04 апреля 2021 года

Группа 203

Предмет :"Техника и технология частично механизированной сварки, наплавки"

Тема занятия :" Меры предупреждения внутренних напряжений и деформаций"

 

< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >

Напряжения и деформации при сварке Силы, действующие на конструкцию, можно разделить на внешние и внутренние. Внешние силы возникают от внешней нагрузки (массы изделия, давления газа в сосуде, массы снега на крыше здания и т. п.). Внутренние силы возникают от изменения структуры металла под действием внешней нагрузки, вследствие сварки, от изменения температуры при эксплуатации конструкции и т. п. Деформацией называют изменение формы и размеров изделия под действием внешней или внутренней нагрузок. Деформации бывают упругими и пластическими. Если размеры и форма изделия восстанавливаются после прекращения действия силы, то такая деформация называется упругой. Если же деформация сохраняется после снятия нагрузки, то такая деформация называется пластической. Деформации, возникающие при сварке, можно разделить на следующие виды: • временные и остаточные; • местные и общие. Деформации, которые возникают в некоторый момент времени при сварке, а после исчезают, называют временными. Деформации, возникающие в конструкции к моменту ее полного охлаждения, называют остаточными. Величина и характер остаточных деформаций в значительной мере зависят от толщины и механических свойств основного материала, режимов сварки, формы сварных швов, последовательности их выполнения и конструкции свариваемых деталей. Местные деформации возникают в отдельных участках конструкции. Деформации, в результате которых изменяются геометрические размеры всей конструкции, называют общими. Силу, отнесенную к площади поперечного сечения элемента изделия, называют напряжением. Различают напряжения трех родов. Напряжения первого рода действуют и уравновешиваются в объемах, соизмеримых с размерами конструкции или ее отдельных элементов. Сварочные напряжения второго и третьего родов действуют и уравновешиваются в пределах микрообъемов и отдельных зерен металла. В зависимости от направления действия в пространстве различают линейные (одноосные) сварочные напряжения — действующие только по одной оси, плоскостные (двухосные) — действующие в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и объемные (трехосные) — действующие в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Различают рабочие и допускаемые напряжения. Допускаемые напряжения определяют максимальные уровни нагрузок, которые может выдержать изделие (предел прочности, предел текучести, предел усталости и т. п.). Если рабочие напряжения в сварных конструкциях меньше допускаемых, то возможна их деформация, а если больше допускаемых, то разрушение. Изменение температуры детали при сварке приводит к изменению ее размеров. При неравномерном нагреве металл на участках с высокой температурой не может свободно расширяться из-за сопротивления соседних более холодных участков, что вызывает появление внутренних напряжений и приводит к деформациям и перемещениям отдельных элементов сварных конструкций. При сварке сплавов, имеющих полиморфные превращения, в участках металла сварного соединения, нагретых выше критических точек, возникают структурные напряжения. Например, при сварке закаливающихся сталей, в околошовной зоне которых образуется мартенсит с большим объемным эффектом превращения, структурные напряжения достигают значительных величин. При выполнении сварочных работ невозможно полностью избежать остаточных деформаций свариваемых изделий — можно лишь свести их к некоторой минимальной величине. Закрепление свариваемых деталей в приспособлениях помогает уменьшить деформации, но в то же время в деталях возникают дополнительные напряжения, которые могут привести к появлению трещин, особенно при жестком закреплении деталей толщиной свыше 10 мм. Технологию сборки и сварки конструкций следует разрабатывать с учетом обеспечения минимальных значений сварочных напряжений и в случаях, когда это диктуется условиями работы конструкции, предусматривать снятие этих напряжений. Если значения сварочных напряжений достигают предела текучести металла, то происходит его пластическая деформация, т. е. изменение размеров и формы свариваемой конструкции, называемое короблением. В зависимости от характера, формы и размеров свариваемых деталей остаточные сварочные деформации развиваются «в плоскости» и выходят «из плоскости» соединяемых элементов. Деформация «в плоскости» проявляется в изменении (уменьшении) размеров конструкции, с чем необходимо считаться при раскрое деталей и сборке под сварку, предусматривая припуск на изменение размеров. Деформация «из плоскости» (угловая деформация) проявляется в образовании выпучин («хлопунов»), местном изгибе листов, в так называемом грибовидном изгибе пояса при сварке элементов тавровых и двутавровых сечений, а также в других изменениях формы изделий. Величина и характер остаточных деформаций в значительной степени зависят от толщины и свойств основного металла, режимов сварки, формы сварных швов, последовательности их выполнения, конструкции свариваемых деталей. При разработке технологии сборки и сварки конструкции следует стремиться к снижению остаточных деформаций. Если величина остаточных деформаций выходит за пределы допуска, то проводят правку конструкции. Величина и характер сварочных напряжений и деформаций определяются рядом технологических и конструктивных факторов. Рассмотрим влияние некоторых из них. Вид и способ сварки. Значительное влияние на величину сварочных деформаций оказывает степень концентрации теплоты. Ее высокая концентрация способствует сужению зоны, подвергающейся пластическим деформациям, и уменьшению деформаций всей конструкции. Величину остаточных деформаций можно снизить, заменив ручную дуговую сварку покрытыми электродами автоматической или полуавтоматической сваркой в углекислом газе, аргоне или порошковой проволокой. Методы борьбы со сварочными деформациями можно разделить на конструктивные и технологические. К конструктивным методам относят: • уменьшение количества вводимой при сварке теплоты за счет уменьшения количества сварных швов и объема наплавленного металла; • симметричное расположение сварных швов для уравновешивания деформаций; • симметричное расположение ребер жесткости в конструкции; • уменьшение использования накладок и косынок; • применение стыковых соединений вместо других, где это возможно. Технологические методы борьбы со сварочными деформациями включают в себя следующие способы: • рациональную технологию сборки и сварки изделия; • жесткое закрепление свариваемых деталей; • предварительный или сопутствующий подогрев изделия; • проковку металла швов и околошовной зоны; • механическую или термическую правку деталей и конструкций после сварки; • термическую обработку. Под рациональной технологией сборки и сварки понимают правильный выбор вида (способа) сварки и последовательности наложения швов. На величину деформаций влияют количество и размеры прихваток при сборке изделия под сварку (иногда изделие предварительно даже изгибают в сторону, обратную по отношению к изгибу, вызываемому сваркой). Влияние формы шва. Величина и характер остаточных сварочных деформаций заметно зависят от формы шва. При прочих равных условиях Х-образная подготовка кромок благодаря симметричному расположению швов относительно нейтральной оси вызывает меньшую угловую деформацию, чем V-образная. С целью уменьшения деформаций в некоторых случаях целесообразно применять двустороннюю сварку. При сварке под флюсом меньшие деформации происходят в соединениях без скоса кромок. Эффективная мера снижения деформаций — уменьшение сечения шва. Режим сварки. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций находятся в прямой зависимости от погонной энергии сварки, которая определяется выбранным режимом сварки. С уменьшением погонной энергии деформации снижаются. Порядок сварки и закрепление свариваемых деталей. На величину возникающих при сварке остаточных деформаций и напряжений существенно влияет порядок наложения сварных швов по длине соединения и его сечению. Наибольшие остаточные деформации отмечены при сварке на проход, т. е. при выполнении швов от начала до конца без перерывов. При ручной сварке для уменьшения величины деформации целесообразно выполнять швы от середины листов к краям. Эту схему применяют при выполнении сварки двумя сварщиками. Резко уменьшает величину напряжений и деформаций так называемая обратноступенчатая сварка, когда шов сваривают участками таким образом, чтобы к началу сварки последующего участка температура предыдущего была не выше заданного значения, например при сварке сталей — не выше 200...300 °С. При однослойной сварке это условие обеспечивается, если длина ступени равна участку, сваренному одним электродом (при сечении шва, равном 1...2 сечения стержня электрода). Уменьшение деформаций и напряжений при обратноступенчатой сварке связано с тем, что ее выполняют по расширенному зазору. При охлаждении одновременно с уменьшением ширины шва уменьшается и расширенный зазор, что способствует снижению реактивных напряжений и деформаций. Для уменьшения величины остаточных напряжений и деформаций при сварке многопроходных швов применяют каскадный метод сварки. Существенное влияние на величину напряжений и остаточных деформаций оказывают длина и направление сварки отдельных швов. Эффективная мера снижения остаточных деформаций — закрепление свариваемых деталей в специальных приспособлениях — кондукторах. Предварительный изгиб свариваемых деталей. В производственных условиях для устранения короблений часто применяют предварительный обратный изгиб свариваемых деталей. Этот метод используют для преодоления угловых деформаций при сварке стыковых и нахлесточных соединений. При сварке листов небольшой ширины с V-образной разделкой кромок их располагают не в одной плоскости, а под углом в сторону, обратную ожидаемой деформации (рис. 3.23). Листы большой ширины можно укладывать с предварительным изгибом свариваемых кромок (рис. 3.24). Монтажные стыки с закрепленными листами рекомендуется сваривать с предварительно отогнутыми кромками, что достигается с помощью домкратов или специальных приспособлений. Для предотвращения деформаций «из плоскости» тавровых или двутавро- Рис. 3.23. Схема сборки деталей, свариваемых встык, для предотвращения угловой деформации Рис. 3.24. Схема предварительного обратного изгиба свариваемых кромок Рис. 3.25. Обратный изгиб пояса тавра (а) и балки (б) вых сечений производят упругую или пластическую деформацию пояса (рис. 3.24, а). С целью устранения продольных деформаций «в плоскости» при сварке тавровых балок применяют приспособления, которые изгибают балку в сторону, обратную ожидаемой деформации (рис. 3.24, б). Предварительный обратный изгиб можно создать с помощью наклепа кромок и стенки балок либо нагревом до температуры 700...750 °С. Эффективная мера предотвращения выпучивания стенки в двутавровой балке, вызываемого сваркой поясных швов, — сборка с предварительным натяжением стенки. Для этого используют сборочные стенды с домкратным устройством. Повысить жесткость тонких листов в сварных конструкциях с целью уменьшения деформаций можно путем гофрирования. С помощью прессов на тонких листах предварительно выдавливают узоры жесткости, или гофры. Уменьшение сварочных напряжений может быть достигнуто предварительным растяжением или сжатием свариваемых деталей вдоль направления сварки. Охлаждение свариваемых деталей. При дополнительном охлаждении сварного соединения участки, в которых возникают пластические деформации, сужаются, что приводит к уменьшению остаточных деформаций и напряжений. На рис. 3.26 схематически Рис. 3.26. Характер распределения максимальных температур в поперечном сечении при сварке стыкового соединения: а — без дополнительного охлаждения; б — с дополнительным охлаждением; Тн п — температура начала пластического течения металла показаны характер распределения максимальных температур и размеры участков пластических деформаций при охлаждении и без него. При дополнительном охлаждении участки пластической деформации имеют меньшие размеры, чем при сварке в обычных условиях. Однако искусственное охлаждение применимо не для всех материалов. При сварке закаливающихся сталей метод искусственного охлаждения неприменим, так как он может привести к образованию хрупких закалочных структур. Влияние подогрева свариваемых деталей. При предварительном или сопутствующем подогреве уменьшается перепад температур между соседними участками сварного соединения, благодаря этому несколько снижаются напряжения. Установлено, что при сварке сталей с подогревом до температуры 200 °С остаточные напряжения по сравнению со сваркой без подогрева снижаются на 30 %. При более высокой температуре подогрева положительный эффект может быть еще значительнее. Заметное влияние на напряжения оказывает сопутствующий подогрев. При сварке можно проводить как общий, так и местный сопутствующий подогрев. Общий подогрев назначают при сварке деталей небольших размеров или непластичных материалов, например чугуна. При местном подогреве нагревают участок шириной 40...50 мм по обе стороны от шва. Нагрев только свариваемых кромок не дает заметного эффекта. Температура предварительного подогрева зависит от химического состава и толщины металла, а также от жесткости конструкции. С увеличением содержания углерода и легирующих добавок толщины металла и жесткости конструкции необходим подогрев до более высоких температур. Предварительный или сопутствующий подогрев изделия снижает перепад температур в зонах сварных соединений, что приводит к уменьшению остаточных напряжений и деформаций. Проковка швов создает местную пластическую деформацию удлинения, обратную деформации укорочения при сварке, вследствие чего изделие приобретает первоначальную форму и размеры. Несмотря на принимаемые меры, часто сварные конструкции приходится править после сварки. Обычно производят механическую или термическую правку. При механической правке свариваемым деталям придают новые деформации, уничтожающие первоначальные, возникшие в результате сварки. Механическую правку выполняют вручную при помощи тяжелого молотка, кувалды или домкрата, а также на станках и прессах, правильных вальцах или с помощью ударных приспособлений. Если в процессе сварки не удается снизить напряжения и деформации до заданного уровня, то появляется необходимость в устранении (снятии) возникших напряжений и деформаций путем последующей обработки сварной конструкции. Термическая обработка. Для снятия напряжений сварную конструкцию из углеродистых конструкционных сталей подвергают общему высокому отпуску (нагрев до 630...650 °С с выдержкой при этой температуре из расчета 2...3 мин на 1 мм толщины металла). Охлаждение должно быть медленным для того, чтобы при этом снова не возникали напряжения. Режим охлаждения в основном зависит от химического состава стали. Чем больше содержание элементов, способствующих закалке, тем меньше должна быть скорость охлаждения. Во многих случаях деталь охлаждают до температуры 300 °С с печью, а затем на спокойном воздухе. Релаксация (снятие) сварочных напряжений при высоком отпуске происходит вследствие снижения предела текучести стали при температуре 600 °С до значений, близких к нулю, в результате материал практически не оказывает сопротивления пластической деформации. Аргонодуговая обработка. Расплавление неплавящимся электродом в аргоне участка металла вдоль линии сплавления изменяет картину напряженного поля вследствие перехода части металла в жидкое и пластичное состояние. Естественно, что при кристаллизации расплавленного металла вновь возникнут напряжения, однако незначительные по величине, так как количество повторно расплавленного металла во много раз меньше, чем количество металла главного шва. Расплавление небольшого количества основного металла и металла шва приводит к уменьшению напряжений на 60...70 %. Получаемый при этом плавный переход от шва к основному металлу способствует повышению прочности сварных соединений, особенно при динамическом нагружении. Проковка металла шва и околошовной зоны. Сварочные напряжения могут быть сняты почти полностью, если в зоне сварки создать дополнительные пластические деформации проковкой швов. Проковку сварных швов на сталях проводят в процессе остывания металла при температурах более 450 °С или менее 150 °С. В интервале температур 400...200 °С в связи с пониженной пластичностью металла при его проковке возможно образование надрывов. Специальный нагрев сварного соединения для выполнения проковки, как правило, не требуется. Удары наносят вручную молотком массой 0,6...1,2 кг с закругленным бойком или пневматическим молотком с небольшим усилием. При многослойной сварке проковывают каждый слой, за исключением первого, в котором от удара могут возникнуть трещины. Этот же прием применяют для снятия напряжений при заварке трещин и замыкающих швов в жестких конструкциях. Проковка сварного соединения способствует повышению усталостной прочности конструкции. Термическая правка. При термической правке нагрев проводят газокислородным пламенем или электрической дугой неплавящимся электродом. Температура нагрева исправляемого участка на стальной конструкции составляет 750... 850 °С. Нагретый участок стремится расшириться, однако окружающий его холодный металл ограничивает возможность расширения, в результате в участке развиваются пластические деформации сжатия. После охлаждения линейные размеры нагретого участка уменьшаются, что приводит к уменьшению или полному устранению остаточных деформаций. В случае деформации тонкого листа, приваренного к массивной раме, правку можно осуществлять путем нагрева симметрично расположенных точек с выпуклой стороны листа. Нагрев следует начинать от центра выпуклости. Механическая правка. Для устранения деформации механическую правку можно осуществлять на прессах или — при толщине металла до 3 мм — вручную ударами молотка. Этот вид правки менее целесообразен, чем термическая правка, и его применение следует ограничивать. При механической правке образуется местный наклеп, повышающий предел текучести металла. Пластические свойства металла снижаются, особенно у кипящей стали. Вызываемая наклепом неоднородность механических свойств отрицательно сказывается на статической прочности конструкции, но особенно опасна при ее динамическом нагружении.