Деформации и напряжения при сварке: основные способы устранения
Сварщик должен следить не только за правильностью формы шва, но и предвидеть влияние сварки на будущую конструкцию. Поскольку во время электросваривания или работы газовой горелой металл локально нагревается до 3000-5000 ⁰С, а остальная часть остается холодной, возникают внутренние напряжения, деформирующие изделие. Такие физические явления не только портят внешний вид продукции, но и приводят к разрушению соединений, на которые оказывается дополнительная нагрузка. Рассмотрим более подробно, как возникают внутренние напряжения, каковы их виды и что делать для их предотвращения или устранения.
В этой статье:
- Причины напряжения и деформаций при сварке
- Возникновение напряжений и деформаций металла
- Как классифицируются деформациив процессе сварки
- Как предупредить деформацию при сварке
- Борьба с остаточным напряжением и деформациями
Что такое напряжение металла и деформации
Сперва дадим определения этим явлениям. Напряжение при сварке – это механическое воздействие, образующееся в зоне сварки, и влияющее на само соединение и окружающую конструкцию.Оно может быть:
- растягивающим;
- сжимающим;
- изгибающим;
- выкручивающим.
Деформации при сварке – это изменение формы конструкции из-за влияния внутренней силы (напряжения) или изменения структуры материала. Одни деформации возникают сразу, искажая параметры изделия, его плоскость и симметричность. Другие деформации проявляются позже в виде изменяющихся размеров, коррозии, разрушения сварочных швов.
Самый простой пример напряжения и деформации наблюдается при соединении двух тонких листов стали сплошным односторонним швом. В результате изделие теряет плоскость, поскольку листы выгибает и стягивает друг к другу, конструкция принимает V-образную форму. Чем больше швов, проходов и сложнее изделие, тем выше шанс образования внутренних напряжений.
От степени деформации зависит возможность дальнейшей эксплуатации конструкции. В некоторых случаях это становится невозможным или опасным, поэтому сварщики должны знать причины образования этих явлений, предупреждать их или исправлять, насколько возможно.
Почему возникают напряжения и деформации при сварке
Основная причина напряжения металла при сварке – линейное расширение от нагрева. Поскольку в зоне наложения шва материал сильно разогревается, а в остальных частях остается холодным или слегка теплым, возникает физическое воздействие. Когда шов остывает, он стягивается, увлекая за собой присоединенные стороны заготовки, что приводит к деформациям.
Напряжение неизбежно происходит при сваривании двух разных материалов, например обычной и углеродистой стали, или углеродистой и высоколегированной. У них разные температуры плавления, а соответственно, и коэффициенты теплового расширения. Один материал растягивает другой, если они плотно соединены.
Возможны структурные изменения, когда в процессе нагрева от сварки материал закаливается. Изменяется его плотность и объем, а напряжение воздействует на соседние участки, вызывая в них трещины. Это естественные последствия сварочного процесса, и ниже мы обсудим, как их предвидеть и предупредить.
Среди побочных причин напряжений и деформаций следующие:
- Резкое охлаждение материала заготовки.
- Сварщики спешат продолжить работу, но не могут держать сваренные детали из-за высокой температуры, поэтому окунают их в емкость с холодной водой или поливают сверху.
- Неправильные расчеты при сварке.
- Нужно учитывать, куда будет расширяться металл при нагреве и давать допуски для этого.
- Ошибки при сборке.
- Несоблюдение зазоров, указанных на чертежах, или сварка без разделки кромок там, где это необходимо, приводит к чрезмерным напряжениям и деформации конструкции.
- Малое расстояние между швами.
- Если накладывать швы близко друг ко другу, поверхность неизбежно перегреется и расширится, а затем стянется. При проектировании конструкции важно располагать швы на достаточном расстоянии от соседних соединений.
- Ошибки при выборе режима сварки.
- Слишком высокая сила тока, неправильно подобранный диаметр электрода, неверный угол удержания горелки приводят к перегревам деталей, искажая параметры конструкции.
- Ошибки при последовательности наложения швов.
- Опытные сварщики знают, что напряжением металла можно управлять, выравнивая изделие поочередным наложением швов в разных местах. Без строгой последовательности и чередования сторон нагрева изделие просто выгнется дугой.
Некоторые деформации в определенных конструкциях неизбежны, и их проявление можно только уменьшить. Другие – прямое следствие нарушения технологии выполнения работ, и наличие или отсутствие таких искривлений конструкции зависит только от опытности сварщика.
Как классифицируются деформации
Как мы увидели ранее, исходя из причин образования, напряжения и деформации бывают двух типов: тепловые и структурные. Первые связаны с воздействием высоких температур и охлаждением, а вторые – с изменением кристаллической решетки. Порой оба типа напряжения и деформаций возникают одновременно.
По месту появления напряжения могут быть местными (в шве, соединении, одном участке заготовки) или на всей конструкции. К примеру, неправильно сваренная емкость из листового металла получится вся буграми (стенки будут волнообразными) или бока станут вогнутыми.
По направленности деформаций различают: линейные (проявляются только в одном направлении), плоские (расходятся в разные стороны по плоскости) и объемные (затрагивают три оси конструкции).
По периоду действия напряжение бывает временным и остаточным. Первое возникает в процессе сварки и проходит после остывания деталей. Деформации, даже если они и появились, тоже исчезают, поэтому называются пластическими (металл сам принимает правильную форму). Во втором случае напряжение продолжает действовать в материале и после остывания деталей, а деформации от него считаются упругими.
Как предупредить деформацию при сварке
Зачастую сократить или предупредить образование деформаций при сварке можно на этапе проектирования и сборки, предусмотрев место для усадки материала. К примеру, сварщику необходимо соединить поперечными дугообразными или трапециевидными перемычками две стойки для сохранения межосевого расстояния точно 500 мм (или 400, 600 мм). При сборке разложите детали так, чтобы межосевое расстояние было 503 мм. После сварки возникнет напряжение, которое стянет стороны, и ширина по центру стоек станет точно 500 мм. Аналогично предусматриваются допуски и для других сторон, тогда изделие будет соответствовать параметрам, заданным на чертежах.
Другой пример сборки с предупреждением деформаций. К трубчатой стойке с толщиной стенки 1,5 мм требуется приварить 6-10 дополнительных элементов (патрубков), но все они будут расположены с одной стороны. Многочисленные швы сперва разогреют эту сторону, а затем стянут, неизбежно выгнув стойку. Понимая это, изначально согните ее немного в противоположную сторону. Лучше всего использовать шаблон с возможностью фиксации (прижимом), где под нижнюю центральную часть изделия подкладывают медные подложки толщиной 3-4 мм. К такой стойке приваривают остальные элементы, а после отпускания прижимов она становится ровной.
Конечно, в вышеприведенных примерах определить ширину допуска для последующего стягивания или толщину подложек для намеренного изгиба не получится на глаз. Здесь все зависит от количества швов и толщины свариваемого металла. Поэтому без специальных расчетов не обойтись. Но если изделие не слишком ответственное, можно определить допуски путем проб на черновых заготовках.
Среди других приемов, которыми пользуются сварщики для предупреждения деформаций, следующие:
- Попеременная постановка прихваток с двух сторон для сопротивления внутренним стягивающим силам.
- Разбиение длинных швов на более короткие.
- Сварка длинных отрезков обратноступенчатым методом.
- Сокращение длины стыков, если это не влияет на прочность конструкции.
- Сварка соседних параллельных швов в разных направлениях, чтобы напряжение от них компенсировало друг друга.
- Снижение температуры за счет уменьшения силы тока, сварки прерывистой дугой или импульсные сварочные аппараты (Pulse) (актуально для сварки алюминия и тонких металлов).
- Сокращение количества проходов, если есть такая возможность.
- Фиксация заготовок и узлов в кондукторах, предотвращающих смещение деталей во время сварки.
- Попеременная наплавка с каждой стороны в случае двухсторонней сварки.
- Снижение нагрева за счет расположения тонколистовых изделий на медных пластинах, забирающих тепло.
Важно не накладывать больше трех швов разной направленности рядом. На степень напряжения влияет форма конструкции. Например, С-образную раму автомобиля разрешено варить только вдоль (накладывать продольные швы), а не поперечные, иначе балка выгнется.
Борьба с остаточным напряжением и деформациями
Устранение остаточных напряжений, чтобы они не оказали влияния на соединения и всю конструкцию, наиболее эффективно происходят путем отжига. Изделие помещается в печь, камеру или подключается к источнику индукционного нагрева, и доводится до температуры 550-680 ⁰С. Для продукции из толстостенных материалов предусматривается определенное время отжига (от нескольких минут до нескольких часов), чтобы прогреть конструкцию в достаточной мере. Затем изделию дают медленно остыть вместе с печью.
Это может занять сутки и более, но только в таком случае полностью снимаются напряжения в высокопрочной стали. Если этого не сделать, внутренняя напряженность выйдет наружу, разрушив шов или околошовную зону.
Порой достаточно локального нагрева изделия для снятия напряжения. Это выполняют газовыми горелками или ручными резаками, подключенными к баллонам с пропаном и кислородом. Допустима температура 800 ⁰С и небольшой нажим на холодный край конструкции для придания правильного положения. С трубчатыми полыми элементами стоит быть особенно осторожными, чтобы не испортить окружность, сплюснув цилиндрическую часть.
Возникающие остаточные деформации устраняются механическим воздействием, создаваемым давлением. Для крупных толстых деталей используется гидрооборудование (пресс, штоки). Небольшие тонколистовые конструкции правятся ударами резиновых киянок, чтобы не оставить вмятин на поверхности металла. Воздействие должно быть обратно направленным.
Другой метод устранения деформаций механическим путем – прокатка материала или вальцовка. Подходит для листовых и плоских изделий. Благодаря системе роликов и валиков конструкция выгибается в обратную сторону.
Напряжения и деформации при сварке металлов неизбежны. Но понимая их природу и зная характерные особенности, можно научиться управлять ими и свести к минимуму. В других случаях важно знать, как исправить изделие, придав ему ровный, симметричный вид.
Ответы на вопросы: а не стать ли сварщиком – плюсы и минусы профессии
Купить
