настила; б – двутавровой балки

Направление ведения сварного шва также имеет значение. Если вести его на проход либо от центра к концам, то в середине шва разовьются поперечные напряжения сжатия; если двигаться от краев к центру, то в середине шва не избежать появления поперечных напряжений растяжения, следствием которых будут трещины в околошовной зоне или самом шве (рис. 10).

Рис. 10. Напряжение в продольном сечении шва при сварке (– – напряжение сжатия; + – напряжение растяжения): а – на проход; б – от концов к центру

10. При соединении частей из металла значительной толщины (более 20–25 мм) применяют многослойную дуговую сварку, выполняя швы горкой или каскадом (рис. 11). Шов горкой накладывается следующим образом: первый слой имеет длину примерно 200–300 мм, второй длиннее первого в 2 раза, третий длиннее второго на 200–300 мм и т. д. Достигнув «горки», сварку продолжают в обе стороны от нее короткими валиками. Такой способ способствует поддержанию участка сварки в нагретом состоянии. В результате тепло распространяется по металлу более равномерно, что снижает напряжения.

Рис. 11. Очередность наложения швов при многослойной дуговой сварке (размеры указаны в миллиметрах): а – горкой; 1 – ось «горки»; 2 – толщина металла; б – каскадом

11. Помогает снизить коробление швов соединяемых конструкций и деталей выполнение швов в обратноступенчатом порядке (рис. 12). Для этого протяженные швы делят на части длиной 150–200 мм и сваривают их, ведя каждый последующий слой в направлении, обратном предыдущему слою, причем стыки следует размещать вразбежку. Причина таких действий заключается в том, что деформации в соседних участках будут противоположно направленными по отношению друг к другу и равномерными, поскольку металл будет прогреваться равномерно.

Рис. 12. Последовательность наложения обратнопоступательного шва

12. Рассчитывают адекватный тепловой режим сварки. Если при работе есть возможность перемещать изделие (деталь) или если основной металл предрасположен к закалке, тогда используют более сильный тепловой режим, благодаря чему объем разогреваемого материала возрастает, а сам он остывает медленнее. В определенных ситуациях (если сварка проводится при пониженной температуре воздуха, металл имеет большую толщину или является сталью, склонной к закалке, и др.) помогают предварительный или сопровождающий подогрев либо околошовной зоны, либо всего изделия. Температура, до которой следует довести металл, зависит от его свойств и составляет 300–400 °C для бронзы, 250-270 °C для алюминия, 500–600 °C для стали, 700–800 °C для чугуна и т. д.

Если сваривают жестко зафиксированные детали или конструкции, тогда применяют менее интенсивный тепловой режим и варят электродами, способными давать пластичный металл шва.

13. Осуществляют отжиг и нормализацию изделия или конструкции после окончания сварки (последнее полностью ликвидирует напряжения). При отжиге температуру стального изделия доводят до 820–930 °C, выдерживают (общее время составляет примерно 30 минут, длительная выдержка нежелательна, поскольку приводит к росту зерен) и постепенно охлаждают (на 50–75 °C в час), доводя температуру до 300 °C. Это дает ряд преимуществ: во-первых, шов приобретает мелкозернистую структуру с улучшенным сцеплением зерен, благодаря которой металл шва и околошовной зоны становится более пластичным, во-вторых, металл шва получается менее твердым, что имеет большое значение для последующей обработки резанием или давлением; в-третьих, это полностью снимает внутренние напряжения в изделии.

Основные отличия нормализации от полного отжига – более высокая скорость охлаждения, для чего температура, до которой нагревают изделие, на 20–30 °C превышает критическую, и то, что выдержка и охлаждение проводятся на воздухе.

14. Избегают планировать в изделиях и конструкциях сварные швы, неудобные для выполнения, например вертикальные, потолочные.

15. Обеспечивают минимальную погонную энергию, достижимую при высокой скорости сварки в сочетании с наименьшими поперечными сечениями швов.

16. Уменьшают число прихваток и их сечения.

17. Проковывают швы в холодном или горячем состоянии, что уменьшает внутренние напряжения и увеличивает прочность конструкции.

Напряжения и деформации в сварочных соединениях

В процессе сварки участки соединяемых деталей, которые оказываются в зоне сварного шва и вокруг него, подвергаются интенсивному температурному воздействию: вначале быстро нагреваются до температур плавления, а затем почти с такой же интенсивностью остывают. Деформации и напряжения при сварке — неизбежное следствие таких процессов.

Влияние структур металла

При сверхбыстром нагреве в любом металле происходят структурные изменения. Они вызваны тем, что составляющие микроструктуры любого металла имеют различные размеры зерна.

Применительно к нелегированным средне- и низкоуглеродистым сталям (стали с повышенным содержанием углерода, как известно, свариваются плохо), при различных температурах в них могут образовываться, в основном, следующие структуры:

  1. Аустенит — твердый раствор углерода в α-железе. Образуется при температурах нагрева выше 723 0 С, и существует, в зависимости от процентного содержания углерода в стали, до температур 1100-1350 0 С. Подвижность зерен микроструктуры в таких условиях — высокая, поэтому аустенитные стали довольно пластичны и при медленном охлаждении не обладают значительным уровнем остаточных напряжений. Частично (до 18-20%) аустенит сохраняется и в структуре стали после окончательного охлаждения. Размеры аустенитного зерна составляют 0,27-0,8 мкм.
  2. Карбид железа/цементит. Структура имеет ромбовидную решетку и характеризуется высокой поверхностной твердостью. Размеры зерна находятся в пределах 0,1-0,3 мкм.
  3. Феррит — низкотемпературная, самая мягкая составляющая микроструктуры, образующаяся в процессе сравнительно медленного остывания металла, что и происходит во время выполнения сварки под слоем флюса. Зерна феррита — округлые в плане, размером 0,7-0,9 мкм.
  4. Перлит — структура, которая формируется в процессе остывания металла и представляет собой смесь феррита и цементита. В зависимости от скорости охлаждения перлит может быть зернистым или пластинчатым. В первом случае зерна вытянуты вдоль оси заготовки, во втором — имеют округлую форму. Средний размер частиц перлита находится в диапазоне 0,6-0,8 мкм. При повышенных скоростях охлаждения вместо перлита появляется более тонкая структурная составляющая, которую называют трооститом. Размеры зерна троостита не превышают 0,2 мкм.
  5. Мартенсит — неравновесная структурная составляющая, которая существует только в стали, нагретой до температуры выше 750-900 0 С (с повышением процентного содержания углерода начало мартенситного превращения сдвигается в область более низких температур). Фиксируется в составе стали лишь при ее ускоренном охлаждении, например, при закалке. Такой мартенсит имеет зерно размером 0,2-2,0 мкм.

Еще более сложным составом отличаются легированные стали, в микроструктуре которых появляются карбиды и нитриды составляющих. Кроме того, на размеры зерен сильно влияют скорость охлаждения различных участков деталей, состав атмосферы, в которой выполняется нагрев, интенсивность диффузии материала сварочных электродов и т.п.

Таким образом, основной причиной возникновения напряжений в свариваемых конструкциях являются резко различные размеры зерна в микроструктуре сталей.

Классификация напряжений и деформаций

Основной причиной возникновения сварочных напряжений и деформаций является неравномерность свойств соединяемых деталей. Различают внутренние (остаточные) и поверхностные напряжения. Первые образуются в сваренных деталях при их охлаждении. Они вызывают коробление конструкций, а при повышенных параметрах твердости могут приводить к появлению внутренних разрывов в металле. Такие напряжения опасны по следующим причинам:

  1. Не могут быть выявлены визуальным осмотром.
  2. Не являются постоянными во времени, иногда увеличиваются при эксплуатации сварного узла.
  3. Способствуют снижению эксплуатационной стойкости, вплоть до разрушения сварного шва.

Наличие поверхностных напряжений выявляется легко по короблению элементов сварной конструкции, особенно в тонкостенных. Такие напряжения легко исправляются после сварки. Однако, если такие напряжения превышают предел прочности металла, то на поверхности появляются трещины. Для малоответственных изделий их можно заварить, в остальных случаях сварка считается бракованной. Вероятность возникновения напряжений снижается, если сваривать металлы с примерно схожими физико-механическими свойствами. Более опасными считаются объемные сварочные напряжения, поскольку их знак и абсолютное значение трудно оценить обычными методами.

Следствием действия напряжений являются возникающие деформации при сварке. Они могут быть упругими и пластическими. Упругие деформации возникают в результате действия поверхностных напряжений, когда линейные и объемные параметры металла изменяются: увеличиваются в процессе сварки и уменьшаются при охлаждении зоны сварного шва. Пластические деформации — следствие необратимых изменений формы изделия под воздействием внутренних напряжений, превысивших предел прочности металла.

Важной характеристикой качества сварки является коэффициент неравномерности деформации. Он устанавливается по линейным и угловым изменениям исходных размеров деталей по различным координатам. Неравномерность деформации минимальна тогда, когда свариваемые изделия не фиксируются в каком-либо зажимном приспособлении. Например, при контакте с менее нагретыми тисками температурное расширение соединяемого элемента в данном направлении невозможно, поэтому именно там будут сформированы повышенные остаточные напряжения.

Уровень деформаций в зоне сварного шва увеличивается, если ведется сварка резко разнородных между собой металлов. Это объясняется разнице в физических характеристиках материалов — коэффициентах температурного расширения, теплопроводности, теплоемкости, модуле упругости и т.п.

Работоспособность сварочного узла, в котором остаются внутренние напряжения, определяется условиями его эксплуатации. Например, при низких температурах и динамических нагрузках разрушение сварного шва вследствие имеющихся там напряжений более вероятно, чем в обычных условиях.

Таким образом, после выполнения сварки разнородных металлов, а также деталей с резко различными габаритными размерами, следует более тщательно осматривать сваренную конструкцию. При выявлении угловых или линейных деформаций использовать изделие без исправления дефектов нельзя.

Способы устранения напряжений и деформаций

Существует достаточно способов избежать сварочного брака по деформациям и напряжениям, имеющимся в сварном шве.

Минимизация размеров шва — наиболее простой способ снизить опасность разрушения узла. С уменьшением ширины шва уменьшается зона действия напряжений, а также усилия коробления детали, вызванные структурными изменениями в ней. При стыковой сварке положительный эффект достигается тщательной подготовкой кромок: их разделывают в виде букв V, U или X. При угловой сварке того же результата можно добиться правильной формой сечения шва: она должна иметь вид параболического треугольника, когда перепад напряжений является наименьшим. Следует отметить, что сварочные напряжения могут взаимно уравновешивать друг друга, поэтому при двухстороннем шве одну его часть выполняют вогнутым параболическим треугольником, а противоположную — выпуклым.

С увеличением длины шва вероятность возникновения сварочных напряжений и деформаций возрастает. Поэтому для разгрузки практикуют выполнение прерывистого шва, когда между его отдельными участками оставляют зоны, не подвергшиеся тепловому воздействию пламени или сварочной дуги. Если по условиям прочности выполнение прерывистого шва невозможно, то в конструкции предусматривают компенсационные ребра жесткости.

Уровень и вероятность возникновения сварочных напряжений и деформаций в поперечном направлении резко снижается, если использовать электроды увеличенного диаметра. При этом температурный перепад по сечению шва уменьшается. Тот эффект дает и уменьшение количества сварочных проходов: каждый последующий увеличивает уровень сварочных напряжений, которые еще не успели снизиться после предыдущего прохода. С этой целью предусматривают двухстороннюю (но однотипную!) разделку кромок.

При сварке деталей с резко различной толщиной, либо сложного Z-образного профиля, шов предусматривают вдоль оси симметрии, когда расстояние до обеих кромок примерно одинаково. В таком случае металл по обе стороны оси симметрии остывает примерно в одинаковых условиях.

Для компенсации возникающих сил растяжения-сжатия практикуют выполнение швов в обратной последовательности. В результате напряжения взаимно уравновешиваются. Обратная последовательность возможна не только по длине, но и по глубине шва.

Особую группу способов, чтобы снизить сварочные напряжения и деформации, образуют конструктивные элементы: промежуточные подкладные пластины, водоохлаждаемые тиски и т.д. В первом случае используют металлы, отличающиеся повышенной теплоемкостью, например, медь. Медные же трубки используют и в конструкциях зажимных приспособлений, при этом место подачи воды должно совпадать с местом накладываемого шва. При выполнении длинных швов эффективны дополнительные зажимы, которые предотвращают термическую деформацию металла в зоне сварки. Такие зажимы снимают лишь после полного остывания соединенной конструкции.

Кардинальным методом снятия напряжений и деформаций, возникающих при сварке, является разупрочняющая термическая обработка готовых конструкций — их отжиг.

Как связаны деформации металла и напряжение при сварке?

Сварочное напряжение, накапливающееся в металле, присутствует всегда. Без него не обходится ни одна сварка, поскольку металл в той или иной степени испытывает нагрузки. Зачастую напряжение никак не влияет на конечный результат вашей работы, но в ряде случаев его избыток может привести к деформации швов или поверхности самого металла.

В этой статье мы подробно расскажем, от чего зависит величина деформации свариваемого металлического изделия, как предотвратить деформации и напряжения при сварке. Вы также узнаете некоторые особенности, которые необходимо учитывать во время выполнения работ.

Общая информация

Наверняка в тестах НАКС вы замечали вопрос «Что из перечисленного вызывает концентрацию напряжения в сварных швах?». На выбор предлагалось три варианта: механические свойства материала, технологические дефекты шва и нагрев при сварке. Именно в этом вопросе и кроется главный ответ, касающийся нашей темы.

Главный «виновник» повышенного напряжения — технологические дефекты шва. Конечно, существуют и другие причины возникновения напряжений и деформаций (например, неправильное очертание швов). Но именно техдефекты являются главной причиной. А никак не нагрев при сварке, как утверждают многие сварщики.

К техническим дефектам относятся шлаковые включения, трещины, не проваренные участки и пузырьки газа, скопившиеся в сварочном соединении. Сварочные деформации образуются в тот момент, когда напряжение достигает своего пика именно в местах технических дефектов. Конечно, нагрев металла играет большую роль в этом процессе, но не является первостепенной причиной проблем.

Также некоторые мастера заметили, что существует еще одна причина возникновения напряжений и деформаций при сварке. Это естественная усадка металла, которая происходит в момент остывания. Металл меняет свое состояние с жидкообразного на твердое, тем самым уменьшается его объем и металл деформируется. Но зачастую эта проблема возникает при неправильном охлаждении.

Некоторые сварщики отмечают, что вероятность деформации металла увеличивается, если конструкция сложная и состоит из большого количества разнообразных швов. Особенно, если при разработке технической документации были допущены ошибки и нагрузка была рассчитана неправильно. Кроме того, при некоторых видах сварки металл нагревается неравномерно, что также способствует его плохой усадке в дальнейшем. Необходимо постараться разогревать металл постепенно и равномерно формировать шов.

Как предотвратить деформации

В нормативных документах четко прописаны меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями. Также неплохие советы обычно дают мастера с многолетним опытом, которые на себе испытали все трудности. Если вы новичок, то перепишите, а лучше выучите следующие рекомендации. Они помогут вам в рядовых и критичных ситуациях.

Если вам предстоит выполнить сварное соединение встык, то необходимо накладывать швы обратноступенчатым или комбинированным методом. При этом всю длину будущего шва нужно поделить на небольшие участки, по 10-20 сантиметров. Эти участки как раз и нужно варить. Не вести непрерывный шов, а варить отдельные участки шва. Сварку нужно вести строго в соответствии с технической документацией.

Благодаря такому методу тепло распространяется более-менее равномерно и даже если в сварном шве есть незначительные дефекты, то в них не будет накапливаться избыточное напряжение. А это значит, что вероятность деформации при сварке уменьшится.

Второй метод более сложный и потребует сноровки. Здесь самое главное — правильно выбрать очередность формирования швов. Допустим, вы выполнили первый шов, и он привел к одному типу деформации, скажем, металл выгнулся в одну сторону. Вам необходимо выполнить второй шов так, чтобы металл деформировался в обратную сторону. Так вы сможете уравновесить противоположные деформации и выровнять деталь. Посмотрите на картинку ниже, чтобы лучше понять суть этого метода.

Третий метод похож на предыдущий, но в нем есть отличия. Перед сваркой нужно учесть, в какую сторону металл деформируется и состыковать детали так, чтобы после остывания деформируемые детали выровнялись под воздействием друг друга. Деформация уменьшается за счет того, что кромки остывают и происходит естественная усадка. Этот метод очень эффективный, но необходимо полностью понимать механизм деформации металла, чтобы предугадать его поведение.

Если вам нужно сварить трубы, то их нужно разделить на отдельные фрагменты и только затем сваривать. После того, как вы соедините все фрагменты можно полученную деталь приварить к главной детали. На картинке ниже показан данный метод.

Жесткое закрепление свариваемых деталей также применяется для уменьшения деформаций. Этот способ находит широкое применение в условиях массового и серийного производства при сварке деталей сложной формы. Детали закрепляют в специальных приспособлениях (кондукторах), в которых производят сварку и вынимают их только после полного охлаждения. Однако при этом способе могут возникнуть внутренние сварочные напряжения и деформации напряжения, для снятия которых сваренный узел подвергают последующей термообработке.

Еще один неочевидный способ избежать деформаций — предварительный прогрев металла в печи. Благодаря такой простой манипуляции вы сможете уменьшить разность температур между сварочной зоной и деталью. Из-за этого высокие температуры при сварке не станут причиной последующих деформаций. Такой метод является обязательной процедурой, если вам нужно сварить чугун, бронзу, алюминий и разные типы стали.

Если сварка уже выполнена, а вы не предприняли никаких мероприятий по предотвращению деформации, то поможет проковка. Вам даже не обязательно ждать, пока металл остынет. В таком случае горячая проковка даже эффективнее, чем холодная. С помощью проковки можно быстро и эффективно избавить деталь от избыточного напряжения, а значит предотвратить его дальнейшую деформацию. Выполняйте проковку равномерно, иначе гарантировано появятся трещины. Чтобы проковка была эффективной, скорость движения молота должна быть высокой.

Для снятия напряжений в сварных соединениях можно применять метод термообработки швов. Это предотвратит вероятность будущих деформаций. К тому же, швы, обработанные термическим методом, приобретают улучшенные эксплуатационные характеристики.

Вместо заключения

Вот и все, что мы хотели рассказать вам о предотвращении деформаций. Не стоит беспокоиться, если вы начинающий сварщик и обнаружили на своих деталях дефекты, появившиеся вследствие избыточного напряжения. Пока у вас самый низкий разряд вы просто должны совершать ошибки и учиться на них. Со временем вы запомните все особенности сварочных работ и будете применять в своей практике находки других опытных мастеров.

К тому же, на крупных производствах всегда проводят тестирование сварных соединений и вы обязательно узнаете о всех недочетах, а значит сможете в следующий раз выполнить работу качественнее. На нашем сайте в разделе «Полезная информация» вы найдете много важных и нужных статей. Обязательно прочтите их и примените на практике полученные знания. Желаем удачи в работе!

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector