 |
6.2. Меры предотвращения и снижения сварочных напряжений и деформаций
|
|
|
|
6. 2. Меры предотвращения и снижения сварочных напряжений и деформаций
6. 2. 1. Влияние сварочных напряжений и деформаций на качество конструкций
1. В процессе механической обработки при снятии металла, имеющего остаточные напряжения, происходит перераспределение сил внутри детали. В результате возникает деформация ранее обработанных поверхностей и искажение формы.
2. Остаточные напряжения растяжения могут значительно уменьшить сопротивляемость сварной конструкции хрупким разрушениям. Это один из наиболее существенных случаев отрицательного влияния сварки на хладноломкость сварного соединения. Происходит снижение деформационной способности, смещение критических температур хрупкости в область более высоких температур.
3. Остаточные напряжения растяжения снижают прочность сварных соединений при действии динамических нагрузок.
4. Остаточные напряжения растяжения и пластические деформации могут приводить к интенсификации процессов коррозии и коррозионного растрескивания.
5. Возникающие непосредственно в процессе сварки напряжения и деформации способны вызвать в высокотемпературной зоне сварного соединения, включая металл шва, горячие трещины.
6. Остаточные напряжения растяжения являются одной из основных причин образования холодных и ламелярных трещин в сварных соединениях.
7. Остаточные деформации, искажая форму и размеры стыкуемых элементов, затрудняют сборку конструкций под сварку, часто делая её невозможной. В этом случае требуются правка, подгонка, применение специальных сборочных приспособлений и использование других мер, обеспечивающих качественное выполнение сборочно-сварочных операций.
|
|
|
8. Деформации металла в зоне нагрева могут существенно влиять на качественное ведение процесса сварки, например, когда кромки свариваемых деталей начинают сходиться, уменьшая зазор до недопустимых значений.
9. Остаточные деформации после сварки могут привести к увеличению заданных проектом допусков на отклонения размеров готовых конструкций. Устранение возникших деформаций требует значительных дополнительных затрат.
10. Искажения форм и размеров приводят к неудовлетворительному внешнему виду и ухудшению эксплуатационных характеристик сварных конструкций.
6. 2. 2. Способы уменьшения сварочных напряжений и деформаций
Они могут быть использованы: на стадии проектирования сварной конструкции; на стадии, предшествующей сварке, и непосредственно во время сварки; после завершения сварки и полного остывания конструкции.
Из мероприятий, используемых на стадии проектирования сварной конструкции, прежде всего, необходимо отметить меры, направленные на уменьшение массы (объёма) наплавленного металла.
Снижение массы наплавленного металла в стыковых соединениях можно получить за счёт применения рациональных форм и параметров разделки кромок.
Если появление недопустимых искажений форм и размеров, а также высоких остаточных напряжений от сварки неизбежно, в проекте должна быть предусмотрена возможность обработки и правки конструкций и её отдельных элементов тем или иным способом.
Сборку элементов свариваемых конструкций необходимо выполнять с помощью прихваток или жёстких сборочных приспособлений и устройств.
При подготовке и сборке конструкций под сварку широкое распространение получил способ обратной деформации.
При сборке конструкций или элементов искусственно создаются деформации, обратные по знаку ожидаемым при сварке.
Основными средствами, используемыми при сварке для снижения возникающих напряжений и деформаций, являются: рациональная последовательность наложения швов и слоёв, уменьшение погонной энергии, применение оптимальных способов выполнения швов, проковка металла, подогрев или охлаждение свариваемых элементов.
|
|
|
Последовательность сварки отдельных швов конструкций необходимо устанавливать таким образом, чтобы она не создавала жёстких контуров и в максимальной степени обеспечивала возможность перемещения свариваемых элементов при усадке после сварочного нагрева (естественно, не вызывая заметного искажения формы).
Уменьшение погонной энергии сварки снижает усадочную силу и деформацию, возникающие при сварке. Поэтому следует назначать и использовать способы и режимы сварки, обеспечивающие минимальные тепловложения на один проход. Поскольку эффективная погонная энергия пропорциональна сечению валика, то сварку необходимо выполнять на режимах, формирующие валики с возможно малыми поперечными сечениями. Многопроходная сварка в этом отношении имеет преимущество перед однопроходной сваркой.
Выбор рационального способа выполнения швов, определяемый маркой и толщиной стали, а также протяжённостью соединения позволяет улучшить термический цикл сварки и существенно снизить остаточные напряжения и деформации. Весьма показательным в этом отношении является обратноступенчатый способ, рекомендуемый для ручной дуговой сварки швов большой протяжённостью.
Предварительный и сопутствующий подогрев свариваемых элементов уменьшают перепад температур между участками сварного соединения, что приводит к снижению возникающих напряжений. При подогреве до температуры 100…200оС остаточные напряжения уменьшают на 20…30% по сравнению со сваркой без подогрева. Подогрев может быть общим, когда подогревается всё изделие, и местным. При местном подогреве нагревают участки металла шириной не менее 40…50 мм по обе стороны шва. Температура подогрева при ручной дуговой сварке толстолистового металла ориентировочно составляет 100…120оС для конструкций из низкоуглеродистых сталей, и 150…200оС – из среднеуглеродистых и низколегированных сталей.
Резкое охлаждение свариваемых элементов сужает до возможного минимума ширину участка сварного соединения, нагреваемого в процессе сварки до температуры, при которой возникают пластические деформации. Это приводит к снижению остаточных деформаций в сварном соединении в целом.
|
|
|
Проковка металла шва и околошовных участков способствует значительному снижению остаточных сварочных напряжений растяжения. При проковке имеет место осадка металла в направлении его толщины, что вызывает расширение металла в перпендикулярном направлении, создавая напряжение сжатия. Проковку стали можно проводить по горячему металлу сразу после сварки (температура не менее 450оС) или после его остывания (температура не более 150оС). При многослойной сварке проковку осуществляют послойно, за исключением первого слоя из-за вероятности образования в нём трещин.
К мероприятиям по снижению напряжений и деформаций, выполняемым после завершения сварки и остывания конструкции, можно отнести отпуск сварных конструкций, обработку взрывом, правку.
Отпуск сварных конструкций применяют для изменения структуры и свойств металла, а также для эффективного снижения остаточных напряжений. При отпуске различают стадии: подогрева, выравнивания температур, выдержки при заданных температурах, остывания. Наибольшее снижение напряжений происходит на стадии нагрева, его определяет температура отпуска: чем выше температура отпуска, тем полнее устраняются остаточные напряжения. Для углеродистых, низколегированных и легированных сталей составляет 500…680оС, для высоколегированных сталей аустенитного класса – 850…1050оС.
Обработка взрывом сварных соединений позволяет создавать по аналогии с проковкой металла напряжения сжатия в металле шва и околошовных участках и является эффективным средством снижения остаточных напряжений.
Правку конструкций производят в случае местных или общих деформаций сварных конструкций и изделий, выходящих за пределы требований проектной документации. Её осуществляют механическим или термическим методами.
|
|
|
При механической правке с помощью статических или динамических воздействий создаются пластические деформации в зонах, где металл испытал усадку. Это может быть гибка, растяжение, проковка, прокатка и т. п.
Термическую правку производят путём местного нагрева металла пламенем газовых, лучше ацетиленокислородных, горелок. Температура нагрева 650…700оС. Допускается повышение температуры нагрева до 900оС (кроме правки конструкций из термически упрочнённых сталей). При термической правке стремятся вызвать усадку тех участков сварной конструкции, которые, сжимаясь, устраняют перемещения, возникшие в процессе сварки.
Термическую правку хлопунов листовой стали осуществляют путём нагрева с выпуклой стороны одной или нескольких полос, направленных радиально из центра хлопуна. Каждую следующую полосу нагревают после полного остывания металла.
|
|
|
