Как избежать деформаций при сварке? Способы устранения сварочных деформаций

Статья Как избежать деформаций при сварке? Способы устранения сварочных деформаций является заключительным продолжением для статей Деформации и напряжения при сварке. Причины сварочных деформаций и напряжений и Виды деформаций и напряжений при сварке .

Для уменьшения внутренних деформаций и напряжений применяют ряд технологических приёмов по технике и очерёдности выполнения швов и их расположению, по выбору правильной конструкции изделия, по выбору режимов ручной дуговой сварки (или другого способа сварки).

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.

Техника сварки, позволяющая избежать сварочных деформаций

Существуют разные варианты техники сварки, позволяющие уменьшить сварочные напряжения и поводки. При выполнении сварочных швов большой длины, используют обратноступенчатый способ сварки на проход (схема а) на рисунке слева). При выполнении многослойной сварки, наплавляются каскадные сварные швы, или горкой. Каждый из этих слоёв (кроме первого и последнего) проковывают.

Кроме этого, сварные швы выполняются таким образом, чтобы каждый последующий шов вызывал напряжения, противоположные напряжениям от предыдущего шва (схемы б) и в) на рисунке слева).

Последовательность сварки не должна препятствовать возможной свободной деформации сварной металлоконструкции. Например, при сварке листового настила из металлических полос, необходимо, в первую очередь, сваривать листы в каждом слое настила, а затем сваривать слои между собой (см. рисунок справа).

При сварке вязких материалов, применяют способы сварки. позволяющие снизить остаточные напряжения. К таким способам относятся закрепление свариваемой детали в специальных приспособлениях. В таких приспособлениях свариваемые детали собирают, сваривают и остужают.

Кроме этого, применяют различные приёмы, позволяющие быстро отводить тепло от сварного изделия, например, при охлаждении под струёй воды, или отвод теплоты с помощью медных подкладок.

Если свариваемый металл склонен к формированию закалочных структур, то резкое охлаждение сварного шва и зоны термического влияния приводит к возникновению внутренних напряжений и образованию холодных трещин в металле .

Для того, чтобы уменьшить перепад температур в металле, пред сваркой выполняют предварительный подогрев. Если сварочные работы ведутся при низких температурах, то подогрев обязателен даже если выполняется сварка низкоуглеродистых сталей .

Термообработка после сварки для устранения напряжений и деформаций

Отпуск после сварки для снятия напряжений

При сварке углеродистых конструкционных сталей выполняют общий высокотемпературный отпуск. Для этого сварное изделие нагревают до температуры 630-650°C, выдерживают при этой температуре и охлаждают. Время выдержки определяется из расчёта 2-3мин на миллиметр толщины металла.

Охлаждение сварного соединения должно происходить медленно, чтобы при остывании вновь не возникли внутренние напряжения. Скорость охлаждения стали определяется, в зависимости от её химического состава. Чем больше в составе стали присутствует элементов, способствующих закалке, тем меньше скорость охлаждения при отпуске после сварки. Часто сварное соединение охлаждают вместе с печью до температуры 300°C, а затем на обычном воздухе.

Отжиг для устранения внутренних напряжений

Отжиг для устранения напряжений и деформаций при сварке выполняется полный или низкотемпературный. При полном отжиге сварное изделие нагревают до температуры 800-950°C, выдерживают и охлаждают вместе с печью. После такого отпуска вязкость и пластичность сварного шва увеличивается, а твёрдость уменьшается.

При низкотемпературном отпуске сварное соединение нагревают до температуры 600-650°C и охлаждают вместе с печью. При таком отпуске, нагрев металла происходит до температур, ниже критических, поэтому, преобразований в кристаллической структуре металла не происходит.

Аргонодуговая обработка для снятия остаточных напряжений

Для снятия остаточных напряжений и деформаций после сварки применяют аргонодуговую обработку. Суть её заключается в том, что переходную зону от сварного шва к основному металлу расплавляют неплавящимся электродом в среде аргона. При расплавлении этой переходной зоны напряжения, действующие между металлом шва и основным металлом, исчезают. При кристаллизации, они появятся вновь, но их величина будет намного меньше изначальной. Такой способ позволяет снизить остаточные напряжения до 70%. Кроме снижения напряжений, этот метод позволяет получить плавный переход от шва к основному металлу и это существенно увеличивает прочность конструкции.

Проковка сварного шва с целью уменьшения напряжений и устранения деформаций

Если в металле шва или близлежащих областях металла создать дополнительные пластические деформации, то можно полностью устранить остаточные напряжения и деформации при сварке. Для этого выполняют проковку сварных швов.

Проковывают сварное соединение во время его остывания при температурах выше 450°C, либо ниже 150°C. При температурах от 200°C до 400°C проковку не выполняют из-за повышенного риска образования надрывов.

Проковывают швы вручную, молотком, массой около 1кг. Допускается применять пневматический молоток. В случае выполнения многослойных швов, не выполняют проковку последнего слоя и первого, на котором от ударов возможно образование трещин. Таким способом снимают напряжения в металле при заварке дефектов или при выполнении замыкающего сварного шва.

Термическая правка металла

Для устранения сварочных деформаций может применяться термическая правка, при которой нагрев сварного соединения происходит газовым пламенем, либо электрической дугой от неплавящегося электрода. При термической правке металл нагревается до температуры 750-850°C и начинает стремительно расширяться. Но, окружающие его холодные слои металла препятствуют его расширению и вызывают пластическую деформацию данного участка. При охлаждении, металл нагретого участка сжимается, и в нём происходит частичное или полное устранение деформаций.

Механическая правка сварного соединения

При сварке тонкого металла (до 3мм) правка производится вручную, с помощью молотка. При больших толщинах металла применяют прессы. Этот способ устранения сварочных деформаций не нашёл широкого применения, т.к. термическая правка является более целесообразным способом.

После механической правки на поверхности металла остаётся местный наклёп и предел текучести на этом участке повышается. При этом, пластичность стали снижается. Подобная неоднородность механических свойств негативно отражается на статической прочности всей металлоконструкции и при её работе под переменными нагрузками.

Дополнительные материалы по теме:

Мероприятия по уменьшению деформаций при сварке

Образование остаточных напряжений и деформаций при сварке вызывается одной и той же причиной, именно появлением внутренних усилий при местном нагреве металла до пластического состояния. Оба эти явления находятся во взаимной связи между собой, но пpoявляются при сварке конструкций в различной степени и во многих случаях в противоположных направлениях.

В сварных конструкциях, изготовленных без заметных искривлений, остаточные напряжения растяжения достигают весьма высоких значений. Наоборот, в сильно деформированных при сварке конструкциях величина остаточных напряжений растяжения понижена. Вследствие этого некоторые мероприятия по уменьшению остаточных деформаций противоположны мероприятиям по уменьшению остаточных напряжений. Все же в числе мероприятий по уменьшению остаточных напряжений растяжения есть такие, которые ведут к уменьшению деформаций. Мероприятия по борьбе с деформациями можно разделить на три вида: конструктивные, технологические, проводимые в процессе сварки, и технологические, проводимые после сварки.

Основное внимание при изготовлении сварных конструкций необходимо сосредоточить на мероприятиях конструктивных и технологических, выполняемых в процессе сварки. Что касается мероприятий по уменьшению деформаций после сварки, которые главным образом сводятся к холодной и горячей правке искривленных сваркой изделий, то применение их на практике нерационально. Холодную или горячую правку после сварки можно применять только в крайних случаях, так как холодная и горячая правка, помимо дополнительных трудоемких операций, приводят к увеличению остаточных напряжений растяжения в активной зоне и к исчерпыванию пластических свойств в металле шва. Последнее понижает вибрационную и ударную выносливость сварных конструкций и приводит иногда к разрывам и трещинам в процессе правки или эксплуатации. Для ответственных конструкций холодная и горячая правка не опасна и безвредна только в том случае, если после правки производится снятие напряжений путем термического отпуска.

Главная цель конструктивных и технологических мероприятий, выполняемых в процессе сварки, состоит в том, чтобы не допустить искривления продольной и поперечной осей конструкции и чтобы избежать выпучивания или волнистости листов от потери устойчивости. К числу конструктивных мероприятий относятся следующие:

1. Сечение швов не должно быть больше, чем требуется по условиям прочности.

2. Швы необходимо располагать возможно ближе к осям, проходящим через центр тяжести изделия, или на самих осях.

3. Центр тяжести поперечных сечений двух параллельных швов должен совпадать с центром тяжести поперечного сечения свариваемой конструкции.

4. Количество швов в конструкции следует проектировать возможно меньшее для уменьшения усадочных усилий, действующих в ней.

5. Припуски деталей на усадку должны быть установлены правильно, чтобы после сварки размеры конструкции соответствовали запроектированным.

6. Для ограничения угловой деформации, т. е. выхода деталей из плоскости соединения, необходимо уменьшать угол раскроя V-образных швов или применять X-образные швы при больших толщинах свариваемых листов.

7. Предусматривать в кондукторах зажимы для правильной установки деталей при сборке. Причем характер действия зажимов должен обеспечивать свободное перемещение деталей в их плоскости по направлению поперечной усадки и задерживать повороты деталей, т. е. препятствовать угловой деформации.

8. В конструкциях коробчатого сечения и в плоских конструкциях, имеющих замкнутые контуры сварных швов, с целью ограничения возможных выпучин или вогнутостей в листовых деталях от потери устойчивости необходимо предусматривать постановку ограничений в виде распорок, диафрагм ребер жесткости.

В правильно запроектированной конструкции с симметричным расположением соединяемых деталей при наличии рациональных приспособлений коробление может быть совсем устранено или сведено к минимуму путем соответствующей последовательности наложения швов. К технологическим мероприятиям по уменьшению деформаций, проводимым в процессе сварки относятся следующие:

1. Правильный выбор режима сварки. Режим сварки должен быть выбран таким, чтобы ширина активной зоны была возможно меньше. Для этого следует повышать скорость сварки, чтобы удельная энергия нагрева была меньше. Для равномерного нагрева металла по толщине целесообразно повышать плотность тока, чтобы провар металла был глубоким. Глубокий провар поясных швов тавровых и стыковых соединений ведет к выравниванию поперечной усадки по толщине шва и уменьшению угловой деформации. В некоторых случаях при выполнении второго из двух симметричных относительно оси изделия швов целесообразно повышать режим сварки для увеличения активной зоны, чтобы усилиями второго шва полностью устранить прогиб, вызванный наложением первого шва.

2. Наложение швов вести в таком порядке, при котором деформирование от предыдущего шва ликвидируется обратной деформацией после наложения последующего шва. Противоположные параллельные швы во многих случаях целесообразно выполнять одновременно или попеременно участками.

3. При обратноступенчатом методе сварки деформация меньше, так как внутренние усилия, порождаемые усадкой на участках шва, действуют на сравнительно небольшие области металла и на соседних участках они направлены в противоположные стороны.

4. Проковка швов в процессе сварки заметно уменьшает деформации. Проковка уплотняет шов путем расплющивания остывающего слоя наплавки и в результате уменьшает действие усадки шва. Последний облицовочный слой шва проковывать не рекомендуется, чтобы не вызвать появления трещин на поверхности шва.

5. Предварительный подогрев всего свариваемого изделия ведет к понижению остаточных напряжений и уменьшению остаточных деформаций.

6. Искусственное охлаждение разогретого металла путем теплоотводящих подкладок или при помощи проточной воды уменьшает активную зону и снижает продольную усадку. Однако такое мероприятие при одностороннем действии может вызвать неравномерность нагрева по толщине металла и способствовать появлению угловой деформации.

7. Для устранения прогиба применяют предварительный выгиб свариваемых изделия. Пластический обратный выгиб перед сваркой ограничивает изгиб после окончания сварки. Действие момента от усадочного усилия при сварке уравновешивается упругим противодействием волокон удаленного от шва края изделия, в которых при предварительном выгибе образовались пластические деформации сжатия.

8. Стыки тонколистовых соединений резервуаров и оболочек целесообразно сваривать на магнитных стендах. Магнитные стенды не препятствуют поперечной усадке в плоскости листов, но удерживают листы от поворота и уменьшают угловую деформацию. Последующая вальцовка полотнищ для придания им цилиндрической формы значительно устраняет угловые деформации и местное выпучивание листов.

9. При сварке тонких листов по замкнутому контуру средняя область листа, подвергаясь всестороннему сжатию от действия усадочных усилий вдоль шва, выпучивается от потери устойчивости. Для избежания выпучивания целесообразно перед сваркой произвести местный подогрев средней области листа, т. е. нагрев места листа, в котором ожидается вершина выпучивания.

10. Для уменьшения коробления и появления волнистости на свободной кромке широкого листа при приварке его другой кромки к какой-либо детали у свободной кромки прихватывают временные жесткости в виде уголков или полос, которые после сварки удаляют.

11. Сварка деталей в закрепленном положении и сварка в кондукторах снижает остаточные деформации.

12. Для устранения выпучивания или волнистости от потери устойчивости тонколистовыми элементами сварной конструкции весьма эффективным мероприятием является предварительное растяжение тонких листов и приварка их в растянутом состоянии к другим элементам конструкции или сварка в растянутом состоянии друг с другом. В результате остаточные реактивные напряжения осевого сжатия значительно уменьшаются, и явление потери устойчивости устраняется.

Мероприятия по устранению деформаций после сварки состоят в холодной и горячей правке сварных конструкций. Холодная правка достигается образованием пластических деформаций растяжения в металле шва и пластического сжатия волокон основного металла на противоположной шву стороне изделия путем выгиба изделия в обратную сторону. В результате холодного гиба в подвергавшихся сжатию волокнах основного металла образуются остаточные напряжения растяжения, которые уравновешивают действие усадочного усилия и держат изделие в выпрямленном состоянии. Метод громоздкий, требует больших усилий, и при этом исчерпывается запас пластических свойств наплавленного металла. Возможно также образование трещин и разрывов в сварных швах в процессе правки.

Горячая правка производится местным нагревом до пластического состояния выпуклой стороны изделия. После остывания в местах нагрева появляются остаточные напряжения растяжения, которые распрямляют изделие и держат его в выпрямленном состоянии. При горячей правке местный нагрев производят газопламенной горелкой секторов или наложением холостого валика на поверхности изделия в точках. Горячая правка, как и холодная, ведет к повышению остаточных напряжений в сварных швах и к исчерпыванию пластических свойств в активной зоне, поэтому после холодной и горячей правки целесообразно для снятия остаточных напряжений производить термический отпуск сварного изделия.

Технология выполнения основных операций сборки и сварки металлоконструкций. Напряжения и деформации при сварке и их устранение.

В процессе сварки под действием неравномерного нагрева основного металла, усадки металла шва и структурных изменений в конструкциях возникают внутренние напряжения, вызывающие их деформации. Внутренние напряжения часто вызывают коробление конструкций, создают выпучины, искривления, а в листовых конструкциях вызывают волнистость листов. Так, усадка металла шва приводит к возникновению растягивающих напряжений в соседних участках конструкции. Усадку измеряют в процентах от первоначального линейного размера, и для различных металлов она различна: малоуглеродистая сталь 2,0 серый чугун 0,7 —0,8 алюминий 1,7 —1,8 медь 2,1 латунь 2,06 бронза 1,45 —1,6.

Возникающие при сварке деформации в значительной степени изучены и могут быть предотвращены или уменьшены путем соблюдения определенных требований.

Эти требования, в основном, заключаются в следующем:

1. для создания взаимно уравновешенных деформаций при сварке необходимо применять двухстороннюю сварку, Х - образную разделку кромок и автоматическую сварку под флюсом без скоса кромок
2. при сварке необходимо закреплять свариваемые элементы путем прихватки либо прижимными устройствами
3. в некоторых случаях конструкции необходимо сваривать с предварительной деформацией, обратной по знаку сварочным деформациям, либо установкой конструкций в свободном состоянии под углом с целью создания противодействующего момента
4. сварку элементов необходимо вести на оптимальных режимах, обеспечивающих быструю и высокую концентрацию тепла
5. усиленно охлаждать сварное соединение — медные подкладки, водяное охлаждение и т. п.
6. при заполнении разделки длинными участками каждый предыдущий слой до наложения последующего успевает значительно охлаждаться, что приводит к появлению деформаций. Применение метода обратноступенчатой сварки при выполнении швов большой протяженности способствует более равномерному распределению напряжений, сокращению деформаций вследствие создания равномерного остывания заваренных участков и уменьшения температурного перепада между участками
7. для уменьшения концентрации напряжений необходимо избегать перекрещивающихся швов и сварных соединений с накладками
8. необходимо соблюдать определенную последовательность наложения швов и направления сварки, влияющих на характер и величину деформаций элементов и коробления всей конструкции.

Сварку необходимо выполнять в такой последовательности, чтобы соединение, определяющее базовый размер, сваривалось последним. При этом все неточности, вызванные предыдущими операциями сварки, компенсируются в последнем соединении, которое обычно делается внахлестку. Этот способ широко применяют при изготовлении опор, рам, стрел и пр.

Стыковые швы, дающие большую усадку, следует варить первыми, а затем уже валиковые швы. Ребра жесткости и косынки, увеличивающие жесткость конструкции, рекомендуется варить по возможности в последнюю очередь.

Сборка конструкций из сталей, не чувствительных к термическому воздействию, осуществляется на прихватках, которые не вырубаются перед сваркой. Если сталь чувствительна к термическому воздействию, то сварка на прихватках запрещается. Выполняют прихватки электродами того же типа, что и сварку данного изделия. Сечение шва прихватки не должно превышать одной трети сечения шва (максимальное сечение шва - прихватки должно быть не более 25 —30 мм2). Длину прихватки обычно берут в пределах 20 —120 мм, расстояние между ними 500 —800 мм. Прихватки рекомендуется накладывать со стороны, обратной наложению первого слоя основного шва. Порядок наложения прихваток регламентируется техническими условиями. При получении после сварки деформированных конструкций и деталей допускается применять различные специальные способы ручной, механической и термической правки.

В практике заводов деформированные металлоконструкции выправляют с помощью струбцин, винтовых домкратов и местным тепловым воздействием.

Правка местным нагревом доступна любому предприятию, но она требует исполнителей высокой квалификации и соответствующего навыка. При местном нагреве металл, расширяясь, встречает противодействие окружающих его холодных участков, вследствие этого в нагретых участках металла возникают пластические деформации сжатия. При охлаждении в результате усадки металла линейные размеры нагретого участка уменьшаются и возникающие силы растяжения выпрямляют деформированный участок. Это явление и используют для правки деформированных сварных соединений.

Металл нагревают газовым пламенем или угольным электродом до пластического состояния. Нагревать металл следует с выпуклой стороны и правку необходимо производить последовательно путем нескольких нагревов, причем не следует нагревать одно и то же место дважды. Правка нагревом считается правильной, если после первого нагрева деформация уменьшилась в 2 раза. В том случае, когда действия одних сил растяжения для устранения деформаций недостаточны, их усиливают наложением дополнительных технологических грузов. После этого нагревают и оставляют конструкцию под действием нагрузки до полного охлаждения. Иногда после нагрева усиленно охлаждают водой или сжатым воздухом и применяют быструю проковку нагретых участков молотком. Прогибы в деталях из труб правят нагревом по образующей трубы вдоль ее максимальной выпуклости. Ширина площади нагрева берется 0,1 —0,3 диаметра трубы.

Прогибы в деталях из профильного проката, балочные и рамные конструкции правят несимметричным нагревом. При этом возникает изгибающий момент, под действием которого элемент выправляется. Полосы нагрева накладываются в виде «клиньев» так, чтобы основание их совпало с участком наибольшей выпуклости, Нагрев необходимо начинать с вершины клина.

Для уточнения требуемых Вам характеристик и получения опросного листа, свяжитесь с нашей службой сбыта по телефонам (347) 299-31-43 или по электронной почте Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. .

Как скомпенсировать деформации при сварке?

4-ый разряд

Источники: taina-svarki.ru, www.drevniymir.ru, www.kranmash.su, www.chipmaker.ru