Виды и причины сварочных деформаций

Сварочное напряжение определяют как силу, действующую на единицу площади изделия. Оно может быть вызвано растягивающим, изгибающим, крутящим, сжимающим или срезающим усилием.

Эти силы достигают таких величин, что в процессе эксплуатации напряжения и деформации в отдельных деталях приводят к разрушению всей конструкции. Кроме этого происходит снижение антикоррозионных свойств, меняются геометрические размеры и жесткость конструкции.

Напряжения и деформации бывают временными и остаточными. Какие сварочные деформации называют временными, а какие остаточными определяется просто. Временные появляются во время сваривания деталей, вторые появляются и остаются после окончания сварки и охлаждения конструкции.

Меры по предотвращению сварочных деформаций

Одним из способов устранения сварочных деформаций является сварка в кондукторах — специальных приспособлениях, позволяющих жёстко закрепить изделие. Кроме этого, часто применяют предварительную деформацию свариваемых деталей. Направление предварительной деформации должно быть противоположно ожидаемой деформации при сварке. Такая мера называется ещё методом предварительного изгиба.

Такой метод используют для предотвращения угловых деформаций при сварке угловых швов и при сварке нахлёсточных соединений. При сварке листового металла малой ширины, их выгибают в сторону, обратную от предполагаемой деформации.

В случае сварки листов большой ширины, их сварные кромки предварительно изгибают. Для предотвращения деформаций при сварке тавровых и двутавровых соединений, их закрепляют в приспособления, которые изгибают детали в сторону, обратную предполагаемой деформации.

Устраняем возникшие при сваривании отклонения

Крупные трещинки устраняются с помощью заварки. Для начала в предварительном порядке рассверливаются насквозь несколько отверстий на дистанции 50 мм к концам возникших трещинок для предупреждения их распространений.

Далее пневмозубилом, газовыми резачками для резаний поверхностного типа (либо резачком дуго-воздушного типа) выполняют V- или Х-образные разделывания трещинок, удаление шлаковых элементов с её кромочек и заваривание ступенчато-обратными методами (рис. 1).

Рис.1. Именно таким методом выполняется корректировка сварочного соединения с трещинкой: 1 — схема места нагрева; 2 — схема рассверленного отверстия; 3 — схема разделывания каждой кромки на трещине; 4 — схема образовавшейся трещинки; I, II, III, IV — описание этапов заваривания.

Зачастую перед началом сварочного процесса выполняется нагрев стали (в месте концов трещинок) посредством горелок газового типа (нагрев должен выполняться до жары в 200 градусов) таким образом, чтобы остывание швов и прогретых участков проходило в одно и тоже время.

Делается это во избежание возникновения остаточных напряжений на сварочном шве (его концах).

Швы, у которых непровары, газо-шлаковые включения, небольшие трещинки вырубаются либо выплавляются и вновь завариваются.

Аналогичные операции делают и в пережжённых участках изделия. Кстати, вырубкой или выплавкой проблемы с дефектами сварочных швов можно решить при сварке элементов из углеродистой стали.

Дефекты же в изделиях, материалом которых является сталь легированного типа, устраняются исключительно вырубыванием (выплавление здесь приводит к структурным изменениям материала).

Неполномерности в швах устраняются посредством наплавления дополнительных слоёв, а заваривание подрезов делается с помощью тонких валиковых швов. Удаление наплавов, натёков, а также дополнений шва (образований в его сечении дополнительного материала) выполняется посредством абразивов либо пневмозубила. Если возник перегрев металла, значит, необходимо прибегнуть к его соответствующей термообработке.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций металла при сварке

Швы обязательно проходят тестирование на надежность и прочность соединений. В ходе проверки проверяется также наличие дефектов. Это позволяет быстро обнаружить и устранить возникший в процессе сварки брак.

Существует несколько типов контроля, позволяющих найти изъяны:

• разрушающий – процесс, который часто используется на промышленных предприятиях, дает возможность провести проверку физических свойств шва;
• неразрушающий – включает внешний осмотр шва, ультразвуковую или магнитную дефектоскопию, капиллярный метод, проверку проницаемости и прочие методы.

Важным в изготовлении сварных конструкций является определение вероятных напряжений и деформаций в ходе работ. Причина заключается в том, что они изменяют форму и размер изделия, снижают его прочность, что приводит к изменениям в эксплуатационных качествах конструкции далеко не в лучшую сторону.

Необходимо проводить тщательный расчет деформаций и напряжений при различных процессах сварки, правильно запланировать последовательность операций для того, чтобы в результате на конструкцию воздействовало минимум напряжений, а количество дефектов стремилось к нулю.

Методы устранения напряжений

Для снятия напряжений пользуются отжигом и механической обработкой. Первый способ применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую точность размеров. Местный или общий отжиг проводят при нагреве до 550 — 680⁰C в три стадии: нагревание, выдержка, охлаждение.

Для механического снятия напряжений используют обработку проковкой, прокаткой, вибрацией, взрывом, чтобы создать нагрузку с противоположным знаком. Для горячей и холодной проковки используют пневматический молот. Обработку вибрацией проводят устройством, которое генерирует колебания с частотой в диапазоне 10 — 120 Гц.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции.

Классификация напряжений и деформаций

1. Не могут быть выявлены визуальным осмотром.
2. Не являются постоянными во времени, иногда увеличиваются при эксплуатации сварного узла.
3. Способствуют снижению эксплуатационной стойкости, вплоть до разрушения сварного шва.

Наличие поверхностных напряжений выявляется легко по короблению элементов сварной конструкции, особенно в тонкостенных. Такие напряжения легко исправляются после сварки. Однако, если такие напряжения превышают предел прочности металла, то на поверхности появляются трещины. Для малоответственных изделий их можно заварить, в остальных случаях сварка считается бракованной. Вероятность возникновения напряжений снижается, если сваривать металлы с примерно схожими физико-механическими свойствами. Более опасными считаются объемные сварочные напряжения, поскольку их знак и абсолютное значение трудно оценить обычными методами.

Важной характеристикой качества сварки является коэффициент неравномерности деформации. Он устанавливается по линейным и угловым изменениям исходных размеров деталей по различным координатам. Неравномерность деформации минимальна тогда, когда свариваемые изделия не фиксируются в каком-либо зажимном приспособлении. Например, при контакте с менее нагретыми тисками температурное расширение соединяемого элемента в данном направлении невозможно, поэтому именно там будут сформированы повышенные остаточные напряжения.

Уровень деформаций в зоне сварного шва увеличивается, если ведется сварка резко разнородных между собой металлов. Это объясняется разнице в физических характеристиках материалов — коэффициентах температурного расширения, теплопроводности, теплоемкости, модуле упругости и т.п.

Работоспособность сварочного узла, в котором остаются внутренние напряжения, определяется условиями его эксплуатации. Например, при низких температурах и динамических нагрузках разрушение сварного шва вследствие имеющихся там напряжений более вероятно, чем в обычных условиях.

Таким образом, после выполнения сварки разнородных металлов, а также деталей с резко различными габаритными размерами, следует более тщательно осматривать сваренную конструкцию. При выявлении угловых или линейных деформаций использовать изделие без исправления дефектов нельзя.

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.

Проковка сварочного шва

Технологическая операция проводится с целью создания дополнительных деформаций. Они позволяют полностью избавиться от остаточных напряжений. Проковка осуществляется, когда сочленение остывает. Мероприятие проводится, если температура превышает 450 °C. Проковывать соединение также можно при температурном режиме меньше 150 °C. В других случаях процесс не выполняется, так как существует риск появления надрывов.

Операция проводится ручным методом при использовании молотка. Его масса составляет в среднем 1000 г. Разрешено применять пневматический молоток. Когда осуществляется проковка многослойных сочленений, мероприятие не проводится для 1-го и последнего слоя, так как существует большая вероятность образование трещин. Способ позволяет избавиться от напряженного состояния во время устранения дефектов и при создании замыкающего сочленения.

Меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями

Наиболее эффективное средство снижения собственных напряжений — подогрев детали перед сваркой и медленное охлаждение после нее. Предварительный подогрев в значительной степени снижает тепловые и усадочные напряжения, а медленное охлаждение предотвращает структурные превращения, особенно в околошовной зоне.

Стали, податливые закалке, с содержанием углерода 0,35% и более подогревают до температуры 150—280 °C. Для получения наплавленного слоя высокого качества высокоуглеродистые (более 0,35% углерода) и легированные стали после сварки или наплавки подвергают термической обработке, которая не только улучшает качество шва, но и снимает собственные напряжения. В некоторых случаях применяют высокотемпературный отпуск стали после наплавки, т. е. нагрев до температуры 600—650 °C, выдержка при этой температуре из расчета 2—3 мин на 1 мм толщины металла и медленное охлаждение вместе с печью.

Для подогрева деталей используют индукторы, многопламенные и однопламенные газовые горелки, специальные печи и т. п. Применение предварительного нагрева, отпуска и термообработки всегда связано со значительным усложнением процесса и снижением производительности. Поэтому для уменьшения собственных напряжений и деформаций разработаны и успешно применяются менее трудоемкие способы.

При сварке и наплавке симметричных деталей сварочные швы накладывают в определенной последовательности, вызывающей уравновешивающие деформации (рис. 3). Иногда при подготовке деталей к сварке создают деформации, обратные деформациям, ожидаемым после сварки (рис. 4). При многослойной наплавке деталей рекомендуется послойная проковка швов пневматическим зубилом с закругленным лезвием. Чтобы не вызвать трещин и надрывов, первый и последний швы не проковывают. Не рекомендуется проковывать хрупкие и закаленные швы.

Рис. 3. Последовательность наложения швов на симметричные детали

Рис. 4. Создание обратных деформаций при сварке

Деформации, возникающие в деталях после наплавки, устраняются механической или термической правкой.

Для механической правки применяют молоты, различные правильные (рихтующие) вальцы и прессы.

При термической правке выпуклую сторону деформированной детали быстро нагревают до температуры 700—800 °C и свободно охлаждают. Уравновешивающие деформации, возникающие при этом, выравнивают деталь.

Часто для термической правки в качестве источника тепла используют газовые горелки.

При сварке двутавровых балок для предотвращения грибовидности поясов целесообразно применять предварительный обратный изгиб заготовок поясов. Величину изгиба определяют опытным путем. Устранение образовавшейся грибовидности поясов обеспечивается при местном концентрированном нагреве деформированного участка газовым пламенем и быстром его охлаждении. В результате в исправляемом элементе конструкции возникают усилия, достаточные для уменьшения или исправления местного дефекта. Для устранения значительных деформаций одновременно с нагревом применяют механизированные средства — струбцины, домкраты, тиски и т. п. Нагрев ведут, как правило, со стороны выпуклой части деформированной поверхности (рис. 5). Детали охлаждают естественным путем на воздухе, но возможно водяное охлаждение для сталей, не склонных к закалке. Нагрев производят универсальными горелками типа ГЗ-3, работающими на ацетилене или газозаменителях.

Рис. 5. Места нагрева деформированного участка

Техника правки состоит в следующем. Сначала выбирают участок нагрева и определяют ширину зоны нагрева. Эта зона должна составлять 0,5—2 толщины листа. Нагревают выбранную зону пламенем горелки до температуры 250—650 °C в зависимости от величины прогиба. Следует учитывать, что температура нагрева не должна превышать температуру начала структурных превращений исправляемого металла.