Деформация напряжения при газовой сварке

Деформации и напряжения возникают в результате неравномерного нагрева металла. Если листы металла нагревать пламенем горелки без перемещения ее, то металл начнет расширяться в месте нагревания. Более холодные части листа, вокруг зоны нагрева, будут препятствовать расширению. Если лист достаточно большой и толщина его не менее 3 мм, он начнет терять устойчивость и в месте нагрева начнет деформироваться, образуя «хлопуны».

Повышенные внутренние напряжения часто являются причиной появления трещин в сварном шве или в зоне термического влияния и даже разрушения сварного соединения. От величины температуры нагрева и коэффициента линейного расширения зависит степень деформации металла. Чем выше коэффициент линейного расширения и больше температура нагрева металла, тем больше деформация.

Рис. 40. Подготовка кромок чугуна под сварку

Другой причиной деформации и напряжения при сварке является величина усадки металла шва. Усадка при сварке металла вызывает продольные и поперечные напряжения и деформации, а также угловые и местные деформации.

Продольными называют напряжения, действующие параллельно оси шва. Они возникают от продольной усадки швов и прилегающих слоев металла околошовной зоны в результате совместного действия неравномерного нагрева вдоль линии шва и литейной усадки расплавленного металла.

При продольном короблении происходит набегание еще не сваренных кромок листов друг на друга. При сварке тонколистовых конструкций напряжения приводят к общей деформации элемента.

Поперечными называют напряжения и деформации, действующие перпендикулярно оси шва. В верхней части шва величина усадки больше, так как объем наплавленного металла больше. Поэтому при поперечной усадке края листов стремятся подняться вверх, т. е. в сторону вершины шва. При возникновении препятствий усадке образуются напряжения в сварном соединении. В результате того, что при газовой сварке зона нагрева по сравнению с другими видами сварки больше, деформации сварных изделий или узлов больше.

Угловые деформации возникают за счет неравномерной литейной усадки металла шва, при сварке встык с V-образной разделкой кромок, а также при сварке угловых швов.

Объем жидкого металла по сечению таких швов неодинаков, в связи с чем поперечная усадка в верхних слоях будет больше, чем в нижних (у корня шва). Под действием поперечной усадки верхних слоев сварного шва произойдет поворот приваренных элементов относительно продольной оси шва на некоторый угол. Подобного рода угловые деформации могут достигать 3—7° в зависимости от толщины свариваемого металла.

При сварке тавровых соединений угловые деформации приводят к искривлению полок (грибовидности). Угол смещения при образовании грибовидности также зависит от толщины привариваемой полки и от величины катета сварного шва. Кроме общих деформаций, при сварке могут возникать местные деформации. Например, уменьшение грибовидности таврового соединения путем приварки ребер жесткости ведет к волнистому изгибу полки.

Рис. 41. Способы уменьшения деформаций
а — обратно-ступенчатый порядок наложения швов; б — ступенчатый; в — комбинированный

Рис. 42. Уменьшение деформаций способом уравновешивания
1—4 — порядок наложения швов

Основными технологическими приемами, снижающими напряжения и деформации, являются: порядок наложения швов, обратная деформация, применение приспособлений и кондукторов, сварка на специальных тепло-отводящих подкладках, предварительный подогрев детали, проковка сварного шва, термическая обработка после сварки.

Порядок наложения сварных швов или последовательность сварки отдельных швов конструкции, выбранных неправильно, может привести к значительным деформациям конструкции и появлению в швах трещин. На рис. 41 приведены обратно-ступенчатый, ступенчатый и комбинированный порядок наложения швов.

Подготовленный под сварку стык делят на равные участки по 100—200 мм, размечают направление, указанное стрелками, и порядок наложения сварных швов, отмеченный цифрами. Такой способ сварки обеспечивает более равномерное распределение тепла, чем сварка за один проход, следовательно, деформация будет меньше.

Наряду с этим существует метод уравновешивания деформаций путем определенного порядка наложения швов. Очередность наложения швов выбирают в таком порядке, чтобы накладываемый шов вызывал деформации, обратные ранее полученным. Примером может служить порядок наложения сварных швов при сварке двутавровой балки (рис. 42), при сварке листов с Х-образ-ной разделкой.

Жесткое закрепление свариваемых деталей применяют для того, чтобы оми в процессе сварки не могли деформироваться. Сваренная деталь или узел находится в приспособлении или кондукторе до полного ее остывания. Данный способ сварки уменьшает деформации, но вызывает появление внутренних напряжений. Поэтому после сварки для снятия внутренних напряжений сваренную деталь или узел подвергают термической обработке по заданному режиму.

Охлаждение детали необходимо при сварке некоторых высоколегированных сталей и алюминиевых сплавов. Для этих целей берут массивную подкладку из меди, посередине которой делают на всю длину небольшую канавку для лучшего формирования корня шва. Этот технологический прием применяют при сварке нержавеющих сталей, т. е. сталей, обладающих пониженной теплопроводностью.

Предварительный подогрев детали уменьшает разницу между температурой места сварки и температурой всей детали, а следовательно, уменьшает деформацию от местного нагрева. Данный способ часто применяют при ремонте отливок, изготовленных из металла, с большим коэффициентом линейного расширения (чугун, бронза, алюминий), а также при сварке высокоуглеродистых и легированных сталей, склонных к закалке и трещинооб-разованию.

Проковку металла шва в горячем состоянии производят слесарным молотком легкими ударами, таким образом, чтобы на поверхности шва оставались небольшие вмятины. После проковки металл шва получается более плотным и по своим свойствам приближается к основному металлу.

Источник

Методы борьбы с деформациями и напряжениями при газовой сварке

При сварке изделий невозможно полностью избежать остаточных деформаций и напряжений. Поэтому борьбу с ними необходимо осуществлять на разных стадиях изготовления сварной конструкции: до сварки (на стадии проектирования конструкции и технологии производства), во время и после сварки. Газовая сварка дает большую зону нагрева по сравнению с другими видами сварки, поэтому она вызывает и большие деформации свариваемых изделий. Для уменьшения деформаций при сварке необходимо стремиться к равномерному распределению объема наплавляемого металла, более равномерному нагреву детали при сварке, а также применять определенный порядок наложения швов.

Важно правильно выбрать режим сварки. При сборке изделий под сварку зазор должен быть равномерным по всей длине шва. Прихватывать детали необходимо в меньшем числе точек.

Для устранения деформаций при сварке встык применяют обратноступенчатый и комбинированный порядок наложения швов. В этом случае весь шов делят на участки длиной 100-250 мм. Сварку ведут отдельными участками в порядке, отмеченном цифрами, и направлении, указанном стрелками. При этих способах листы почти не будут коробиться, так как обеспечивается более равномерное распределение теплоты вдоль шва, чем при непрерывной сварке, а потому величина деформации уменьшается.

а — обратноступенчатый, б, в — комбинированный

Рисунок 1 — Порядок наложения швов

Для уменьшения деформаций применяют также способ уравновешивания деформаций, при котором имеет значение очередность наложения швов. Очередность наложения выбирают так, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные деформациям, полученным при наложении предыдущего шва. Для уменьшения деформаций применяют и способ обратных деформаций. Сущность этого способа заключается в том, что детали перед сваркой располагают так, чтобы после сварки они приняли требуемое взаимное расположение. В этом случае листы размещают под некоторым углом относительно друг друга. В процессе сварки вследствие усадки металла шва кромки сближаются, в результате чего уменьшается деформация.

а — уравновешивание деформаций, б — обратная деформация; 1-4 — швы

Рисунок 2 — Способы уменьшения деформаций

При сварке узла из нескольких труб сначала сваривают отдельные элементы, которые затем приваривают общим швом к соединяющей их детали.

Жесткое закрепление свариваемых деталей также применяют 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 выполняют сварку и вынимают их только после полного охлаждения. Однако при этом способе могут возникнуть внутренние напряжения, для снятия которых сваренный узел подвергают последующей термообработке.

Для уменьшения деформаций применяют также предварительный подогрев свариваемой детали. В этом случае разность между температурой сварочной ванны и температурой всей детали уменьшается, и, следовательно, будут уменьшаться деформации от нагрева в процессе сварки. Данный способ нашел широкое применение при ремонте изделий из чугуна, алюминия, бронзы, высокоуглеродистых и легированных сталей. Изделий подогревают в специальных горнах, печах, индукторах. В некоторых случаях рекомендуется проковывать шов. Проковку проводят как в горячем, так и в холодном состоянии. Проковка металла шва улучшает механические свойства наплавленного металла и в значительной степени уменьшает усадку. Кроме того, для снятия возникших при сварке напряжений и улучшения структуры металла шва и зоны термического влияния применяют термическую обработку.

Источник

Деформации и напряжения в стыковых и тавровых соединениях при газовой сварке

Внутренние напряжения и деформации , возникающие при сварке, зависят от вида сварки. При газовой сварке возникают значительно большие деформации, чем при дуговой.

Линейные сварочные напряжения по направлению действия делятся на:

продольные — расположенные параллельно оси шва;
поперечные — расположенные перпендикулярно оси шва.

Распределение продольных напряжений в стыковом шве таково, что на его концах из-за возможности свободной усадки они незначительны, а в средней части имеют достаточно большую величину, достигая предела текучести. При сварке встык продольные сокращения шва вызывают не только продольные, но и поперечные напряжения, поскольку деформированные листы стремятся распрямиться. Поэтому в средней части сваренных листов возникают напряжения растяжения, а по краям — напряжения сжатия. При разработке технологического процесса сварки обязательно следует учитывать поперечную и продольную усадку шва.

1 — продольные; 2 — поперечные

Рисунок 1 — Напряжения в стыковом соединении

В сварных конструкциях, имеющих тавровое сечение, под влиянием продольных и поперечных напряжений стенка и пояс тавра деформируются. Величина таких деформаций зависит от соотношения размеров стенки и пояса, последовательности наложения сварных швов, условий закрепления таврового сечения и т. д. Чем тоньше пояс и больше ширина вертикальной стенки, тем больше продольные напряжения сварного тавра. Кроме деформаций в плоскости соединяемых элементов возникают также и деформации свариваемых листов вне плоскости, которые, называются угловыми деформациями. На величину угловых деформаций влияют размер свариваемых листов, угол раскрытия шва (чем он меньше, тем меньше деформация), закрепление, количество проходов и т. д.

Источник

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:

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.
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.
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.

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.

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.

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.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции. При этом учитывают эффективность метода, трудоемкость, величину финансовых затрат.

Источник