Лекция № 18 напряжения и деформации при сварке (понятия, виды, классификация, причины их возникновения, способы борьбы)

Как уменьшить деформацию и напряжение

Внутренние деформации и напряжения уменьшаются различными технологическими приёмами, включающими технику и очерёдность созданий и размещение сварочных швов, правильную конструкцию изделия, выбор режима дуговой сварки.

3 способа уменьшения напряжения и искажения при сварке

Напряжения либо искажения, возникающие при сварке в конструкциях, уменьшают тремя основными методами их регулировки.

Снижением объемов подвергаемого пластичным деформациям материала при его нагревах и снижениях самих пластичных деформаций.
Созданием в зонах пластичных деформаций, возникшей от нагревов металла, дополнительной деформации с противоположным направлением. Это можно сделать во время остываний и в моменты остаточного охлаждения.
Можно симметрично разместить сварочные швы с целью компенсирования появляющихся перемещений с деформациями. Также можно устранить такого рода дефекты при создании искусственных зон пластичных деформаций со свободной усадкой.

Помимо деформирований и напряжений при сварочном процессе зачастую возникают отклонения (дефекты).

Виды отклонений (дефекты) в сварочном процессе.

Существует несколько видов отклонений (дефектов) – внутреннего и наружного типа. Обнаружение дефектов наружного типа выполняется на визуальной основе во время осмотра сварного шва.

Обнаружение дефектов внутреннего типа при их нахождении во внутренней части сварочного шва возможно только, проведя дефектоскопию с рентгеном и механообработкой.

Несмотря на классификацию и причины возникновения дефектов, это всё же дефект, который нужно устранить либо провести минимизацию его количества и размеров.

Поскольку любое отклонение (дефект) сварочных швов является угрозой функциональности и стабильности всего изделия, мастера проводят определённые операции для их ликвидации. Для минимизации вероятности возникновения дефектов (отклонений) необходимо:

Учесть, по какой последовательности выполнялась сварка и с какой квалификацией работает сварщик.
Учесть тип присадочных материалов и структура свариваемых металлов.
Учесть применение защитных газов и последовательность подготовки поверхностей для проведения процесса сваривания.
Учесть тип применяемого сварочного оборудования.

К отклонениям (дефектам) наружного типа относят возникновение нарушений размеров (появление наплывов с подрезами), прожогов и непроваров, незаваренных кратеров.

Так, непровары возникают вследствие недостаточного сварного тока, оказывающего большое влияние на сваривание металла.

Ниже представлены описания применяемых в промышленности методов ликвидации деформирования и минимизации напряжения, а также устранение отклонений (дефектов).

Проковка сварочного шва

Технологическая операция проводится с целью создания дополнительных деформаций. Они позволяют полностью избавиться от остаточных напряжений. Проковка осуществляется, когда сочленение остывает. Мероприятие проводится, если температура превышает 450 °C. Проковывать соединение также можно при температурном режиме меньше 150 °C. В других случаях процесс не выполняется, так как существует риск появления надрывов.

Операция проводится ручным методом при использовании молотка. Его масса составляет в среднем 1000 г. Разрешено применять пневматический молоток. Когда осуществляется проковка многослойных сочленений, мероприятие не проводится для 1-го и последнего слоя, так как существует большая вероятность образование трещин. Способ позволяет избавиться от напряженного состояния во время устранения дефектов и при создании замыкающего сочленения.

Причины деформации металла при сварке

Если на металлический предмет оказывается механическое воздействие, то в нем возникают напряжение и искажение. Первое характеризуется силой давления, оказываемой на единицу площади. Второе – нарушением габаритов и формы изделия из-за силового воздействия.

Напряжения появляются в деталях под влиянием практически любого усилия. Это может быть растягивание, изгиб, сжимание или резка. В ходе сварки следует внимательно следить за показателями как деформации, так и напряжения. Если превысить допустимые значения, то конструкция (частично или полностью) может разрушиться.

Рекомендовано к прочтению

Резка меди лазером: преимущества и недостатки технологии
Виды резки металла: промышленное применение
Металлообработка по чертежам: удобно и выгодно

Сварочные деформации возникают под влиянием различного рода напряжений, появляющихся внутри изделия. Основные причины их появления специалисты объединяют в две большие группы: основные, которые считаются неизбежными и постоянно появляются в ходе сварки, а также сопутствующие, устранение которых вполне возможно.

К основным причинам возникновения деформации и напряжения в ходе сварочных работ относят следующие:

Структурные видоизменения, которые, влияя на металл, вызывают напряжения (растягивающие и сжимающие). Происходит это в ходе охлаждения деталей из легированных или высокоуглеродистых стальных сплавов. При этом размеры изделия, а также зернистая структура материала нарушаются. В итоге изначальный объем изменяется, что приводит к увеличению напряжения внутри детали.
Неравномерный прогрев. Первичному нагреву в ходе сварочных работ подлежит только рабочая зона изделия. По мере увеличения температуры материал расширяется, воздействуя на мало прогретые слои металла. При прерывистом прогреве концентрация напряжений сварного шва достигает высоких значений. Ее показатель зависит от рабочей температуры, теплопроводности материала и уровня линейного расширения.
Литейная усадка. Она происходит в ходе кристаллизации материала, характеризуется уменьшением объема металла, возникает из-за сварочного напряжения (продольного и поперечного), которое появляется в процессе усадки расплава.

Сварочное напряжение могут вызвать не только механические воздействия. Сплавам различных металлов вообще свойственны свои деформации и напряжения. Они делятся на временные и на остаточные. Пластичная деформация металла при сварке вызывает остаточные, не исчезающие и после остывания материала. Временные же возникают при сварке прочно закрепленной детали.

К побочным или сопутствующим деформациям при проведении сварочных работ можно отнести:

любые отклонения от нормативов в технологическом процессе – примером может быть плохая подготовка детали к сварке, неправильный выбор электрода, нарушение режима сварочного процесса и пр.;
несоответствия и ошибки, допущенные в конструировании изделия, – это могут быть неверно выбранный тип шва, часто расположенные соединения, малый зазор между сварными швами и пр.;
низкий профессионализм и небольшой опыт мастера.

Концентрацию напряжений в сварном шве может вызвать практически любая ошибка. Из-за них возникают технологические дефекты соединения: непровары, трещины, пузыри и прочий брак.

Перечень материалов для распашных ворот

Опорные столбы. Какие профильные трубы необходимы, определяют, в зависимости от габаритов конструкции. Для легких дачных ворот допускаются изделия с сечением 80х80 мм, для более тяжелых 100х100 мм, для очень массивных – 150х150 мм.
Каркас створок ворот из профильной трубы. Как и в случае с опорными столбами, размер сечения определяется габаритами модели. Для небольших конструкций достаточно трубы 30х30 мм, стандартный вариант – 40х40 мм, усиленный – 50х50 мм.
Усиливающие перемычки – 20х20 мм, 40х20 мм.
Материал, выбранный для заполнения.
Комплектующие: навесы, замок, крепеж для профнастила или дерева (если требуется).
Антикоррозионные составы: грунтовка, краска.

Классификация напряжений и деформаций

В зависимости от причины возникновения собственные напряжения разделяют на:

тепловые напряжения — появляются в следствии неравномерного распределения температуры во время сварки;
структурные напряжения — появляются в следствии преобразования структуры во время нагревания выше критической температуры.

В зависимости от времени существования собственные напряжения бывают:

временные — существуют при определенных фазовых преобразованиях и исчезают при охлаждении;
остаточные — остаются даже после исчезновения причин их образования.

Зависимо от площади действия различают три вида напряжений:

напряжения которые действуют в объемах конструкции;
напряжения которые действуют в рамках зерен металла;
напряжения которые существуют в кристаллической решетке металла.

По направлению действия напряжения и деформации бывают:

продольные — вдоль оси сварочного шва;
поперечные — направленны перпендикулярно оси шва.

По виду напряженного состояния напряжения бывают:

линейные — действуют в одном направлении;
плоскостные — действуют в двух направлениях;
объемные — действуют в трех направлениях.

Напряжения также могут быть сдавливающими и растягивающими.

Деформацию называют общей если она изменяет размер всего изделия, и местной — если она изменяет часть изделия.

Деформации могут быть пластичными и упругими. Если конструкция восстанавливает свою форму и размер после сварки, то такая деформация называется упругой, а если не восстанавливается — пластичной.

Во время выполнения сварки конструкций возникают напряжения и деформации. Напряжение которое превышает границы текучести метала приводит к появлению пластических деформаций, которые изменяют размеры и форму конструкции. Напряжения превышающие границу прочности приводит к появлению в трещин.

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.

Как избежать деформации металла при сварке

Для уменьшения вероятности деформации деталей и готовой конструкции специалисты рекомендуют придерживаться некоторых правил:

На этапе проектирования сделать расчет деформаций для нормального формирования сварочного шва, выбрать оптимальные припуски для усадки.
Расположить швы желательно симметрично относительно осей узлов.
При проектировании не допускать, чтобы в одной точке пересекалось больше трех швов.
Перед началом сварочных работ проверить, все ли зазоры на стыках соответствуют расчетным показателям.
Не формировать сварочные швы в местах предполагаемой концентрации внутренних напряжений металла.

В целях уменьшения деформации металла и напряжений внутри материалов во время выполнения сварочных работ специалисты используют специальные приемы. Наиболее эффективные из них:

Создание дополнительных очагов деформации, вектор которых направлен в противоположную сторону.
Длинные швы (1 метр и более) разбиваются на несколько участков до 15 см каждый. Сваривание выполняется обратноступенчатым методом.
Часто помогает снижение температуры в сварочной зоне. Для этого во время сварки под стыки подкладываются графитовые или медные пластины.
Расположенные недалеко друг от друга стыки свариваются так, чтобы деформации компенсировали одна другую.
При соединении заготовок из вязких металлов применяются технологии и методы, направленные на снижение остаточных явлений.
Если условиями эксплуатации допускается возможность создания коротких швов, то следует делать стыки как можно меньше.
При сваривании желательно делать как можно меньше проходов.
В случаях, когда предусматривается формирование двухстороннего шва, следует наплавлять слои с каждой стороны попеременно.
Перед началом работы можно выгнуть края заготовок в сторону противоположную направлению деформации. После остывания они вернутся в исходное положение.
Количество прихваток должно быть минимальным.
Небольшие заготовки и узлы приваривать с использованием кондукторов и шаблонов.

Как устранить?

Борьба с устранением напряжений может проходить путем механической или термической обработки соединения. Предварительный и сопроводительный нагрев снижает деформационные изменения и позволяет выдержать геометрию конструкции. Направление движения пламени зависит от вида используемого проката.

По окончанию работ рекомендуют выполнить температурный отпуск. Это уменьшит остаточное напряжение благодаря повышению пластичности структуры металла.

Среди механических методов устранения напряжений наиболее популярным является проковка. В качестве рабочего инструмента используют молоток, работающий от сжатого воздуха. Процедуру можно проводить как с холодной, так и с разогретой поверхностью. Исключение составляют сорта стали, склонные к возникновению закалочных структур.

Менее востребованными являются процедуры вибрационной обработки и прокатки.

Классификация напряжений и деформаций

Не могут быть выявлены визуальным осмотром.
Не являются постоянными во времени, иногда увеличиваются при эксплуатации сварного узла.
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.

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.

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.

Устраняем возникшие при сваривании отклонения

Крупные трещинки устраняются с помощью заварки. Для начала в предварительном порядке рассверливаются насквозь несколько отверстий на дистанции 50 мм к концам возникших трещинок для предупреждения их распространений.

Далее пневмозубилом, газовыми резачками для резаний поверхностного типа (либо резачком дуго-воздушного типа) выполняют V- или Х-образные разделывания трещинок, удаление шлаковых элементов с её кромочек и заваривание ступенчато-обратными методами (рис. 1).

Рис.1. Именно таким методом выполняется корректировка сварочного соединения с трещинкой: 1 — схема места нагрева; 2 — схема рассверленного отверстия; 3 — схема разделывания каждой кромки на трещине; 4 — схема образовавшейся трещинки; I, II, III, IV — описание этапов заваривания.

Зачастую перед началом сварочного процесса выполняется нагрев стали (в месте концов трещинок) посредством горелок газового типа (нагрев должен выполняться до жары в 200 градусов) таким образом, чтобы остывание швов и прогретых участков проходило в одно и тоже время.

Делается это во избежание возникновения остаточных напряжений на сварочном шве (его концах).

Швы, у которых непровары, газо-шлаковые включения, небольшие трещинки вырубаются либо выплавляются и вновь завариваются.

Аналогичные операции делают и в пережжённых участках изделия. Кстати, вырубкой или выплавкой проблемы с дефектами сварочных швов можно решить при сварке элементов из углеродистой стали.

Неполномерности в швах устраняются посредством наплавления дополнительных слоёв, а заваривание подрезов делается с помощью тонких валиковых швов. Удаление наплавов, натёков, а также дополнений шва (образований в его сечении дополнительного материала) выполняется посредством абразивов либо пневмозубила. Если возник перегрев металла, значит, необходимо прибегнуть к его соответствующей термообработке.

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.

Диагностика сварочного напряжения

рассчитаны обнаружение , 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.

ВАЖНО ЗНАТЬ: Технология сварки полуавтоматом своими руками

МЕТОДЫ БОРЬБЫ СО СВАРОЧНЫМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ И НАПРЯЖЕНИЯМИ

Рациональное конструирование сварных узлов. Рабочие чертежи сварных конструкций следует разрабатывать с учетом мероприятий по уменьшению сварочных напряжений и деформаций. Для этого сварные соединения конструируют таким образом, чтобы объем наплавленного металла был минимальным. Например, при толщине металла более 12 мм

следует применять X и К-образную подготовку кромок. С этой же целью заменяют прерывистые соединения на сплошные швы меньшего сечения. Выполняют стыковые швы при минимальном угле раскрытия шва и минимальном зазоре. Избегают резких переходов сечений, а также применяют преимущественно стыковые соединения и не допускают концентрации и пересечений сварных швов.Технология сборки и сварки. Порядок сборки под сварку, способ сварки, режимы сварки и последовательность наложения шва по его длине и сечению оказывают значительное влияние на величину деформаций и на пряжений при сварке. Чтобы уменьшить остаточные деформации и напряжения конструкций и изделий при сборке по возможности не допускают скрепления узлов и деталей прихватками, которые создают жесткое закрепление. Для обеспечения подвижного состояния закрепленных деталей используют клиповые, центровочные и другие сборочные приспособления. На образование остаточных деформаций и напряжений значительное влияние оказывает способ сварки. На величину и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций влияет погонная энергия сварки и режим сварки. Увеличение сечения шва, как правило, способствует росту деформаций. Величина остаточных деформаций и напряжений зависит и от порядка наложения швов по длине и сечению. Например, при сварке листовых конструкций вначале выполняют поперечные швы отдельных поясов, а затем соединяют (сваривают) пояса между собой. Уравновешивание деформаций. Сущность этого способа заключается в том, что устанавливают определенную последовательность наложения швов, при которой деформации от предыдущих швов снижаются при выполнении последующих швов. Этот способ широко применяют при сварке стержневых конструкций или деталей симметричного сечения. Обратные деформации. Перед сваркой конструкции или элемента для уменьшения остаточной деформации искусственно создают деформацию, обратную по знаку, по отношению к той, которая может возникнуть при сварке. На рис. 34 показаны некоторые примеры использования обратной деформации.

Жесткое закрепление (рис. 35). Закрепление обеспечивает уменьшение сварочных деформаций по сравнению со сваркой в незакрепленном состоянии, если зона нагрева до температур выше 600°С не превышает 0,15 общей ширины свариваемого элемента. Если зона нагрева будет более 0,15 ширины листа, то жесткое закрепление не уменьшает деформаций, а наоборот, может увеличить их по сравнению со сваркой в свободном состоянии.

Проковка швов и околошовной зоны. Проковка способствует снижению напряжений и деформаций. При выполнении проковки необходимо соблюдать следующие условия: при многослойной сварке проковку выполнять послойно, а первый и последний слой не проковывать; проковку следует выполнять на участке шва длиной 150 — 200 мм

сразу же после сварки или после подогрева его до 150 — 200° С; при сварке металла толщиной более 16мм необходимо проковывать и металл околошовной зоны.Общий отжиг сварного изделия. Отжиг применяется для сталей, имеющих склонность к образованию закаленных зон вблизи сварного шва (особенно при большой толщине свариваемого металла), и для конструкций, работающих при знакопеременных нагрузках. Механическая правка конструкций после сварки. Правку выполняют приложением ударной или статической нагрузок при холодном или нагретом состоянии металла. Термическая правка конструкций и изделий после сварки. Правка выполняется наплавкой валиков с обратной стороны шва или местным нагревом, производимым в особом для каждой конструкции порядке. Для получения сварных конструкций заданных проектных размеров необходимо давать припуски на усадку сварных швов. На один поперечный стыковой шов проката или листа толщиной 8 — 16 мм припуск должен составлять около 1мм .

Электросварка. В. П. Фоминых А. П. Яковлев

https://tehinfor.ru/s_14/svarka_29.html

Вопрос 26

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.