Способы устранения сварочных деформаций и перемещений

[Точмаш 23]

Вначале о чертежах.

ОБОЗНАЧЕНИЕ СВАРНЫХ ШВОВ НА ЧЕРТЕЖАХ ПО ГОСТУ

25.01.2020

Общепринятые сокращения и аббревиатуры не относятся к числу популярных терминов. Это можно сказать и о ГОСТе – не самое любимое слово. Разве что среди читателей есть сварщик, который претендует получить статус профессионала. В таком случае даже при всей своей нелюбви к официозу он должен, как минимум, относиться к аббревиатуре ГОСТ уважительно.

Честно говоря, этого недостаточно. Нужно не просто уважать, но и хорошо разбираться в тонкостях государственных стандартов, которые имеют отношение к сварочной индустрии. С чем связано такое утверждение? С тем, что если приходиться сваривать металлы вне пределов своей дачи, а, скажем, на производстве, то почти гарантированно придется иметь дело с рабочими чертежами. И без знания специфической топологии прочитать их будет невозможно.

Без знания спецификации и условных обозначений понять эти документы будут не проще, чем письмена племен Майя. Ведь современные сварочные технологии включают множество различных методов, которые отличаются техническими нюансами и требованиями. Все они нашли свое отображение в государственном стандарте.

Обозначения на технологических чертежах на первый взгляд могут показаться устрашающими. Однако, если внимательно изучить три главные ГОСТы по сварочным технологиям, то все обозначения превратятся в понятный и важные источник информации. Правильное чтение и понимание чертежа значительно упрощают выполнение поставленной задачи.

СОДЕРЖАНИЕ

• Виды сварочных швов
• Виды швов по ГОСТам
• Способы сварки
• Размеры шва

 

Виды сварочных швов

Прежде всего нужно дать определение еще одной важной аббревиатуре – ЕСДК. Это – Единая Система Конструкторской Документации, в которую входит полный комплекс самых разных стандартов. Они регламентируют порядок выполнения технических чертежей, включая и документацию по сварочным работам.

В систему входят и интересующие нас стандарты:

• ГОСТ 2.312-72. Прописаны условные варианты отображения и обозначение сварочных швов на чертежах.
• ГОСТ 5264-80. Изложена исчерпывающая информация обо всех видах сварных соединений и швов, выполненных дуговой ручной сваркой.
• ГОСТ 14771-76. Детальная информация о сварке в инертной среде; типах швов и соединений, получаемых в таких условиях.

Прежде чем детально изучить примеры обозначения на чертежах, нужно проработать информацию об их видах. Лучше всего это сделать на практике. Пусть на чертеж будет выведено следующее изображение:

Нагромождение цифр и непонятных символов никак не добавляет оптимизма. Но на самом деле не все так печально. На самом деле в столь длинной строке зашита логическая цепочка, в которой совсем несложно разобраться. Сначала нужно выражение разбить на составляющие блоки:

Настало время рассмотреть все составные элементы, разбитые по квадратам:

1. вспомогательный символ, который информирует специалиста о виде стыка: замкнутая линия или монтажное соединение;
2. номер стандарта, соответственно которому здесь приводятся условные обозначения;
3. буквенное или номерное обозначение типа соединения со всеми конструктивными элементами;
4. метод выполнения сварочных работ соответственно стандарту;
5. тип конструктивного элемента и его размеры;
6. длина непрерывного участка;
7. символ, характеризующий тип соединения;
8. описание соединения при помощи вспомогательных знаков.

Далее рассмотрим каждый из элементов условного обозначения отдельно. в первом квадрате изображен овал, который символизирует круговое соединение. Его альтернативой является флажок, который информирует о монтажном типе соединения стыка. Односторонняя стрелка информирует о шовной линии. С ней связана специфическая особенность, которая выражается в наличии полки. Нередко на графических чертежах встречается такой знак:

Визуально он похож на символ корня квадратного из области математики. Видимая на рисунке полка является полем для размещения разных условных обозначений о характеристиках шовной линии.

Если информация расположена под так называемой «полкой», то это говорит о том, что сварной шов расположен с обратной стороны и является невидимым с лицевой части. Как определить, какая из сторон считается лицевой, а какая – изнаночной? При одностороннем соединении сделать это несложно. Лицевой будет считаться та сторона, с которой нужно работать. А вот при двухстороннем соединении с неодинаковыми кромками лицевой считается та сторона, на которой размещено основное сварочное соединение. При одинаковых кромках лицевой или изнаночной может быть любая из сторон.

Ниже представлена таблица с наиболее часто используемыми в чертежах символами и их значениями:

Читайте также: Виды сварных соединений

 

• С1 – С40 стыковые;
• У1 – У10 угловые;
• Н1 – Н2 нахлесточные;
• Т1 – Т9 тавровые.

Выполнение сварочных работ в инертной среде по ГОСТу 14771-76:

• У1 – У10 угловые;
• С1 – С27 стыковые;
• Н1 – Н4 нахлесточные;
• Т1 – Т10 тавровые.

В приведенном примере есть рассмотренные только что цифры. Во втором квадрате размещена информация по использованному стандарту – 14771-76. В третьем квадрате изложен способ соединения – тавровый двусторонний без скоса кромок.

 

 

Способы сварки (квадрат 4)

В требованиях по стандартизации описаны и способы сварки. Самыми распространенными из них являются:

• А – автоматическая. Проводится с использования флюса, но без прокладок и подушек;
• Аф – тоже автоматическая. Но в этом случае на подушке;
• ИН – выполняется в инертной среде с применением вольфрамового электрода без присадок;
• ИНп – такой же самый способ, как и предыдущий с той лишь разницей, что присадки применяются;
• ИП – соединение металлом проводится в инертной среде с использованием плавящегося электрода;
• УП – все то же самое, что и ИП, только вместо инертной среды применяется углекислая.

В данном случае в четвертом квадрате стоят символы УП. Это значит, что сваривание выполнялось в углекислой среде плавящимися электродами.

 

Размеры шва (пятый квадрат)

В приведенном примере было удобнее всего обозначить длину катета, поскольку рассматривается тавровое соединение с размещением заготовок под углом в 90 градусов. Определяется катет в зависимости от значения текучести. Необходимо обратить внимание на то, что если чертежом указывается соединение стандартных размеров, то указывать катет не нужно. В приведенном примере катет будет равен 6 мм.

Виды дополнительных соединений:

• SS – односторонне. Дуга или электрод в таком случае передвигается с одной стороны;
• BS – двухстороннее. В таком случае источник плавления передвигается с обеих сторон.

Согласно ГОСТу 2.312-72 швы делятся на видимые (на чертеже отображаются сплошной линией) и невидимые (пунктир).

Самое время вернутся к рассматриваемому примеру и подать информация простым понятным языком. Речь идет о тавровом двустороннем шве, который выполнен методом ручной дуговой сварки в углекислой среде (газ). Кромки стыков не имеют скосов. Шов прерывистый, нанесен шахматным способом. Размер катета шва составляет 6мм, длина проваренного участка – 50 мм. Шаг составляет 100 мм. Поверхность стыка необходимо выровнять по завершению сварочн

https://vtmstol.ru/blog/oboznachenie-svarnyh-shvov-na-chertezhah-po-gostu

 

Способы устранения сварочных деформаций и перемещений

 

Существует много приемов, позволяющих уменьшить или устранить сварочные деформации. Способы борьбы с деформациями могут быть классифицированы и по другому признаку в зависимости от того, применяются ли они до сварки, в процессе сварки или после сварки.

Способы, используемые до сварки

1.    Рациональное конструирование предполагает уменьшение количества наплавленного металла в конструкции; назначение видов сварки с малой погонной энергией, например контактной; симметричное относительно центра тяжести сечения расположение швов; расположение швов на жестких элементах с целью уменьшения деформаций потери устойчивости; применение прерывистых швов.

2.    Назначение начальных размеров и формы заготовок, их взаимное расположение с учетом последующей усадки (рис. 135, а).

3.    Создание деформаций, обратных сварочным, путем закрепления изделий в приспособлениях. Закрепления снимают только после завершения сварки (рис. 135, б).

Деформация укорочения тонколистовых полотнищ может быть существенно уменьшена, если листы упруго собрать на приспособлении, имеющем цилиндрическую форму с выступающим пояском в зоне стыка (рис. 135, в). Зона шва, расположенная на большем диаметре, имеет перед сваркой увеличенную длину. После сварки она сокращается, напряжения при этом снимаются, а коробление листов заметно уменьшается. Данный способ используют сравнительно редко.

4.    Создание деформаций, обратных сварочным, когда изделия сваривают без фиксации в приспособлении, например раскатка края обечайки перед выполнением кольцевого шва. Способ применяют редко.

5.    Использование поля напряжения, мало изменяющегося в результате сварки, например сварка по кромке, отрезанной газом.

Способы, используемые в процессе сварки

1.    Снижение погонной энергии сварки за счет более экономичных режимов. Способ используют относительно часто.

2.    Уменьшение площади зоны пластических деформаций путем охлаждения водой, например, при контактной или газоэлектрической сварке.

3.    Закрепление в приспособлении. Широко используется в производстве. Положительный эффект достигается за счет жесткости приспособления. Полного устранения деформаций при этом не достигается.

4.    Рациональная последовательность выполнения сборочно-сварочных операций (рис. 135, г). В некоторых случаях это единственный способ избежать значительных остаточных деформаций.

5.    Нагружение сварного соединения растягивающими усилиями (рис. 135, д). В производстве почти не применяется.

Способы, используемые после сварки

Сварочные деформации чаще устраняют после сварки, чем предупреждают их перед сваркой или в процессе сварки. Это, по-видимому, объясняется не только тем, что возможности способов, применяемых до сварки или в процессе сварки, ограничены, но также и организационно-техническими причинами, так как организовать правку после завершения сварки, когда деформации уже известны, значительно проще. Способы, используемые после сварки, следующие:

1.    Создание путем пластической деформации перемещений, обратных сварочным (изгиб, растяжение, проковка, прокатка роликами).

2.    Создание пластических деформаций укорочения путем местного нагрева. Этот прием широко используется в производстве и довольно эффективен .

3.    Устранение деформаций путем высокого отпуска деталей в зажимных приспособлениях.

https://www.autowelding.ru/publ/1/1/sposoby_ustranenija_svarochnykh_deformacij_i_peremeshhenij/7-1-0-235

 

Регулирование и устранение сварочных напряжений

Все известные методы борьбы со сварочными деформациями в той или иной мере изменяют напряженное состояние.

Если основным требованием является устранение деформаций, то перераспределением напряжений обычно не интересуются. И наоборот, устраняя остаточные напряжения, не придают особого значения деформациям (перемещениям) сварной конструкции, хотя последние при этом могут изменяться. Разделение методов борьбы со сварочными напряжениями и деформациями на две группы является условным и зависит от основного назначения того или иного метода.

Предварительный и сопутствующий подогрев при сварке снижает тепловложение при сварке для образования сварного соединения. При этом уменьшаются размеры зон, нагреваемых сварочным источником тепла, что может привести соответственно к уменьшению объема металла, где протекали пластические деформации и образовались растягивающие напряжения. Помимо уменьшения объема пластически деформированного металла, при подогреве может снизиться максимальный уровень остаточных растягивающих напряжений.

Данные различных авторов о степени снижения напряжений заметно расходятся. По данным Купца, снижение растягивающих продольных напряжений в шве при подогреве до 200° С достигает даже 50%. Однако не следует переоценивать возможности низкотемпературного подогрева как средства снижения остаточных напряжений. Существенное влияние подогрев может оказать на образование остаточных напряжений от структурных превращений. Изменяя условия охлаждения, подогрев изменяет дилатограмму металла при новом термическом цикле, что отражается на распределении остаточных напряжений.

Проковку металла можно производить непосредственно после сварки по горячему металлу или после остывания. При проковке благодаря осадке металла в направлении удара происходит расширение его в двух других направлениях. Растягивающие напряжения снижаются, а при интенсивной проковке даже переходят в сжимающие. Эффект проковки распространяется обычно на относительно небольшую глубину, в пределах до 10 мм и менее. Такая операция может уменьшить вероятность появления холодных трещин. Остаточные напряжения сжатия являются надежным средством повышения прочности сварных соединений и конструкций, работающих при переменных нагрузках.

Наряду с положительным влиянием проковки пластичных металлов известны случаи резко отрицательного влияния этой операции на прочность тонкостенных сосудов давления из малопластичных металлов. Проковка, производимая при комнатной температуре, уменьшает пластичность металла в зоне ударов молотка, что приводит к преждевременному разрушению сосуда, испытываемого внутренним давлением.

Прокатка зоны сварного соединения роликами в основном рекомендуется для устранения деформаций листовых конструкции. Одновременно происходит значительное понижение растягивающих напряжений и переход их в сжимающие. Этот метод отличается весьма равномерной пластической деформацией и в этом отношении выгодно отличается от проковки как средства снижения растягивающих напряжений.

Приложение нагрузки к сварным соединениям можно применять как в процессе сварки, так и после нее. Снижение остаточных напряжений может оказаться весьма значительным. Несмотря па эффективность такого приема, применение его в большинстве случаев сопряжено с трудностями практического использования.

Разновидностью метода приложения нагрузки к сварному соединению является термомеханический метод снятия остаточных напряжений (метод Линде). Метод состоит в том, что участки основного металла, находящиеся по обе стороны от зоны пластических деформаций, нагреваются движущейся горелкой или индуктором до температуры 150—200° С и непосредственно после нагрева охлаждаются водой. Создаются два движущихся нагретых пятна металла, которые расширяются и растягивают дополнительно зону пластических деформаций. После остывания максимальные растягивающие напряжения оказываются сниженными.

Частным случаем приложения нагрузки является вибрация сварных соединений и конструкций. Заметное снижение остаточных напряжений происходит при напряжениях, превышающих предел выносливости металла. Способ рекомендуется при необходимости несколько понизить максимальные остаточные напряжения.

Как средство перераспределения остаточных напряжений используют местный нагрев. Вблизи зоны местного нагрева, сопровождавшегося пластической деформацией, после остывания образуются напряжения сжатия. Местный нагрев с целью создания благоприятного поля напряжений рекомендован как средство повышения вибрационной прочности деталей.

Высокий отпуск сварных конструкций получил наибольшее распространение в промышленности. Основное преимущество его в том, что снятие напряжений происходит во всей сварной конструкции, независимо от ее сложности и конфигурации.

Степень снятия напряжений в случае необходимости может достигать 85—90% от исходного уровня. Высокий отпуск — практически единственный способ, когда одновременно с напряжениями первого рода снимается наклеп и напряжения второго и третьего родов. Высокий отпуск сварных конструкций по объему применения в машиностроении далеко превосходит все остальные способы борьбы с остаточными напряжениями вместе взятые. Средства, затрачиваемые на его осуществление, весьма значительны. Поэтому всестороннее изучение этого процесса представляет не только научный, но и большой народнохозяйственный интерес.https://www.autowelding.ru/publ/1/1/regulirovanie_i_ustranenie_svarochnykh_naprjazhenij/7-1-0-255

 

Деформации в сварных металлоконструкциях

Сварка металлоконструкций вызывает температурные и усадочные напряжения, способные нарушить не только геометрию изделия, но и геометрию самой технологической оснастки. Поэтому сварочная оснастка должна способствовать уменьшению сварочных деформаций, возникающих в металлоконструкциях в процессе сварки.

Способы борьбы со сварочными деформациями без предварительной оценки эффективности их применения могут в каждых конкретных условиях привести к бесполезной затрате труда и средств на изготовление оснастки, а также к усложнению технологии.

Одним из способов уменьшения сварочных деформации является отвод теплоты от свариваемого изделия в технологическую оснастку (корпус приспособления, зажимы и опорные элементы). Для обеспечения интенсивного теплоотвода необходимо, чтобы изделие при сварке было в закрепленном состоянии (т. е. чтобы изделие внешней нагрузкой прижималось к недеформируем ому основанию). В этом случае упругопластическая зона в изделии уменьшается, а следовательно, уменьшаются и остаточные деформации в нем, причем интенсивный отвод теплоты в технологическую оснастку может быть лишь при плотном, во многих точках, прилегании элементов металлоконструкции к оснастке. Для изделий, в которых сварные швы расположены по линии центров, применение этого способа малоэффективно.

Наряду с технологическими средствами повышения точности сварной конструкции большое значение имеют конструктивные элементы сварных соединений. Поэтому при проектировании металлоконструкций необходимо применять минимальные расчетные катеты сварных швов. Завышение катета сварного шва при проектировании ведет к дальнейшему его увеличению в производственных условиях, а следовательно, и к увеличению деформации конструкции в целом. Однако, если по расчету нужен односторонний шов значительного катета, то следует применить двусторонние швы меньшего сечения.

В сварных соединениях, подвергающихся холодной гибке, швы должны располагаться от места перегиба на расстоянии не менее четырехкратной толщины наиболее тонкой детали.

Нахлесточные соединения, работающие на растяжение-сжатие, следует применять для деталей толщиной до 10 мм, так как с увеличением толщины свариваемых деталей увеличивается плечо изгиба.

Длина нахлестки должна составлять l = (3÷5) s, где s — толщина наиболее тонкой детали.

Процесс изготовления сварных конструкций из конструкционных и некоторых высоколегированных сталей нередко сопровождается появлением в околошовной зоне участков с низкой пластичностью, ведущей к образованию горячих трещин. Структура шва при этом — мартенсит. Образование горячих трещин вызвано присутствием в сварном шве серы или же повышенным содержанием углерода.

Трещинообразование возможно даже при низком содержании серы и углерода (0,16%), но при высокой концентрации марганца. Поэтому в первую очередь нужно оценить склонность стали к самозакаливанию и установить необходимую скорость охлаждения. Это достигается либо предварительным подогревом изделия, либо, для улучшения теплоотвода, установкой массивных медных подкладок. Подкладка должна иметь канавку для формирования шва с внутренней стороны изделия.

Отсутствие канавок в подкладке ведет к растеканию металла с внутренней стороны изделия и к концентрации напряжений в сварном шве.

При сварке серномарганцовистых сталей, склонных к образованию трещин, и при предъявлении к свариваемой конструкции требований в части повышенных прочностных характеристик охлаждение водой медных подкладок недопустимо.

Необходимость подогрева стали можно определить эквивалентом углерода С_э. При оценке свариваемости стали эквивалент углерода достаточно точно определяется по формуле, рекомендуемой СЭВом:

 

где s — толщина свариваемых встык деталей, мм.

Если C_э≤0,7÷0,8%, то можно вести сварку без подогрева; если C_э≥0,7÷0,8%, то необходим подогрев.

В отличие от других эмпирических формул для определения C_э эта формула учитывает влияние толщины металла на его свариваемость. Для отдельных сварных конструкций может быть использована сталь с содержанием C_э≤0,22% и с C_э≤0,50.

Эффективным средством предотвращения резкой подкалки околошовной зоны может быть применение многослойной сварки короткими участками. Эта сварка обеспечивает такую температуру, при которой даже в случае закалки околошовной зоны не образуются трещины.

К мерам борьбы по уменьшению внутренних напряжений в сварных швах следует отнести:

1)    послойную проковку швов пневматическим зубилом с закругленной кромкой; такая проковка рекомендуется при многослойной сварке; во избежание трещин и надрывов первый и последний слои не проковывают;

2)    термическую обработку после сварки для снятия внутренних напряжений; в основном это низкотемпературный отпуск при 600—650˚ С и выдержка при этой температуре из расчета 2—3 мин на 1 мм толщины металла и медленное охлаждение вместе с печью;

3)    правку сварных конструкций (механическую и термическую); термическая правка состоит в быстром нагреве поверхности металла с последующим охлаждением; местный нагрев применяют для исправления выпучин, возникших в процессе сварки; правку можно осуществлять и холостыми швами;

4)    вырезку криволинейных заготовок;

5)    предварительную прокатку (удлинение). Если после прихватки продольных ребер жесткости к металлоконструкции произвести прокатку мест сварки при давлении 400 кгс на 1 мм толщины, то после сварки правка не требуется.

Наряду с описанными способами, для уменьшения деформаций применяют обратные деформации (обратный выгиб) свариваемого изделия. Обратные деформации создают искусственным путем, т. е. перед сваркой изделие деформируют (выгибают) в направлении, противоположном направлению деформации при сварке.

При проектировании элементов сборочно-сварочной оснастки величину обратной деформации принимают равной половине величины деформаций, возникших при сварке изделия в свободном (незакрепленном) состоянии.

Угловые деформации устраняют либо наклонным расположением свариваемых листов, либо отгибом кромок.

Существенное влияние на величину сварочных деформаций оказывает процесс сборки изделия. Принудительная подгонка деталей при сборке недопустима. Начальные напряжения в собранных деталях, вызываемые принудительной подгонкой их при сборке, снижают эффективность средств борьбы с деформациями.

Сварка кольцевых швов на трубопроводах сопровождается возникновением упругопластических деформаций в зоне сварного шва, что неблагоприятно отражается на протекании сварочного процесса. Поэтому для поджатия изделий в станке (кантователе) нельзя применять обычные жесткие вращающиеся центра. Поджимные вращающиеся центра для сварочных работ должны иметь плавающее (упругое) исполнение с регулируемым усилием поджима. Конструкция этих центров не препятствует свободной деформации изделий при их нагреве и охлаждения, обеспечивая надежное их закрепление, и снижает остаточные упругопластические деформации в зоне нагрева. Такими свойствами обладает, например, поджимной вращающийся центр конструкции В. Е. Ремизова.

Внутренний стакан 1 (рис. 3), на который опирается пружина 4, надевается на конусную поверхность 2 вала. На наружной поверхности стакана есть протарированная (в кгс) шкала 3 передачи пружине требуемого усилия поджатия. Пружина 4 при необходимости может быть заменена на пружину с другой характеристикой жесткости. Применение центров данной конструкции при сварке кольцевых швов на сосудах, работающих под давлением, позволило повысить качество свариваемых изделий.

Установлено, что даже незначительнее отклонение от геометрии стыкуемых кромок при сварке оболочек вызывает заметное снижение прочности. Иногда для одинаковых сварных швов в оболочках из различных материалов требуются совершенно различные способы устранения деформаций и перемещений. Например, при сварке на подкладном кольце круговых швов сферических тонких оболочек может произойти либо сокращение длины зоны сварного шва — для стальных и титановых оболочек, либо удлинение этой зоны — для оболочек из алюминиевых сплавов.

Некоторое снижение деформаций происходит при сварке с наружными бандажами, которые оказывают удерживающее механическое воздействие на кромку, а также способствуют теплоотводу от мест сварки. Необходимость иметь доступ к сварным швам вынуждает располагать бандажи (наружные) на расстоянии не менее 30 мм от кромок, в результате чего частично предотвращается перемещение кромок.

Эффективным способом предотвращения перемещений при сварке кольцевых швов является прижим кромок к подкладному кольцу роликом, перекатывающимся по поверхности стыка перед  сварочной дугой. Такое приспособление было разработано МВТУ им. Н. Э. Баумана и опробовано при сварке обечаек диаметром 200 мм и толщиной стенки 2,5; 4 и 6 мм.

Прижим осуществляется двойным роликом диаметром 30 мм с точкой прижима на расстоянии 30—35 мм от электрода. Давление на ролик создается пружинным механизмом, установленным на консольном автомате АОК-2. Приспособление устанавливают вдоль консоли автомата, нагрузка передается только по плоскости ее продольной оси.

Сварка обечайки толщиной 4 мм и давлением на прижимном ролике 180 кгс показала, что кромки обечайки были надежно прижаты перед сварочной головкой к подкладному кольцу. Применение прижимного приспособления позволило исключить из технологического процесса правку ударом и произвести сварку в один проход.

Усилие прижатия кромок определяется по формуле

где с_из — жесткость на изгиб;

Е — модуль упругости свариваемого металла; μ — коэффициент Пуассона; φ — угол сектора, внутри которого происходит подъем кромок над поверхностью оболочки (для сплава АМг6 и толщин свариваемого материала 2,5—6 мм φ≈7°); R — радиус оболочки, h — свободное радиальное перемещение кромки при сварке без прихватки; h находится в прямой зависимости от отношения

где s—толщина оболочки, т. е. с увеличением толщины оболочек уменьшается и величина остаточного радиального перемещения.

 

https://www.autowelding.ru/publ/1/1/deformacii_v_svarnykh_metallokonstrukcijakh_i_sposoby_ikh_ustranenija/7-1-0-162

 

 

Теория сварочных деформаций и напряжений и ее значение

Неравномерный высокотемпературный нагрев элементов конструкций при сварке вызывает появление в них деформаций и напряжений. По мере распространения теплоты и выравнивания температуры происходит непрерывное изменение деформаций и напряжений в различных точках свариваемых деталей, т.е. изменение полей этих величин, В отличие от температурного поля, которое исчезает после полного остывания конструкции, поле напряжений не исчезает, так как процесс его образования при сварке необратим. Поэтому после полного остывания в сварной конструкции имеются остаточные деформации и напряжения. Изучение процесса образования сварочных деформаций и напряжений имеет существенное значение для решения ряда проблем, в том числе:

1) для оценки вероятности появления трещин в процессе изготовления конструкции, т.е. для решения вопросов, связанна с проблемой технологической прочности;

2) для определения поля остаточных напряжений с целью учета их при оценке работоспособности конструкции, т.е. для решения вопросов, связанных с проблемой эксплуатационной прочности;

3) для решения вопросов, связанных с проблемой точности изготовления сварных конструкций.

Указанные проблемы требуют различных подходов к исследованию процесса возникновения сварочных деформаций и напряжений. Анализ явлений в высокотемпературной области, окружающей источник теплоты необходим для решения вопросов, связанных с первой из указанных проблем.

 

 

Деформации и напряжения при сварке

 

 

Сварочные деформации и напряжения являются следствием многих причин. Они значительно снижают механическую прочность сварной конструкции. Основными причинами возникновения сварочных деформаций и напряжений являются неравномерное нагревание и охлаждение изделия, литейная усадка наплавленного металла и структурные превращения в металле шва.

Неравномерное нагревание и охлаждение вызывают тепловые напряжения и деформации. При сварке происходит местный нагрев небольшого объема металла, который, расширяясь, воздействует на близлежащие менее нагретые слои металла. Напряжения, возникающие при этом, зависят главным образом от температуры нагрева, коэффициента линейного расширения и теплопроводности свариваемого металла. Чем выше температура нагрева, а также чем больше коэффициент линейного расширения и ниже теплопроводность металла, тем большие тепловые напряжения и деформации развиваются в свариваемом шве.

Литейная усадка вызывает напряжения в сварном шве в связи с тем, что при охлаждении объем наплавленного металла уменьшается. Вследствие этого в близлежащих слоях металла    возникают    растягивающие силы. Чем меньше количество расплавленного металла, тем меньшие возникают напряжения и деформации. Структурные превращения вызывают растягивающие и сжимающие напряжения в связи с тем, что они в некоторых случаях сопровождаются изменением объема свариваемого металла. Например, у углеродистых сталей при нагреве происходит образование аустенита из феррита — этот процесс сопровождается уменьшением объема. При больших скоростях охлаждения высокоуглеродистых сталей аустенит образует мартенситную структуру, менее плотную, чем аустенит; этот процесс сопровождается увеличением объема. При сварке низкоуглеродистой стали напряжения, возникающие от структурных превращений, небольшие и практического значения не имеют. Стали, содержащие более 0,35% углерода, и большинство склонных к закалке легированных сталей дают значительные объемные изменения  от структурных превращений. Вследствие этого развивающиеся напряжения оказываются достаточными для возникновения трещин в шве.

Внутренние напряжения уменьшают прочность сварной конструкции. Кроме того, если сварной шов нагружен внешними силами, то внутренние напряжения, накладываясь на напряжения от внешних сил, снижают запас прочности конструкции, а в некоторых случаях могут вызвать ее разрушение. Для уменьшения внутренних напряжений и деформаций применяют ряд технологических мер и приемов наложения сварных швов. Важное значение имеют правильный выбор конструкции изделия, расположение сварных швов, последовательность их выполнения и режимы сварки.

Уменьшения внутренних напряжений достигают следующими мерами. Длинные швы выполняют обратноступенчатым способом на проход (рис. 53, а). Многослойную сварку выполняют каскадным способом или горкой. При этом хорошие результаты дает послойная проковка шва (кроме первого и последнего слоя). Швы накладывают с таким расчетом, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные возникшим от предыдущего шва (рис. 53, б, в). Последовательность выполнения швов должна допускать свободную деформацию элементов конструкций. Например, при сварке настила из нескольких листов следует в первую очередь выполнять швы, соединяющие листы полос, и лишь затем швы, соединяющие эти полосы между собой (рис. 54).

Для вязких металлов могут быть рекомендованы способы сварки, значительно снижающие остаточные деформации. Первый способ: элементы свариваемой конструкции закрепляют в сборочно-сварочном приспособлении, в котором изделие собирают, сваривают и оставляют до полного остывания. Второй способ, широко применяемый на практике, заключается в интенсивном отводе теплоты, например, частичным погружением изделия   в   воду,   охлаждением   струей воды, применением различных медных подкладок.

У сталей, склонных к образованию закалочных структур, резкое охлаждение сварного шва и околошовной зоны вызывает значительные внутренние напряжения и даже появление трещин в наплавленном металле. Для уменьшения разности температур в изделии и обеспечения медленного охлаждения применяют предварительный подогрев изделия. При сварке в условиях низких температур такой подогрев обязателен даже для низкоуглеродистых сталей.

Для снятия внутренних напряжений иногда применяют термическую обработку сварных изделий, главным образом отжиг или нормализацию. Отжиг применяют полный или низкотемпературный. Полный отжиг заключается в нагреве изделия до 800 ... 950°С, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью. В результате такой обработки пластичность и вязкость наплавленного металла и металла зоны термического влияния возрастают, а твердость металла снижается. При этом в сварном изделии полностью снимаются внутренние напряжения. Низкотемпературный отжиг (или высокий отпуск) заключается в нагреве сварного изделия до 600 ... 650°С, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении вместе с печью. Так как температура нагрева ниже критической, структурные изменения в металле не происходят. При меньших температурах нагрева сварочные напряжения снимаются частично.

Нормализация заключается в нагреве изделия до температуры на 30... 40° С выше критической, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе (т. е. с несколько большей скоростью, чем при отжиге). Такая обработка является наилучшей для сварных изделий, так как не только снимает внутренние напряжения, но позволяет получить мелкозернистую структуру металла. Особенно следует рекомендовать нормализацию для сварных изделий из низкоуглеродистых сталей, содержащих углерода менее 0,25%. Для термообработки крупногабаритных сварных изделий применяют мощные термопечи.

Причины, вызывающие деформации и напряжения при сварке

Процесс сварки сопровождается резко неравномерным нагревом изделия. Зоны металла, прилегающие к сварному шву, нагреваются теплотой дуги, а затем охлаждаются по мере распространения теплоты в массе металла. В результате местного нагрева и последующего охлаждения происходят объемные изменения металла, приводящие я появлению временных и остаточных деформаций и напряжений. Поэтому для понимания процесса их образования необходимо проанализировать влияние нагрева тела на возникновение в нем деформаций и напряжений.

Представим себе, что тело составлено из большого количества малых кубических элементов одинаковых размеров. При равномерном повышении температуры тела каждый элемент будет расширяться на одну и ту же величину (пропорциональную повышению температуры) равномерно во всех направлениях. Таким образом, элементы будут оставаться кубиками одинаковых размеров; их можно соединить между собой и получить сплошное тело, при этом никаких напряжений не возникнет. Если, однако, повышение температуры неравномерно, то каждый элементарный кубик стремится расшириться на величину, пропорциональную повышению его температуры. Получающиеся в результате такого нагрева кубики разных размеров нельзя соединить между собой; однако, поскольку тело должно оставаться сплошным, каждый элемент ограничивает свободное расширение соседних элементов, что сопровождается возникновением напряжений. Степень ограничения свободного температурного расширения может быть неодинакова не только у различных кубиков, но и у данного кубика в различных направлениях. В связи с этим неодинаково изменяется длина ребер кубика и искажаются его углы. Другими словами, возникает сложное напряженное состояние как выделенного кубика» так и тела в целом. Если работа материала кубика проходит в упругой области, то после полного остывания он стремится восстановить свои размеры. Это стремление будет реализовано, когда соседние кубики также восстанавливают свои размеры, т.е. если при нагреве материал тела во всем своем объеме работал упруго. В этом случае после полного остывания в теле отсутствуют остаточные напряжения, а форта и размеры тела становятся такими же, как и до нагрева.

Если же в процессе нагрева возникнет пластическая деформация металла кубика, то после остывания он стремится изменить свои размеры на величину возникшей при нагреве пластической деформации, которая может быть неодинакова не только у различных кубиков, но и у данного кубика по разным направлениям. Получающиеся в результате пластической деформации кубиков элементы разных размеров также не могут быть соединены без принудительного искажения свои размеров и формы вследствие взаимного влияния. В итоге возникают остаточные деформации и напряжения.

Аналогичное состояние металла может быть результатом его фазовых (структурных) изменений. Если при определенной (критической) температуре происходят фазовые превращения металла, связанные с изменением его объема, то те кубики, которые находятся в области, нагреваемой выше критической температуры, изменяют свой объем, в то время как кубики вне указанной области его сохраняют.

Таким образом, неравномерный нагрев тела, неоднородная (неодинаковая по объему тела) пластическая деформация и местные фазовые превращения металла вызывают неодинаковые изменения и в связи с этим являются причинами появления напряжений.

В общем случае неравномерность распределения температуры в реальных конструкциях при сварке такова, что возникает трехосное напряженное состояние. Иначе говоря, кубики вблизи источника теплоты нагреваются неодинаково по всем трем направлениям и имеют различную степень ограничения тепловому расширению в этих направлениях. Однако в большинстве случаев одни составляющие напряжений настолько незначительны по сравнению с другими, что ими можно пренебречь и следует рассматривать возникающее напряженное состояние как одномерное или двумерное.

В частности, рассматривая деформации, возникающие при сварке элементов балочного типа, можно считать, что напряженное состояние является одномерным. В этом случае достаточно проследить за изменением размера элементарных кубиков лишь в одном направлении - по продольной оси балки.

Геворкян В.Г. Основы сварочного дела
Гатовский К.М. Теория сварочных напряжений и деформаций

См. также: