СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

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 втом 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).

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).

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;

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.

2

Рис. 4 (продолжение). Продольная усадка и деформации при различном расположении шва по отношению к центру тяжести сечения элемента: г — при несимметричном: 2 — шов

4ZZZZZZZZ2MZZZZZZZZZ%

Величина деформаций при сварке зависит, во-первых, от размера зоны нагрева: чем больший объем металла под­
вергается 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 выпу - чины, 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).

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

v

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.

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.

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.

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).

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.

11. Помогает снизить коробление швов соединяемых конструкций и деталей выполнение швов в обратноступен­чатом порядке (рис. 12). Для этого протяженные швы делят

а

Рис. 10. Напряжение в продольном сечении шва при сварке

( напряжение сжатия; + — напряжение растяжения):

а — на проход; б — от концов к центру

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.

12. Рассчитывают адекватный тепловой режим сварки. Если при работе есть возможность перемещать изделие (де-

Юлой

1

""" """ — — — ■“ —— 2 слой

16 15 14 13 12 11 10 9

Рис. 12. Последовательность наложения обратнопоступательного

шва

таль) 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° С для бронзы, 250- 270° С для алюминия, 500-600° С для стали, 700-800° С 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° С, выдерживают (общее время составляет примерно 30 минут, длительная выдержка нежелательна, поскольку приводит к росту зерен) и посте­пенно охлаждают (на 50-75° С в час), доводя температуру до 300° С. 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° С 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.