Лекция № причины возникновения и виды сварочных напряжений и деформаций

Литейная усадка: особенности

Простейшие типы сварных стыковых соединений в элементах оболочек.

Усадка металла неизбежна, когда на него воздействует температура непосредственно при сварке и последующем охлаждении. Сама усадка определяется взаимосвязью между плотностью и объемом. При застывании металл становится плотным, значит, менее объемным. Так как металл, расположенный на шве с основным элементом изделия, который сохранил свой объем, расплавлен, то в самом шве образуются напряжения внутреннего характера.

В процессе проведения сварки образуются продольные и поперечные усадки плавящегося металла. Шов испытывает давление соответствующего направления, что может вызвать деформацию в продольном направлении и в углах.

Напряжения, которые образуются в металле, при сваривании деталей могут быть появляться не только под влиянием высоких температур. Они могут обуславливаться изменениями и превращениями, протекающими в структуре металла, который подвержен высокотемпературному воздействию. Такие напряжения нагляднее всего проявляются при сварке элементов, которые выполнены из углеродистых марок стали.

Схема деформации стержня с различными условиями закрепления при нагреве.

Если детали выполнены из низкоуглеродистой стали, то изменение объема в результате сварочных работ протекает без напряжений, которые могут возникнуть в процессе охлаждения. Если необходимо выполнить сварной шов между деталями из легированной стали, то воздействие высокой температуры способно вызвать структурные напряжения.

Эти растягивающие напряжения образуют дополнительные деформации, которые способны образовывать трещины в самом соединении. Это связано с тем, что легированная сталь обладает хорошей прочностью, но меньшей пластичностью. Поэтому для выполнения сварки деталей из закаленной стали разрабатывается специальный процесс, который технологически очень трудоемкий и энергозатратный.

Методы уменьшения сварочных напряжений и деформации.

Понятно, что такие факторы, как сварочные напряжения и деформация, отрицательно сказываются на прочностных характеристиках сварных изделий. Иногда внутреннее напряжение, возникающее в сварном шве, оказывается настолько велико, что при добавлении каких-то внешних факторов, негативно действующих на сварной шов, могут привести к разрушению всей сварной конструкции

Именно поэтому на эти моменты и обращают особое внимание опытные сварщики, применяя различные приемы, помогающие снизить сварочные напряжения и уменьшить деформацию. К таким приемам относятся:

  • внимательный подход к выбору конструкции сварного изделия
  • правильный выбор месторасположения сварных швов
  • выбор последовательности выполнения сварных швов, если для получения сварной конструкции их требуется несколько. При этом стоит учитывать, что последовательность швов должна допускать не затрудненную ничем деформацию всего изделия. То есть, если приходится сваривать изделие, состоящее из нескольких листов, то сначала надо сварить все поперечные швы, а потом соединять листы сварными швами между собой.

выбор правильного режима сварки

Для снижения деформации и внутреннего напряжения металла очень важно правильно выбрать способ выполнения сварных швов и наиболее подходящую их разновидность. Сварные швы, отличающиеся значительной длиной, следует выполнять обратноступенчатым методом

Если требуется выполнить сварку, состоящую из нескольких слоев, то в этом случае лучше всего подойдет каскадный способ сварки или так называемая «горка». При этом следует учитывать направление деформации, вызванной тем или иным швом – каждый последующий шов должен вызывать деформацию, направление которой строго противоположно направлению деформации, вызванной предыдущим швом.

Кроме того, для уменьшения деформаций, вызываемых неравномерным прогревом изделий из металла, можно применить такой метод, как предварительный нагрев всего изделия – это уменьшит разницу температур в свариваемой зоне и в зоне, не затронутой сваркой, что приведет к значительному снижению внутреннего напряжения металла.

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:

  • разрушающий. Позволяет исследовать физические качества сварного шва, активно применятся на производственных предприятиях;
  • неразрушающий. Проводится посредством внешнего осмотра, капиллярного метода, магнитной или ультразвуковой дефектоскопии, контролем на проницаемость и другими способами.

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.

Причины появления

Главные причины возникновения напряжений и сварочных деформаций такие:

  • неоднородный нагрев металлических заготовок;
  • усадочные изменения сплава в сварном шве;
  • фазовые изменения, возникающие при переходе расплавленного металла из одного состояния в другое.

Одним из свойств металлов является их способность расширяться при повышении температуры и сжиматься при охлаждении. При плавлении в области сварочного соединения появляется неоднородная термозона.

Она вызывает напряжения сжимающего или растягивающего свойства. Если эти напряжения превышают предел текучести металла, то происходит изменение формы изделия, возникают остаточные деформации.

Разновидности деформаций зависят от того, в каких объемах они проявляются. Выделяют три рода. Деформации первого рода действуют в макрообъемах, деформации второго рода происходят в пределах кристаллических зерен, а третьего рода происходят в кристаллической решетке металла.

Деформации и напряжения при сварке возникают и при кристаллизации сварного шва, когда происходит усадка жидкого металла. Объем остывающего жидкого металла уменьшается, это вызывает напряжения внутри металла. Параллельно и перпендикулярно оси сварочного шва формируются напряжения, которые вызывают изменение формы изделия. Продольные силы вызывают изменения длины сварного шва, а поперечные приводят к угловым деформациям.

https://youtube.com/watch?v=peJ5NMXYuKg

При превышении определенных предельных температур при сваривании углеродистых и легированных сталей происходит их структурное превращение. У них появляется другой удельный объем и изменяется коэффициент линейного расширения, что приводит к огромным сварочным напряжениям.

Самые большие из них возникают в легированных сталях. В них образуются закалочные структуры, которые при охлаждении не возвращаются к прежней структуре металла, как в большинстве случаев, а сохраняют колоссальные напряжения могущие привести к разрушению сварного шва.

Для этих сплавов разрабатываются специальные технологические процессы, снижающие остаточные напряжения и деформации.

Влияние пористости швов на характеристики сварных соединений

Поры в сварном шве влияют на плотность и механические характеристики сварного соединения. Присутствие пор в шве приводит к уменьшению фактического поперечного сечения шва и, как следствие, к ухудшению механических характеристик сварного соединения в целом. При уменьшении сечения шва до 5% предел текучести, относительное удлинение и угол загиба существенно не изменяются. Более высокая пористость приводит к резкому снижению упомянутых характеристик. Механические свойства сварных соединений высокопрочной стали более подвержены влиянию пористости, чем низкоуглеродистой. Пористость больше сказывается на свойствах угловых швов и меньше — стыковых. При испытании на статический изгиб даже мелкие поры вызывают надрывы, если они расположены близко к поверхности шва. Влияние пор на сопротивление усталости сварных соединений при переменных нагрузках значительнее, чем при статических испытаниях. Установлено, если поры уменьшают площадь поперечного сечения шва всего на 0,8%, то сопротивление усталости сварного соединения снижается на 20%. При более значительном уменьшении сечения сопротивление усталости сварного соединения снижается почти в три раза. Наличие пор в продольных швах менее опасно, чем в поперечных, особенно при низких рабочих напряжениях. Поры, выходящие на поверхность шва (свищи), уменьшают коррозионную стойкость сварного соединения. Требования к качеству сварных швов устанавливаются стандартами, техническими условиями и правилами по контролю и приемке сварных соединений. Допустимость по количеству, размерам и распределению пор решается в зависимости от условий эксплуатации сварных конструкций. Пористость швов не допускается в сварных сосудах, работающих под давлением или вакуумом, а также предназначенных для хранения и перевозки жидких и газообразных продуктов.

Если количество, размер и распределение пор в швах не превышают требований допустимых норм, это не приводит к потере несущей способности сварной конструкции. Для обнаружения пор в швах применяются следующие методы:

  • внешний осмотр;
  • осмотр изломов швов, полученных при сварке технологических проб;
  • осмотр микрошлифов;
  • ультразвуковой контроль;
  • радиографический контроль.

§ 42. Методы борьбы со сварочными деформациями и напряжениями

Рациональное конструирование сварных узлов. Рабочие чертежи сварных конструкций следует разрабатывать с учетом мероприятий по уменьшению сварочных напряжений и деформаций. Для этого сварные соединения конструируют таким образом, чтобы объем наплавленного металла был минимальным. Например, при толщине металла более 12 мм следует применять X- и К-образную подготовку кромок. С этой же целью заменяют прерывистые соединения на сплошные швы меньшего сечения. Выполняют стыковые швы при минимальном угле раскрытия шва и минимальном зазоре. Избегают резких переходов сечений, а также применяют преимущественно стыковые соединения и не допускают концентрации и пересечений сварных швов.

Технология сборки и сварки. Порядок сборки под сварку, способ сварки, режимы сварки и последовательность наложения шва по его длине и сечению оказывают значительное влияние на величину деформаций и напряжений при сварке. Чтобы уменьшить остаточные деформации и напряжения конструкций и изделий при сборке, по возможности не допускают скрепления узлов и деталей прихватками, которые создают жесткое закрепление. Для обеспечения подвижного состояния закрепленных деталей используют клиновые центровочные и другие сборочные приспособления.

На образование остаточных деформаций и напряжений значительное влияние оказывает способ сварки.

На величину и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций влияет погонная энергия сварки и режим сварки. Увеличение сечения шва, как правило, способствует росту деформаций. Величина остаточных деформаций и напряжений зависит и от порядка наложения швов по длине и сечению. Например, при сварке листовых конструкций вначале выполняют поперечные швы отдельных поясов, а затем соединяют пояса между собой.

Уравновешивание деформаций. Сущность этого способа заключается в том, что устанавливают определенную последовательность наложения швов, при которой деформации от предыдущих швов снижаются при выполнении последующих швов. Этот способ широко применяют при сварке стержневых конструкций или деталей симметричного сечения.

Обратные деформации. Перед сваркой конструкции или элемента для уменьшения остаточной деформации искусственно создают деформацию, обратную по знаку по отношению к той, которая может возникнуть при сварке. На рис. 51 показаны некоторые примеры использования обратной деформации.

Жесткое закрепление (рис. 52). Закрепление обеспечивает уменьшение сварочных деформаций по сравнению со сваркой в незакрепленном состоянии, если зона нагрева до температур выше 600 °С не превышает 0,15 общей ширины свариваемого элемента. Если зона нагрева будет более 0,15 ширины листа, то жесткое закрепление не уменьшает деформаций, а наоборот, может увеличить их по сравнению со сваркой в свободном состоянии.

Рис. 51. Схема создания обратного прогиба: а — свободных листов небольшой ширины, б — большой ширины, в — закрепленных листов

Рис. 52. Схема жесткого закрепления листов

Проковка швов и околошовной зоны. Проковка способствует снижению напряжений и деформаций. При выполнении проковки необходимо соблюдать следующие условия:

при многослойной сварке проковку выполнять послойно, а первый и последний слой не проковывать;

проковку следует выполнять на участке шва длиной 150 — 200 мм сразу же после сварки или после подогрева его до 150 -200° С;

при сварке металла толщиной более 16 мм необходимо проковывать и металл околошовной зоны.

Общий отжиг сварного изделия. Отжиг применяется для сталей, имеющих склонность к образованию закаленных зон вблизи сварного шва (особенно при большой толщине свариваемого металла), и для конструкций, работающих при знакопеременных нагрузках.

Механическая правка конструкций после сварки. Правку выполняют приложением ударной или статической нагрузкой при холодном или нагретом состоянии металла.

Термическая правка конструкций и изделий после сварки. Правка выполняется наплавкой валиков с обратной стороны шва или местным нагревом, производимым в особом для каждой конструкции порядке. Для получения сварных конструкций заданных проектных размеров необходимо давать припуски на усадку сварных швов. На один поперечный стыковой шов проката или листа толщиной 8 — 16 мм припуск должен составлять около 1 мм.

Мероприятия, способствующие снижению деформаций

Достичь сокращения сварочных напряжений и уменьшения деформации при соединении металлических образцов достаточно сложно. Для этого нужно предпринимать следующие меры:

  • Предварительно до начала сварных работ, еще в процессе проектирования металлоконструкции, анализируются последствия взаимодействия металлов при выполнении сварочных работ. Если подобранные материалы не сочетаются друг с другом, для выполнения соединения необходимо приложить большие усилия, сварочная процедура требует дополнительных материальных вложений, можно подобрать другой металл, уменьшить скорость выполнения шва, поменять конструкцию, сделать в ней минимальное число сварных швов.
  • При непосредственном проведении сварных работ нужно правильно организовать последовательность выполнения соединения деталей. Замыкающие швы конструкции должны производиться в самую последнюю очередь. При выполнении сварки вручную, когда сварные швы достаточно длинные, соединение необходимо выполнять в ступенчатом порядке, и максимально жестко скреплять между собой узлы.
  • Кроме этих мероприятий, непосредственно перед началом выполнения соединения изделий, можно незначительно повредить их кромки в направлении, обратном направлению предполагаемой деформации.
  • Если предварительно соединяемые металлические детали незначительно подогреть, сварочные деформации металла шва будут минимальными. Сварочное напряжение, на которое не обратили внимания в период проведения сварочных работ, способно отрицательно повлиять на жесткость, прочность соединяемой конструкции.

Классификация напряжений и деформаций

Основной причиной возникновения сварочных напряжений и деформаций является неравномерность свойств соединяемых деталей. Различают внутренние (остаточные) и поверхностные напряжения. Первые образуются в сваренных деталях при их охлаждении. Они вызывают коробление конструкций, а при повышенных параметрах твердости могут приводить к появлению внутренних разрывов в металле. Такие напряжения опасны по следующим причинам:

  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.

Следствием действия напряжений являются возникающие деформации при сварке. Они могут быть упругими и пластическими. Упругие деформации возникают в результате действия поверхностных напряжений, когда линейные и объемные параметры металла изменяются: увеличиваются в процессе сварки и уменьшаются при охлаждении зоны сварного шва. Пластические деформации — следствие необратимых изменений формы изделия под воздействием внутренних напряжений, превысивших предел прочности металла.

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.

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.

Как предотвратить возникновение

Для снижения величины сварочных напряжений и деформаций при подготовке к работе специалисты рекомендуют:

  • при проектировании выполнять расчет деформаций для правильного формирования сечения сварочных швов, припусков для усадки;
  • располагать швы симметрично по отношению к осям узлов;
  • не проектировать соединения так, чтобы больше трех швов пересекались в одной точке;
  • прежде чем приступить к сварке, проверить, нет ли отклонений величины зазоров на стыках от расчетных величин;
  • не проводить швы через места концентрации напряжений.

Для уменьшения деформаций и напряжений во время работы применяют следующие приемы:

  • создавать на соединениях очаги дополнительной деформации с действием, противоположным сварке;
  • швы длиной больше 1 м разбивать на отрезки длиной 10 — 15 см и сваривать обратноступенчатым методом;
  • подкладывать под стыки медные или графитовые прокладки для снижения температуры сварочной зоны;
  • соседние швы сваривать так, чтобы деформации компенсировали друг друга;
  • для сварки деталей из вязкого металла применять технологии, которые обеспечивают снижение величины остаточных явлений;
  • делать размер швов меньше, если это допускается условиями эксплуатации;
  • по возможности выполнять соединения с меньшим числом проходов;
  • при наложении двухсторонних швов слои наплавлять попеременно с каждой стороны;
  • предварительно выгибать края заготовок в направлении, противоположном действию деформации, когда сварка завершится, они вернутся в исходное положение;
  • не делать много прихваток;
  • для ускорения сборки и снижения величины деформаций небольшие узлы сваривать в кондукторах.

Основные причины возникновения сварочных напряжений и деформации.

Строго говоря, сварочные напряжения и деформация могут возникать по целому ряду причин, но среди основных причин появления этих факторов можно назвать

  • выборочное или неравномерное прогревание и охлаждение металла
  • литейную усадку металла
  • структурные изменения, появляющиеся в сварном шве.

Как известно, при нагревании металл расширяется. Во время сварки происходит неравномерное прогревание и охлаждение металла – то есть, прогревается только та его часть, которая непосредственно задействована в формировании сварного шва. Та часть изделия, которая сильно прогревается, начинает расширяться  и оказывать свое воздействие на металл близлежащей зоны, который сильно отличается по своей температуре. То воздействие, которое при этом оказывается на менее нагретые участки металла, то есть, степень его деформации, зависит от теплопроводности самого металла – чем ниже теплопроводность, тем более мощное напряжение возникает в металле, и тем сильнее он деформируется. Также степень деформации зависит и от той температуры, до которой разогревается металл во время сварки.

Литейная усадка появляется в сварном шве в тот момент, когда металл, остывая, начинает сжиматься. Это приводит к тому, что на этом участке металла образуются силы, которые «тянут» за собой близлежащие участки, что также приводит к напряжению и деформации металла. Степень такого воздействия зависит от количества разогретого металла – чем его меньше, тем меньшее воздействие оказывается, а значит, и меньшая деформация происходит.

Структурные изменения в сварном шве могут оказывать как растягивающее, так и сжимающее воздействие на соседние участки металла, так как они могут привести как к увеличению объема металла, так и к его снижению – все зависит от вида металла, который принимал участие в формировании сварного шва. Например, при сварке углеродистых сталей структурные изменения в сварном шве приводят к снижению объема металла. И чем больше содержание углерода в составе такой стали, тем большие изменения объема металла происходят вследствие таких изменений, что может привести даже к образованию трещин на поверхности металлического, подвергаемого сварке изделия.

Неравномерное нагревание метала при сварке

Меры предупреждения деформирования сварных изделий.

Все металлы, согласно своим характеристикам, расширяются в результате нагревания длительного или краткосрочного, а в процессе остывания происходит сжатие. Процесс сварки, который выполняется плавлением металла, отличающийся интенсивным нагреванием металла в месте сварного соединения, образует прерывистое температурное поле в месте прохождения шва. Если связь между нагретыми и привариваемыми участками непрерывна, в местах прокладки сварного шва образуются сжимающие напряжения, которые одновременны с растягивающими напряжениями металла внутреннего вида.

Если расположить один и свариваемых элементов в свободном положении, то при местном воздействии высокой длина незакрепленного элемента может увеличиться на определенную длину. Это увеличение зависит от линейной способности металла к расширению, а также величины участка, на который происходит высокотемпературное воздействие.

После сварки, в процессе охлаждения, образовавшееся удлинение станет уменьшаться и постепенно станет равно 0, когда температура металла вернется к первоначальной величине. В результате, когда охлаждение завершено, деталь, которая располагалась сверху, не будет испытывать внутренних напряжений, а деформация остаточного типа будет полностью отсутствовать. Если верхнюю деталь закрепить жестко относительно нижней при осуществлении сварного шва, у нее не будет возможности удлиняться на требуемую величину в процессе воздействия высокой температуры. Поэтому в металле верхней детали образуется сжимающее напряжение внутреннего вида.

Остаточные напряжения и деформации при сварке.

Далее металл в месте прокладки сварного шва станет более толстым. Напряжения металла после этого частично уйдут. В результате охлаждения металлу верхней детали необходимо сжиматься, но жесткое скрепление деталей между собой препятствуют нормальному протеканию сжатия. Поэтому в металле образуются растягивающие напряжения.

Давление металла внутреннего характера и деформация происходят, если процесс ведется методом наплавления валика на кромку пластины. Валик и элемент пластины, которая нагревается в процессе выполнения самого соединения, станут расширяться, тем самым вызовут растягивание холодной части металлической пластины. При этом воздействии пластина будет подвержена растяжению с изгибом. Валик и нагретая часть пластины останутся сжатыми, так как холодная часть изделия мешает их должному тепловому расширению. В результате металлическая пластина выгнется выпуклой частью вверх.

Когда начнется процесс охлаждения, валик и горячая часть металлической пластины, которые испытали пластическую деформацию, начнут уменьшаться в размерах. Но холодный слой пластины будет этому процессу противодействовать. Наплавленный металл и нагретые элементы металлической пластины прогнутся выпуклой частью вниз, напряжения остаточного характера при этом процессе перераспределятся. При выполнении сварного соединения направленным валиком температурные изменения в нагреваемой и холодной частях металлической пластины протекают постепенно.

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:

при проектировании сварной конструкции сперва нужно провести расчет сварочных деформаций, что позволит правильно сформировать сечения швов и предусмотреть на отдельных участках изделия необходимые для усадки припуски;
швы нужно выполнять симметрично к профильным осям всего изделия и отдельных его деталей;
очень важно, чтобы в одной точке не было пересечений более чем трех швов;
перед свариванием конструкцию необходимо проверить на соответствие расчетам величин зазоров в стыках и общих размеров;
понизить остаточную деформацию можно, если создать в соединении искусственную деформацию, противоположную по знаку от выполняемой сварки. Для этого применяется общий или местный подогрев конструкции;
при выполнении длинных швов применять обратноступенчатый способ на проход;
использовать теплоотводящие прокладки или охлаждающие смеси, способные уменьшить зону разогрева;
накладывать швы таким образом, чтобы последующее соединение вызывало обратные от предыдущих швов деформации;
подбирать для вязких металлов такие сварочные техники, которые способны понизить конечные деформации.. 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

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.

Ссылка на основную публикацию