сварщик

НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ

14.1. Общие сведения. Причины возникновения сварочных напряжений и деформаций

При приложении к какому-либо телу механической нагрузки происходит изменение его формы и размеров — деформаци В твердых телах различают упругую (исчезающую после устра йения вызвавшего ее воздействия) и пластическую (остающую ся после удаления нагрузки) деформации.

Под воздействием нагрузки и в зависимости от ее характе ра внутри материала возникают напряжения сжатия или растя жения. Напряжение — это величина, выраженная отноше пнем силы к площади, на которую эта сила воздействует, соответствии с характером напряжений могут происходить дефор мадии удлинения и укорочения.

Возможно возникновение напряжений внутри материала и без приложения внешнего усилия, если по тем или иным при чинам этот материал испытывает неравномерное термическое воздействие. Напряжения возникают прежде всего вслед гвие того, что материалы обладают свойством изменять свои разме ры -пропорционально изменению температуры.

Если внутренние напряжения в отдельных зонах превос.. )дят называемый пределом текучести уровень, когда начинаются плас тнческие деформации, то после устранения причины, вызвавшей эти изменения, и из-за неравномерности пластических деф" ма - ций в объеме тела останутся напряжения, но изменится ~ак - тер их распределения. В одних зонах всегда будут напря>" - шя растяжения, в других — сжатия. Уравновешивая друг друга эти остаточные напряжения приводят к возникновению остато"кых деформаций.

Любая сварка связана с неравномерным термомеханичс. им воздействием на материал (интенсивный нагрев погранично зо­ны, приложение внешних усилий к заготовкам). В пис :се сварки все время меняются условия термомеханического вс гй - ствия на материал в отдельных зонах, поэтому характер ра^ ле - деления деформации и напряжений во время сварки также і у - дет меняться (сварочные деформации и напряжения). Эти на-

Яря*

-двзкения могут привести к разрушению материала (горячие - оешины) там, где под воздействием термического цикла сварки ослаблена его прочность.

При сварке слои материала, расположенные ближе к шву, буДУт стремиться удлиниться больше, чем отдаленные от него. Но более холодные слои сдерживают это перемещение, что приводит к сжатию сильнее нагретого слоя — он пластически деформиру­ется (укорачивается). При охлаждении этот же слой будет стремиться укоротиться на ту же величину, на которую должен был удлиниться при нагре­ве в том случае, если бы это А происходило свободно. Од­нако соседние слои, так же, как и в предыдущем случае, препятствуют осуществле­нию этих перемещений в полной мере, поэтому ох­лажденный слой оказыва­ется растянутым, а сосед­ние — сжатыми. Это явле­ние и является одной из главных причин появления остаточных напряжений и деформаций. Под воздей­ствием остаточных напря­жений могут происходить локальные разрушения в зоне соединений (холодные

Трещины) или даже общее разрушение сварной конструкции сразу же после охлаждения либо спустя какое-то время.

Другой причиной появления остаточных напряжений и де­формаций могут быть сопровождающиеся изменением объема изменения в структуре материала. Поскольку они неравномерны по объему свариваемой заготовки, так как происходят под воз­действием термического цикла сварки, это приводит к появлению остаточных напряжений.

С ростом температуры снижается предел текучести материа­ла (рис. 14.1), что облегчает осуществление пластических дефор­маций в нагретых зонах.

Возникновение напряжений приводит к изменениям формы изделия Если эти изменения велики и недопустимы, то их умень­шают термическим, механическим или термомеханическнм спо­собом. Процесс сварки организуют так, чтобы использовать за­кономерности появления напряжений и с помощью специальных Технологических приемов снизить или устранить деформации.

На рис. 14.2, а...д показаны виды сварочных деформаций некоторых конструкций.

14.2. Способы уменьшения сварочных напряжений и пластических деформаций в металле

Для уменьшения сварочных напряжений и деформаций при­меняют различные конструкторские и технологические способы.

Предварительный и сопутствующий подогревы при сварке. При местном подогреве нагревают участок шириной не менее 40...50 мм с каждой стороны от края шва. Подогрев, осуществляе­мый газовым пламенем, косвенной электрической дугой и др ги­мн способами, снижает предел текучести металла околошс. ной зоны и уменьшает остаточные напряжения. Температуры С) предварительного подогрева различных металлов указаны ;же.

Сталь.......................................... 400... 600

Чугун.............................................. 500... 800

Алюминий ..................................... 200. ..270

Бронза...................... ..... 300...400

■

Выполнение соединении обратноступенчатыми швами. Этот

Способ заключается в том, что весь шов разбивают на отдельные ступени и наложение каждой ступени осуществляют в направле­нии, обратном общему направлению сварки (рис.

Правильная последовательность наложения швов.

При изго­товлении сварных конструкций из листового материала (рис. 14 4, а, б) происходит перемещение незакрепленных частей заго­товок, являющееся причиной образования больших и неравномер­ных зазоров. Секционная сварка отдельных частей допускает их свободную линейную деформацию, которая не влияет на сборку этих частей в готовое изделие.

^Принудительное охлаждение в процессе сварки осуществля­ют с целью уменьшения зоны нагрева путем интенсивного отвода теплоты Для охлаждения используют воду, в которую помеща - Ют свариваемые заготовки, оставляя на воздухе только участки, подлежащие сварке. Более рационально применять массивные подкладки и прижимы из меди и сплавов на ее основе, обладаю щие высокой теплопроводностью.

Проковка металла. Такая обработка ведет к локальной плас

Тической деформации в,4 растянутых слоях метал,

Ла (деформации удлине. ния), способствуя тем самым снижению общего уровня напряжений и де. формаций. Проковку мо. жно выполнять МОЛОТ, ком массой 0,5...1.5 кг по горячему металлу (ера - зу же после сварки) или после его остывания. Проковка стали в темпе­ратурном интервале 200... і...450 °С не рекомендует­ся из-за возможности образования трещин

Наиболее широко проковку швов применя­ют при ручной сварке покрытыми электродами. Рекомендуется выпол­нять швы длиной 150... ...200 мм и проковывать их сразу же после сварки. При многослой­ной сварке корневой и декоративный швы та­кой обработке не подвер­гают. Промежуточные слои проковывают сразу же после их наложения, Неравномерный на­грев широко используют для перераспределения остаточных напряж зний, Нагрев металла обл гча - ет пластические де op - мации и ведет к сниже­нию уровня напряж ний (рис. 14 5). Рекомендує-
gtte Для нагрева различных металлов температуры указаны в „ачале данного параграфа.

)Кесткое закрепление заготовок. Заготовки, подлежащие свар­ив закрепляют на фундаменте, плите или в приспособлении с по - цошью струбцин, прижимов и др. Жесткое закрепление заготовки препятствует перемещению ее элементов в процессе нагрева и охлаждения, что приводит к более интенсивным деформациям в уеталле и, как следствие, к меньшим остаточным деформациям. После сварки и полного охлаждения изделия зажимные приспо­собления удаляют.

14.3. Термическая обработка изделий, изготовленных сваркой

Термической обработке подвергают ответственные сварные конструкции, к которым предъявляется требование сохранения неизменных формы и размеров после механической обработки в процессе эксплуатации, а также конструкции из высокоуглеро­дистых и легированных сталей для повышения пластичности и вязкости сварных швов.

В процессе нагрева предел текучести низкоуглеродистой ста­ли (см. рис. 14.1) заметно снижается и при 600 °С близок к ну­лю—практически при этой температуре металл не оказывает сопротивления пластическим деформациям и сварочные остаточ­ные напряжения полио­

Стью исчезают.

Как показывает опыт для стабилизации размеров неответствен­ных конструкций из низ­коуглеродистых сталей достаточно произвести их высокотемпе­ратурный отпуск при 600...670°С. Время отпуска назначают из расчета 1 мин на 1 мм наибольшего сечения, котором имеется свар­ной шов, но не менее 30 мин; охлаждение — медленное на воздухе, Конструкции ответственного назначения из углеродистых ста лей подвергают полному отжигу, который не ТОЛЬКО СНи мает внутренние напряжения, но и повышает пластичность щВа и околошовной зоны. Отжиг заключается в нагреве стали до Тем. пературы, соответствующей заданному температурному иптерва лу (рис. 14.6), выдержки из расчета 1 мин на 1 мм сечения, но не менее 30 мин; охлаждение — вместе с печью до 300 °С, а затем на воздухе.

Нормализация является разновидностью полного отжи га. Температурный интервал нагрева сталей с содержанием угле рода до 0,8 % назначают в соответствии с указанным на рИС 14.6. Время выдержки — такое же, как и при полном отжиге охлаждение— на воздухе. В результате такого охлаждения ме талл приобретает мелкозернистое строение. По сравнению с пол ным отжигом нормализация обеспечивает получение более проч ного, но менее пластичного шва.

14.4. Способы исправления деформированных сварных конструкций

Сварочные деформации устраняют механической или терми ческой правкой.

Механическая правка заключается в создании ло кальных пластических деформаций в элементах конструкции. Для правки применяют прессы, домкраты, правильные вальцы, ручной слесарный или кузнечный инструмент и др.

Термическая правка достигается за счет создания пластических деформаций в зонах сжатия. Нагрев осуществляют газовой горелкой или электрической дугой Стальные изделия рекомендуется нагревать до 300...650 °С, в отдельных случаях тем­пературу нагрева доводят до 800.. 900 °С. При правке деформиро­ванную поверхность всегда нагревают со стороны выпуклой части (горба). Ширина зоны нагрева за один проход не должна пре­вышать двух толщин исправляемого листа. Термическая правка может быть дополнена механической.

Рассмотрим процесс прав­ки плоской заготовки, имею­щей линейную деформацию (рис. 14.7, а). При механиче­ской правке заготовку уста­навливают на плиту и удара­ми через гладилку подвергают пластическому деформирова­нию ее сжатый участок до тех пор, пока заготовка не примет требуемую форму. Термиче­ская правка этой заготовки сводится к местному нагреву нескольких участков на проти­воположной стороне шва.

Механическая правка пло­ской заготовки с выпучиной (рис. 14.7,6) заключается в последовательном нанесении ударов молотком, начиная с краев при постепенном пере­мещении к месту расположения выпучины. Термическую правку этой заготовки осуществляют со стороны выпучины нагревом кольцевых зон 0 30...60 мм в последовательности, показанной на рисунке.

Компактные и полые изде­лия (валы, оси, колонны и др.) можно править механической рихтовкой либо местным нагревом (рис. 14.8, а...б).

^Ври термической правке в месте нагрева могут происходить структурные превращения, разупрочняющие металл. В связи с этим ответственные изделия править таким способом не рекомен­дуется