Деформации и напряжения при сварке- Определение сварочных напряжений и деформаций: причины, виды, способы

Сварное напряжение – это напряжение, приложенное к поперечному сечению. Направления напряжений следующие:

• Растяжение;
• Изгиб
• Кручение
• Сжатие;
• Сдвиг.

Деформация сварного шва – это искажение формы под действием приложенных сил. Деформация не возникает сразу после окончания сварки, но может появиться из-за увеличения нагрузок в процессе эксплуатации. В лучшем случае снижается коррозионная стойкость, а в худшем – разрушается конструкция.

Диаграмма, наглядно показывающая деформацию сварного соединения во время сварки и после охлаждения.

Напряжение в сварном шве – это напряжение, приложенное к поперечному сечению.

Деформация сварного шва – это искажение формы под действием приложенной силы.

Причины возникновения

Причины возникновения сварочных деформаций и напряжений можно разделить на две основные и побочные. К первым относятся те, которые возникают в процессе сварки и поэтому являются неизбежными. Вторые необходимо предотвращать.

Основные причины являются следствием

1. неравномерного нагрева сварного шва и прилегающих к нему участков. Более горячие металлы расширяются сильнее, чем более холодные, поэтому между слоями разной температуры начинают концентрироваться напряжения. Их величина зависит от степени нагрева и коэффициента теплового расширения. Чем больше эти значения, тем выше вероятность нарушения формы конструкции.
2. Усадка. При переходе металла из жидкой фазы в твердую в процессе послесварочного охлаждения происходит уменьшение его объема. Этот процесс сопровождается растяжением сопряженных деталей с образованием напряжений вдоль или поперек сварного шва. Продольные напряжения изменяют длину шва, а поперечные способствуют образованию угловых деформаций.
3. структурные изменения. При сварке высокоуглеродистых и легированных сталей при высокой температуре происходит закалка, сопровождающаяся изменением объема и коэффициента теплового расширения. Это явление приводит к возникновению напряжений и образованию трещин внутри и на поверхности сварного шва. Для сталей с содержанием углерода менее 0,35% структурные изменения очень незначительны и не оказывают существенного влияния на качество сварного соединения.

К вторичным причинам относятся:

• Неправильный выбор электрода или способа сварки, недостаточная подготовка детали перед сваркой и другие технические нарушения;
• Неправильный выбор типа сварного шва, малые расстояния между швами, слишком большое количество пересечений и другие конструктивные ошибки;
• Недостаточный опыт сварщика. Классификация напряжений и деформаций

В зависимости от источника напряжения классифицируются как термические или структурные. Первые возникают при нагреве/охлаждении, вторые – при структурной перестройке металла. При сварке легированных и высокоуглеродистых сталей они возникают совместно.

В зависимости от места действия напряжения располагаются на границах структуры металла, кристаллических зерен и кристаллической решетки. В зависимости от вида напряженного состояния их называют:

• Линейные напряжения, действующие в одном направлении;
• Плоские напряжения: действующие в двух направлениях; и
• Объемные: распространяющиеся вдоль трех осей.

По направлению продольные напряжения действуют вдоль сварного соединения, а поперечные – по вертикали.

Деформации конструкции, возникающие в процессе сварки, называются общими, а если изменяются только размеры и форма одного или нескольких элементов, то они называются местными. Влияние временных сварочных деформаций проявляется только в процессе соединения деталей. После охлаждения параметры формы приходят в норму. Остаточные сварочные деформации – это деформации сварного шва, которые остаются неизменными после удаления источника деформации. Если после окончания сварки геометрические параметры возвращаются к исходным значениям, то такая деформация называется упругой, если нет – пластической.

Как предотвратить ее возникновение

Для снижения величины сварочных напряжений и деформаций на этапе подготовки к работе специалисты рекомендуют следующее:

• Расчеты деформаций следует выполнять на этапе проектирования для правильного формирования сечения сварного шва и учета усадки;
• сварные швы располагать симметрично относительно оси узловой точки; и
• Не следует проектировать соединения, в которых три и более сварных шва пересекаются в одной точке;
• Перед сваркой необходимо проверить, что зазор в стыке не отклоняется от расчетного значения;
• Не следует выполнять сварку в зонах концентрации напряжений. Для снижения деформаций и напряжений в процессе работы используются следующие приемы:
• Создать в шве центр деформации в направлении, противоположном направлению сварки;

• Швы длиной более 1 м делятся на отрезки длиной 10-15 см и свариваются по методу “обратного шага”;
• Под шов подкладывают медную или графитовую подкладку для снижения температуры шва;
• Смежные швы следует сваривать так, чтобы деформации компенсировали друг друга;
• Для деталей из ковкого металла использовать методы, позволяющие минимизировать остаточные явления;
• Уменьшать размеры сварных швов, если это позволяют условия эксплуатации;
• По возможности выполнять сварку за меньшее количество проходов;
• Для двусторонних швов сваривать обе стороны поочередно;
• По окончании сварки необходимо вернуть кромки в исходное положение;
• Не следует широко использовать сварку встык;
• Для ускорения сборки и уменьшения величины деформации небольшие узлы следует сваривать кондукторами.

Для снятия напряжений применяют отжиг и механическую обработку. Первый способ используется в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую точность размеров. Местный или общий отжиг проводится в три стадии нагрева, выдержки и охлаждения до температуры 550-680⁰°C.

Для снятия механических напряжений используются ковка, прокатка, вибрация и взрыв, создающие нагрузки противоположного знака. Для горячей и холодной ковки используются пневматические молоты. Вибрационная обработка осуществляется с помощью оборудования, генерирующего колебания с частотой 10-120 Гц.

Методы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбираются в зависимости от размеров и формы детали, а также сложности конструкции.

Дефекты устраняются термическими, холодномеханическими и термомеханическими методами с локальным или общим нагревом. Для исправления термическими методами с полным отжигом конструкция фиксируется устройством, оказывающим давление на изгибаемую деталь, и нагревается в печи.

Методы локального нагрева основаны на сжатии металла при охлаждении. Для исправления дефектов изогнутый участок нагревается резаком или сварочной дугой. При этом прилегающий участок остается холодным, поэтому нагретая зона существенно не растягивается. После охлаждения растянутый участок исправляется.

Любая деформация может быть исправлена термическими методами, однако при работе с тонкостенными металлами необходимо учитывать их особенности:

• Тепло локального нагрева тонкостенного листового металла быстро распространяется по всей площади, поэтому величины сжимающего усилия недостаточно для исправления дефектов;
• Температура локального нагрева тонкостенных металлов не должна превышать 600-650°С. Это связано с тем, что с повышением температуры начинается пластическая деформация даже при отсутствии напряжения.

При механической правке растянутая деталь под действием внешних нагрузок деформируется в противоположном направлении. Дефекты устраняются путем гибки, прокатки, растяжения, ковки или прокатки роликами.

Термомеханическая правка осуществляется путем нагрева растягиваемого участка до 700-800⁰°C и воздействия на него внешних факторов. Для правки участков с большим удлинением сначала из излишков металла холодной правкой формируют куполообразные выступы. Затем производится индивидуальный нагрев и быстрое охлаждение.

Метод снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирается в зависимости от размеров и формы детали, а также сложности конструкции. При этом учитывается эффективность метода, трудоемкость и экономические затраты.