на какие виды можно разделить сварочные напряжения и деформации

Напряжения и деформации в сварочных соединениях

Прочность конструкции и качество сварочного шва находятся в прямой связи. Любая [сварка] связана с нагреванием и остыванием металла, а это означает, что материал будет подвергаться структурным и объемным изменениям с вероятными остаточными напряжениями.

Отчего возникают сварочные деформации напряжения

Причина напряжения в металле при сварке — это прежде всего вызванные нагревом изменения. По мере нарастания температуры происходит размягчение и плавление, а в момент достижения предела температуры текучести нарастают структурные факторы. Особенно ярко проявляются деформирующие эффекты при сваривании сталей разного сорта. Это объясняется:

различиями в температуре плавления;

разницей в крупности кристаллического зерна, особенностях структурных связей;

наличием в стали углерода — эти сорта имеют крайне низкие способности к свариванию;

перестройкой структуры металла по мере нагрева и остывания.

Специалистам известно, что наилучшие показатели сваривания присущи нелегированным сортам стали с низким и средним содержанием углерода. В процессе сварки в них формируются новые структуры, со своими особенностями взаимодействия и разной подвижностью. Именно эти особенности и приводят к временному и остаточному напряжению в сварочном шве.

Элементы структуры стали и внутренние напряжения

Под воздействием высокой температуры в стали происходят структурные изменения. Взаимодействующие компоненты состава металла образуют свои кристаллические формации.

Аустенит — растворенный в железе твердый углерод, который начинает возникать при температуре от 723 С. В зависимости от концентрации, аустенит может сохраняться в металле до температур от 1100 до 1350 С, поддерживая высокую подвижность металлического зерна. Такая сталь при постепенном охлаждении сохраняет пластичность, потому напряжения в ней оказываются незначительными. Часть аустенита остается в металле после остывания.

Цементит, он же карбид железа обладает высокой твердостью поверхности, потому ограничивает подвижность зерна в ромбовидной решетке.

Феррит формируется при сварке в присутствии флюса и обеспечивает хорошую пластичность металла за счет округлости зерен. Образуется при остывании стали и поддерживает ее пластичность.

При смешивании феррита и цементита образуется пластинчатый или зернистый перлит с вытянутыми или округлыми зернами. Быстрое охлаждение металла приводит к замене перлита трооститом.

Зерна мартенсита относятся к неравновесным структурным элементам стали, существующим только в определенном температурном диапазоне (от 750 до 900 С). Закалка стали с быстрым охлаждением приводит к фиксации мартенсита в структуре, что придает металлу повышенную прочность, но ограничивает пластичность.

Если речь идет о легированной стали, то при изменении температур в ее структуре появляются нитридные и карбидные элементы перечисленных структурных компонентов. Разные размеры, время и условия существования кристаллических зерен и определяют возникновение напряжений.

Диагностика сварочного напряжения

[Методы выявления сварочного брака] рассчитаны обнаружение [дефектов сварных швов], 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.

Последствия напряжения сварного шва

Последствия напряжения различают и по характеру деформации — упругая поверхностная может быть устранена или постепенно сойдет сама в процессе остывания. Пластическая деформация шва необратима, устранить ее без переваривания практически невозможно, при этом изменяется структура металла и его прочностные свойства.

Равномерность распределения

При оценке деформации используется коэффициент неравномерности, который позволяет учесть направление сил напряжения и заранее принять профилактические меры. Например, неравномерность будет выраженной, если часть заготовки контактирует с массивными холодными тисками, фиксируется ими, а при остывании именно в этой зоне формируется зона наибольшего напряжения. Имеет значение и разница в габаритах деталей — больший размер связан с изменением динамики нагрева и остывания, при соединении с фрагментом меньшего размера возникает неравномерно распределенное усилие.

Профилактика и снятие напряжений металла при сварке

Основным способом предотвращения напряжений в сварочном шве можно назвать правильный выбор стали для соединения. Чем ближе по составу и структуре соединяемые фрагменты, тем меньше вероятность напряжения и последующей деформации. Особое внимание уделяют качеству и [технике сварки тонких металлов инвертором], так как небольшая толщина металла — это условие для разрыва и активного коробления.

Способы уменьшения сварочной деформации

Помогает избежать коробления и внутренних напряжений использование коротких швов, не пересекающихся соединений. Тщательная зачистка кромок позволяет плотно смыкать детали при стыковой сварке.

Опытный сварщик уравновешивает напряжения, используя подготовку кромок в виде параболических треугольников с взаимно совпадающей встречной кривизной — поверхности с изгибом распределяют нагрузку при деформации навстречу, компенсируя ее. Применяется методика сварки по оси симметрии деталей разной толщины, чтобы уравновесить деформирующие силу при остывании.

Для компенсации используются вставки из мягких и плавких металлов, тиски с подогревом и охлаждением губок. В практике сварки больших по размеру конструкций предусмотрено использование механических зажимов. При неизбежности нарастания напряжения может использован последующий отжиг металла. Методы борьбы с угловыми деформациями построены на предварительном напряжении зоны шва и отклонении заготовок.

Источник

Деформации и напряжения при сварке

Содержание:

В производстве металлоконструкций самые надежные и долговечные соединения обеспечивает сварочная технология при условии безошибочного проведения работ. Если же хоть незначительно нарушаются технологии процесса, то в создаваемой конструкции формируются деформации и напряжения при сварке. При этом искривляются формы, возникают неточности в размерах изделия, что делает невозможным качественное выполнение функциональных задач.

Что являют собой напряжения и деформации

Появлением напряжений и искажений сопровождается любое силовое воздействие на металлическое изделие. Силу, которая оказывает давление на единицу площади называют напряжением, а нарушение целостности форм и размеров в результате силовой нагрузки называют деформацией.

Напряжение может быть вызвано физическим усилием сжимающего, растягивающего, срезающего или изгибающего характера. Когда сварочные напряжения и деформации превышают допустимые значения, то это влечет за собой разрушению отдельных элементов и всей конструкции.

Почему образуются деформации и напряжения

Деформации при сварке появляются из-за вызванных разными факторами внутренних напряжений. Причины таких нарушений условно разделяют на две большие категории: основные (неизбежные), которые всегда присутствуют при сварочных работах и сопутствующие, которые подлежат устранению.

Причины неизбежные

Группу основных составляют следующие причины возникновения напряжений и деформаций при сварке:
структурные видоизменения, провоцирующие развитие сжимающих и растягивающих напряжений. Довольно часто при охлаждении изделий, выполненных из высокоуглеродистых и легированных стальных сплавов при нарушается зернистая структура металлов и размеры самих деталей.

В результате меняется первоначальный объем металла, что собственно и поднимает внутреннее напряжение;

Не только внешние силовые воздействия способны спровоцировать напряжение при сварке. Металлическим сплавам характерны также свои собственные напряжения и деформации, которые разделяются на остаточные и временные. Первые возникают вследствие пластичной деформации и даже после охлаждения конструкции они в ней остаются. Когда появляются временные сварочные деформации? Непосредственно в процессе сваривания в прочно зафиксированном изделии.

Сопутствующие причины

Кроме основных существуют также побочные причины возникновения деформаций при сварке. К таковым относят:

Что из перечисленного вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях? Любое неправильное действие приводит к технологическим дефектам шва, в частности к появлению трещин, пузырей, непроваров и других браков.

Виды деформаций и напряжений

Различают разные виды напряжений в зависимости от характера их возникновения, периода действия и других факторов. В таблице ниже показано что вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях и какими они бывают.

Виды деформаций при сварке бывают:

Деформации металла возможны как в плоскости сварной конструкции, так и вне нее.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций

С целью определения прочности и надежности шва, и выявления возникших дефектов проводится тестирование сварных соединений. Такой контроль позволяет своевременно обнаружить браки и оперативно их устранить.

Для выявления изъянов используют следующие типы контроля:

При производстве конструкций с применением сварки одним из важных нюансов является точное определение возможных деформаций и напряжений. Их наличие приводит к отклонениям от первоначальных размеров и форм изделий, понижает прочность конструкций и ухудшает эксплуатационные качества.

Расчет сварочных напряжений и деформаций позволяет проанализировать разные варианты проведения сварочных операций и спланировать их последовательность так, чтобы в процессе работ конструкция подвергалась минимальным напряжениям и образованию дефектов.

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.

Способы устранения деформации

Деформация металла при сварке устраняется термомеханической, холодной механической и термической правкой с общим или местным нагревом. При полном отжиге конструкция прочно фиксируется в специальном устройстве, которое на требуемые участки образует давление. После закрепления изделие помещается в печь для нагрева.

Принцип термического способа состоит в том, что в процессе охлаждения металл сжимается. Растянутый участок нагревают с помощью дуги или горелки таким образом, чтобы холодным оставался окружающий сплав. Это препятствует сильному расширению горячего участка. В процессе остывания конструкция выпрямляется. Метод идеально подходит для правки листовых полос, балок и других изделий.

Холодная правка проводится с применением постоянных нагрузок, которые образуют с помощью разнообразных прессов, валков для прокатки длинных конструкций. В сильно растянутых конструкциях для ликвидации деформаций используют термическую правку. Сперва собираются излишки металла, после чего проблемные участки прогреваются.

Какой из методов считается самым лучшим? Однозначного ответа здесь не существует. При выборе технологии следует учитывать тип, размеры и формы металлического изделия, какие особенности вызвали деформации и сварочные напряжения, и деформации, возникшие в плоскости или снаружи. Также внимание стоит обратить на эффективности методики и предстоящих трудозатратах.

Как предотвратить возникновение напряжений и деформации

Чтобы повысить качество конструкций и предотвратить образование браков, следует знать от чего зависит величина деформации свариваемого металла.

Понизить напряжения в процессе сварочных работ и предотвратить деформации можно, если придерживаться следующих правил:

Нужно понимать, чтобы понизить к минимуму деформации при сварке, причины их возникновения и меры предупреждения непосредственно повязаны между собой. Поэтому вначале нужно провести все расчеты и подготовительные работы, и только после этого приступать к процессу сваривания металлоконструкций.

Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям

Намного проще предотвратить проблему, нежели ее устранять. Касается это также сварочных работ. Чтобы не столкнуться с устранением брака, а также избежать лишних финансовых затрат следует обратить внимание на некоторые меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями.

Сопроводительный и предварительный подогрев

Выполнение таких видов подогрева улучшает качественные характеристики шва и прилегающих к нему участков. Также метод способствует уменьшению остаточного напряжения и пластических деформаций. Применяют подогрев для склонных к возникновению кристаллизационных трещин и закалке сталей.

Наложение швов в обратно ступенчатом порядке

Если длина шва превышает 1000 миллиметров, то следует разбить его на отдельные участки протяжностью 100-150 мм каждый и вести их нужно противоположно к направлению сварки. Применение такого способа позволяет достичь равномерного нагревания металла и существенно понизить деформацию, что нельзя отнести к случаю последовательного наложения.

Проковка швов

Как холодный, так и нагретый металл можно проковывать. Металл от силы удара разжимается в разные стороны, понижая таким образом растягивающее напряжение. Если конструкция создана из склонного к появлению закалочных структур металла, то на таких изделиях проковка не выполняется.

Выравнивание деформаций

Сущность способа состоит в подборе порядка выполнения швов. При этом каждое последующий шов должен создавать противодействующую деформацию предыдущему соединению. Очень актуально это при сваривании двусторонних соединений.

Жесткое крепление деталей

Термическая обработка

Улучшает механические характеристики шва и расположенных вблизи участков, выравнивает структуру соединения, понижает внутренние напряжения. Термическая обработка состоит из разных операций: отпуск, отжиг (полный или низкотемпературный), нормализация.

Наилучшим способом обработки для сварных изделий считается нормализация, особенно хорошо подходит метод для изделий из низкоуглеродистых сталей.

Интересное видео

Источник

Вы здесь

Деформации и напряжения, возникающие в процессе сварки

Термические воздействия, которым подвергаются свариваемые соединения, приводят к образованию напряжений в узлах кристаллической решетки и даже к определенным деформациям. Напряжения и деформации могут быть как собственными, существующими в кристаллической решетке без приложения внешних сил, так и внешними, возникающими под действием приложенных нагрузок.

Собственные напряжения и деформации

Собственные напряжения и деформации могут быть временными, то есть существовать только в процессе термического воздействия, и остаточными, устойчиво сохраняющимися после прекращения сварки. Если деформация после прекращения сварки исчезает, то ее называют упругой. Деформация, полностью или частично оставшаяся после прекращения прикладывания сил, называется пластической. Некоторые виды сварочных деформаций приведены на рис. 1.

Рис.1. Сварочные деформации: А — деформация пластины; Б — деформация углового соединения; В — деформация стыкового соединения

Если деформации меняют размеры изделия или искажают его геометрию, то их называют общими. Общие деформации обычно проявляются в небольших по размерам деталях, когда термическое воздействие охватывает значительную часть их объема. В крупногабаритных деталях, когда термическое влияние сварочного процесса распространяется на относительно небольшие зоны, могут возникать местные деформации, проявляющиеся в виде выпучин, хлопунов и других местных искажений.

Различают деформации в плоскости, когда размеры детали меняются и вне плоскости и проявляются в виде серповидности, грибовидности и т.д.

Причинами образования собственных напряжений и деформаций сварных соединений является неравномерное распределение температурных воздействий и охлаждения. Кроме того, деформации могут вызываться механическим вмешательством в процессе правки сварных узлов, сборки и монтажа конструкций.

Механизм возникновения деформаций в сварочном шве

Механизм возникновения деформаций в сварочном шве рассмотрим на примере стержня, подвергающегося термическому воздействию (рис.2).

Рис. 2. Деформации при различных условиях закрепления при нагреве: 1 — сжатие; 2 — сжатие; 3 — растяжение

Если такой стержень (А) жестко закрепить с одной стороны и подвергнуть термическому воздействию, то его линейный размер увеличится на некоторую длину ДL, величина которой зависит от коэффициента линейного расширения и температуры нагрева. После прекращения термического влияния стержень охладится, и его длина вернется к исходному значению, поскольку этому ничто не препятствует. Если же на пути удлинения стержня (Б) установить жесткую преграду (например, стену), то при нагреве стержень начнет удлиняться и давить с одинаковой силой на преграды, расположенные с его обоих концов.

Так как по законам физики всякому действию соответствует равное ему и противоположно направленное противодействие, то преграды начнут давить на стержень с обоих концов, сжимая его к центру. По мере роста температуры силы, действующие на стержень, возрастают, вызывая напряжения в кристаллической решетке металла. При небольшом удлинении ДL стержня в кристаллической решетке металла возникают упругие напряжения, и после прекращения термического воздействия стержень охладится без остаточных напряжений и деформаций.

Если же удлинение стержня превысит критическое значение, при котором силы сжатия вызовут пластическую деформацию в кристаллической решетке металла, то после остывания длина стержня (В) станет меньше первоначального значения. Это значит, что в стержне проявилась остаточная деформация, вызванная сжатием кристаллической решетки.

Если же стержень (Г) жестко закрепить с обоих концов, то при незначительном нагреве (для стали это температура (100°С), будет проявляться только упругая деформация, не вызывая остаточных явлений. При высоких температурах стержень расширяется настолько, что силы, действующие вдоль оси и направленные к центру, вызовут изменение его длины. Но так как препятствия, расположенные с обоих концов стержня, не позволяют ему увеличить свою длину, то возникнут изменения в кристаллической решетке. При охлаждении стержня до нормальной температуры происходит обратный процесс. Жесткое закрепление обоих концов будет препятствовать нормализации кристаллической решетки металла и появятся остаточные напряжения (стержень Д).

Этим примером полностью объясняется механизм возникновения напряжений и деформаций в сварочном шве, так как его можно представить как нагревающийся стержень, закрепленный с обоих концов холодным металлом. Остаточные сварочные деформации изменяют геометрию деталей, что сказывается на их качестве.

Методы снижения сварочных деформаций и напряжений

Снижение сварочных напряжений и деформаций выполняют несколькими методами. Различают термические, механические и термомеханические методы снижения сварочных деформаций.

К термическим методам относят отпуск после сварки и предварительный нагрев в процессе сварки. Подогрев металла перед сваркой (или в процессе сварки) снижает предел его текучести, тем самым уменьшает величину остаточных напряжений и деформаций. И хотя этот метод не полностью исключает появление сварочных деформаций, при достаточно сильном нагреве (250°С и более) можно добиться положения, когда их величина будет находиться в допустимых пределах.

Отпуск металла после сварки более эффективен и позволяет снизить величину остаточных напряжений и деформаций на 85 — 90%. Кроме того, отпуск способствует улучшению пластических свойств сварочного шва. Отпуск может быть общим и местным.

При общем отпуске сваренную деталь нагревают до температуры 650°С и медленно охлаждают. При местном отпуске нагреву подлежит только часть конструкции в области сварочного шва.

Под механическими методами понимают обработку (проковку, прокатку, вибрацию, приложение местных нагрузок, ультразвуковое воздействие и т.д.) сваренных деталей, позволяющую снизить остаточные напряжения в кристаллической решетке.

Самым эффективным методом является прокатка металла, но для этого требуется специальное оборудование. Поэтому прокатку выполняют только в условиях крупных производственных подразделений. Наиболее доступным и простым методом является проковка. Для этого горячий шов подвергают ударной обработке, снимая остаточные напряжения. Под приложением местных нагрузок понимают изгиб, кручение и т.д. в направлении, противоположном остаточным деформациям. Вызванные местными нагрузками деформации сварочного соединения накладываются на остаточные деформации, полученные при сварке, снижая их величину.

Термомеханические методы предусматривают одновременно термическую и механическую обработку свариваемых конструкций и позволяют добиться максимального эффекта.

Этими методами не ограничиваются возможности борьбы с остаточными напряжениями и деформациями. Снизить вероятность появления этих вредных явлений помогают рациональные приемы проведения сварочных работ, суть которых заключается в правильном проектировании и конструировании сварного изделия, уменьшении количества наплавленного металла, снижении вносимого в зону шва тепла за счет уменьшения сварных швов и сечений.

Именно для этого следует избегать скоплений и перекрещиваний сварочных швов, симметричного их расположения и т. д. Препятствуют деформациям свариваемых деталей ребра жесткости, накладки, косынки и прочие приспособления, о которых мы расскажем в соответствующих разделах данной книги.

Источник