От чего зависит величина деформации свариваемого металла

Содержание

Причины возникновения напряжений и деформаций – Осварке.Нет

От чего зависит величина деформации свариваемого металла

Одним из свойств металла является изменение размера под воздействием температур. Под воздействием высокой температуры металл расширяется. Как сильно он расшириться зависит от температуры нагрева и коэффициента линейного расширения материала.

Деформации и напряжения могут быть вызваны не только воздействием внешних сил. Существуют так званые собственные напряжения и деформации, которые присутствуют в металле даже без воздействия на него. Собственные напряжения могут быть реактивными и остаточными. Остаточные напряжения появляются в результате местной пластичной деформации и остаются у изделия после сварки. Реактивными называют напряжения возникшие во время сварки жестко закрепленной конструкции.

Классификация напряжений и деформаций

В зависимости от причины возникновения собственные напряжения разделяют на:

  • тепловые напряжения — появляются в следствии неравномерного распределения температуры во время сварки;
  • структурные напряжения — появляются в следствии преобразования структуры во время нагревания выше критической температуры.

В зависимости от времени существования собственные напряжения бывают:

  • временные — существуют при определенных фазовых преобразованиях и исчезают при охлаждении;
  • остаточные — остаются даже после исчезновения причин их образования.

Зависимо от площади действия различают три вида напряжений:

  • напряжения которые действуют в объемах конструкции;
  • напряжения которые действуют в рамках зерен металла;
  • напряжения которые существуют в кристаллической решетке металла.

По направлению действия напряжения и деформации бывают:

  • продольные — вдоль оси сварочного шва;
  • поперечные — направленны перпендикулярно оси шва.

По виду напряженного состояния напряжения бывают:

  • линейные — действуют в одном направлении;
  • плоскостные — действуют в двух направлениях;
  • объемные — действуют в трех направлениях.

Напряжения также могут быть сдавливающими и растягивающими.

Деформацию называют общей если она изменяет размер всего изделия, и местной — если она изменяет часть изделия.

Деформации могут быть пластичными и упругими. Если конструкция восстанавливает свою форму и размер после сварки, то такая деформация называется упругой, а если не восстанавливается — пластичной.

Во время выполнения сварки конструкций возникают напряжения и деформации. Напряжение которое превышает границы текучести метала приводит к появлению пластических деформаций, которые изменяют размеры и форму конструкции. Напряжения превышающие границу прочности приводит к появлению в трещин.

Структурные преобразования

При сварке легированных и высокоуглеродистых сталей часто возникают структурные преобразования в металле — меняются размеры и расположение зерен металла при охлаждении. Поэтому меняется первоначальный объем металла и возникают внутренние напряжения.

Неравномерное нагревание

Рис. Неравномерный нагрев металла

При нагревании металла жестко связанного с холодным металлом образовываются сдавливающие и растягивающие напряжения. Это связано с изменением размеров размеров металла при нагревании.

Литейная усадка

Литейная усадка расплавленного металла сопровождается уменьшением объема металла при его кристаллизации. Так как расплавленный металл связан с основным в под воздействием литейной усадки возникают продольные и поперечные напряжения.

Рис. Деформации от поперечной усадки

Рис. Деформации от продольной усадки

Предварительный и сопроводительный подогрев

Предварительный и сопроводительный подогрев сталей улучшает механические качества шва и прилегающей зоны, уменьшает пластические деформации и остаточные напряжения. Используют для сталей склонных к закалке и образованию кристаллизационных трещин.

Обратно ступенчатый порядок наложения швов

Рис. Обратно ступенчатый порядок наложения швов

Длинные швы (свыше 1000 мм) разбиваются на участки по 100-150 мм и каждый из них ведется в направлении обратном направлению сварки. Используя обратно ступенчатый порядок наложения швов можно добиться более равномерного нагревания металла в сравнении с последовательным наложением. Равномерное нагревание металла значительно уменьшает деформации.

Проковка швов

Проковывать можно как нагретый так и холодный металл. При ударе металл разжимается в разные стороны, что уменьшает растягивающие напряжения. Сварочные швы на металле склонному к образованию закалочных структур не проковывают.

Уравновешивание деформаций

Способ заключается в выборе такого порядка наложения швов при котором каждый следующий шов создает деформацию противодействующую предыдущему. Например, поочередное наложение слоев при сварке двусторонних соединений.

Создание обратных деформаций

Детали собирают под сварку изначально под определенным углом. Когда во время сварки детали сближаются друг к другу деформация уменьшается.

Жесткое крепление деталей

Для этого используют жесткое закрепление деталей в кондукторах. Детали находятся закрепленными все время сварки, вынимают их после охлаждения. Недостатком является возможность возникновения внутренних напряжений.

Термическая обработка

Термическая обработка хорошо влияет на свойства шва и околошовной зоны, снижает внутренние напряжения и выравнивают структуру шва.

Источник: http://osvarke.net/deformacii/prichiny-vozniknoveniya-napryazhenij-i-deformacij/

Виды и причины сварочных деформаций

Сварка обеспечивает самое прочное и надежное соединение, если проведена правильно. Однако при нарушении технологии в конструкции возникают напряжения и деформации, вызванные сварочным процессом. Искажается форма и размеры изделия, в результате чего оно не может выполнять свои функции.

Что такое напряжение

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.

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.

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.

Как предотвратить

Для предупреждения вредных воздействий сварочных деформаций необходимо соблюдать следующие правила и провести несколько мероприятий:

  • сварных швов должно быть минимум, и они должны быть как можно короче;
  • количество пересекающихся и разнотолщинных швов так же сводят к минимуму;
  • сварочные соединения делают с плавным переходом толщин;
  • металл наплавляют в минимальном количестве;
  • в самых напряженных местах конструкции швы вовсе не делают;
  • оставляют припуск на усадку.

Необходимо правильно выбирать способ сварки, который зависит от свариваемости материалов, энергии и режима. Чтобы уменьшить зону прогрева, нужно увеличить скорость сваривания. Для увеличения глубины сварки (прогрев в толщину) необходимо увеличить силу тока.

Для уменьшения вредных воздействий нагрева в зоне сваривания сварщику необходимо по возможности избегать прихваток.

Положительный результат дает использование зажимов и других сварочных приспособлений. Они позволяют сохранить подвижность деталей при сварке в продольном направлении и препятствовать угловому перемещению.

Заготовки располагают таким образом, чтобы возникающие при остывании сварочные деформации были противоположны напряжениям.

Для уменьшения остаточных напряжений и деформаций надо использовать предварительный нагрев. Кроме этого нужно правильно выбрать технологию сварки.

Последовательность наложения швов должна уравновешивать возникающие напряжения. Накладывать швы надо так, чтобы свариваемые детали имели наибольшую подвижность.

Читайте также  Из какого металла сделан жесткий диск компьютера

В процессе сварки проводят проковку сварного шва, что деформирует остывающее сварное соединение и уменьшает воздействие усадки.

Способы устранения напряжений

Напряжения устраняют отжигом или механическими методами. Отжиг является самым эффективным методом снятия напряжений. Его применяют, когда к изделию предъявляются повышенные требования к точности геометрических размеров.

Он может быть общим или местным. Чаще всего отжиг производят при 550-680 °C. Выделяют три его стадии: нагрев, выдержка, остывание.

Из механических способов устранения напряжений применяют проковку, прокатку, вибрацию, обработку взрывом, приводящие к пластической деформации обратного знака.

Проковку делают пневмомолотком, а виброобработку специальным устройством вызывающим вибрацию изделия с резонансной частотой в пределах 10-120 Гц в течение нескольких минут.

Способы устранения деформаций

Сварочные деформации могут проходить в плоскости и с выведением из плоскости. О деформациях в плоскости говорят, когда изменяются геометрические размеры конструкции. Деформация из плоскости соответствует угловым изменениям детали, искривлению листовой поверхности.

Для устранения таких явлений применяют термическую правку с местным или общим нагревом, холодную механическую и термомеханическую.

Термический способ с местным нагревом основывается на том, что при охлаждении металл сжимается. Для устранения сварочных деформаций растянутую часть изделия сначала нагревают (горелкой или дугой), при этом окружающий сплав остается холодным и не дает горячему участку сильно расшириться.

При остывании изделие выпрямляется. Так правят балки, листовые полосы и некоторые другие детали.

Если происходит полный отжиг, то конструкцию закрепляют в устройстве, создающем давление на требуемые зоны, и помещают в печь для нагрева.

Холодную правку делают, используя постоянные нагрузки. Для этого применяют различные прессы или валки для прокатки длинномерных изделий типа труб или двутавровых балок, в необходимых местах они деформируются.

Термомеханическую правку производят с применением силовой нагрузки при местном нагреве изделия. Такой способ применяют к сильно растянутым деталям. Вначале собирают излишек металла в так называемые купола, а затем прогревают эти участки.

Технологию правки выбирают в зависимости от особенностей сварочной деформации и типа металлического изделия, его размеров, конфигурации. Обращают внимание также и на трудозатраты, останавливаясь на самом эффективном методе.

Источник: https://svaring.com/welding/teorija/svarochnye-deformacii

Сварочные напряжения и деформации

Деформации и напряжения металлов при сварке способны возникать из-за множества различных причин. Они отрицательно влияют на механическую прочность свариваемых конструкций. Наиболее распространенные причины проявления деформаций, напряжений — это неравномерно осуществляемое нагревание, охлаждение соединяемых деталей, структурные модификации металла шовного соединения, литейная усадка наплавляемого металла.

Причины проявления деформаций, напряжений материалов

При сварных работах соединяемые образцы подвергаются воздействию достаточно высоких температур. Напряжения, деформации могут образовываться в следующих ситуациях:

  • литейная усадка;
  • нагревание материала на соединяемом участке осуществляется неравномерно;
  • изменения структуры металла при охлаждении после нагревания. Сначала происходит деформация кристаллических зерен, после — всей металлической конструкции.

Литейная усадка

Данный процесс происходит из-за образования в поверхностных слоях металла, которые непосредственно касаются сварного шва, остаточных напряжений. Основная причина этого — уменьшение объема охлаждаемой сварной ванны. Происходит растягивание ближайших слоев металла изделий. При минимальном объеме ванны деформации, напряжения, формирующиеся в процессе ее затвердевания, тоже минимальны.

Нагревание/охлаждение производится неравномерно

В результате неравномерного увеличения температуры металла, в нем формируются напряжения тепловые, осуществляется изменение пластичности, прочностных характеристик. Если температура нагревания высокая, показатель теплопроводности материала минимальный, тогда напряжения тепловые будут повышенными.

Деформации и напряжения при сварке формируются под воздействием тепловой энергии электротока. Основными причинами их возникновения является неравномерный разогрев материала, неправильное охлаждение, усадка жидкого материала ванны, изменения структуры металла на участке термического воздействия, в соединительном шве.

Изменения структуры материала

Причинами данного процесса являются образования растягивающих/стягивающих напряжений. Подобные преобразования иногда способствуют изменению объема соединяемого металла.

В процессе сварки образцов из сталей низкоуглеродистой группы, напряжения незначительны, существенно не влияют на качество сваривания.

Достаточно большие деформации возникают в период сваривания образцов из сталей легированной группы с наличием углерода больше 0,35 процентов. В данном случае не исключено образование в сварочных швах горячих трещин.

Процедуру деформации металла можно охарактеризовать:

  • углом поворота;
  • укорочениями, прогибами образцов;
  • величинами точек шва;
  • параметрами выхода из плоскости, образующей равновесие.

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.

По окончании сварки обязательно производится термический отпуск. Подобная процедура обеспечивает уменьшение остаточных напряжений, повышает пластические свойства сварочного соединения.

Сергей Одинцов

Источник: http://electrod.biz/tehnologii/svarochnyie-napryazheniya-i-deformatsii.html

Как устранить деформации при сварке — Мanufactory-Industry-Design

Внутренние деформации и напряжения уменьшаются различными технологическими приёмами, включающими технику и очерёдность созданий и размещение сварочных швов, правильную конструкцию изделия, выбор режима дуговой сварки.

3 способа уменьшения напряжения и искажения при сварке

Напряжения либо искажения, возникающие при сварке в конструкциях, уменьшают тремя основными методами их регулировки.

  1. Снижением объемов подвергаемого пластичным деформациям материала при его нагревах и снижениях самих пластичных деформаций.
  2. Созданием в зонах пластичных деформаций, возникшей от нагревов металла, дополнительной деформации с противоположным направлением. Это можно сделать во время остываний и в моменты остаточного охлаждения.
  3. Можно симметрично разместить сварочные швы с целью компенсирования появляющихся перемещений с деформациями. Также можно устранить такого рода дефекты при создании искусственных зон пластичных деформаций со свободной усадкой.

Помимо деформирований и напряжений при сварочном процессе зачастую возникают отклонения (дефекты).

Виды отклонений (дефекты) в сварочном процессе

Существует несколько видов отклонений (дефектов) – внутреннего и наружного типа. Обнаружение дефектов наружного типа выполняется на визуальной основе во время осмотра сварного шва.

Обнаружение дефектов внутреннего типа при их нахождении во внутренней части сварочного шва возможно только, проведя дефектоскопию с рентгеном и механообработкой.

Несмотря на классификацию и причины возникновения дефектов, это всё же дефект, который нужно устранить либо провести минимизацию его количества и размеров.

Поскольку любое отклонение (дефект) сварочных швов является угрозой функциональности и стабильности всего изделия, мастера проводят определённые операции для их ликвидации. Для минимизации вероятности возникновения дефектов (отклонений) необходимо:

  • Учесть, по какой последовательности выполнялась сварка и с какой квалификацией работает сварщик.
  • Учесть тип присадочных материалов и структура свариваемых металлов.
  • Учесть применение защитных газов и последовательность подготовки поверхностей для проведения процесса сваривания.
  • Учесть тип применяемого сварочного оборудования.

К отклонениям (дефектам) наружного типа относят возникновение нарушений размеров (появление наплывов с подрезами), прожогов и непроваров, незаваренных кратеров.

Так, непровары возникают вследствие недостаточного сварного тока, оказывающего большое влияние на сваривание металла.

Ниже представлены описания применяемых в промышленности методов ликвидации деформирования и минимизации напряжения, а также устранение отклонений (дефектов).

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.

Как исправить деформации в сварочных изделиях

Если деформирование гораздо выше нормы, то выправление элементов (изделий) происходит с помощью механической, термической либо термомеханической технологий.

Выправления по механической технологии выполняют с использованием молотов с домкратами, прессов на винтовой основе и прочих приспособлений, способных создать воздействие ударных либо статических нагрузок, прилагаемых с места максимальной выгибаемости конструкции (рис.2).

Читайте также  Ванадий металл или неметалл

Такая правка является очень трудоёмкой. При неправильном её выполнении, как в сварочных швах, так и в остальном материале могут появиться трещинки и разрывы.

Рис.2. Посредством воздействия нагрузки корректируются тавровые сварные балки.

Как исправить деформацию тонколистовых металлов

Деформации в тонколистовых металлических изделиях устраняются с помощью их прокатывания валиками (рис.3). Только на сварочные швы нужно сначала поставить накладки. При прокатке из-за растягивания сварного шва образуются пластичные деформации, минимизирующие напряжение с образованным им короблением.

Рис.3. Устранение деформаций в тонколистовых металлических конструкциях а – схема сваренных листов перед прокатыванием, б – схема процесса прокатывания, 1 – схема сварочного шва, 2 – схема накладки, 3 – схема прокатных валков

Как устранить деформацию толсто-листовых металлов

Искажения в металлических толстолистовых деталях устраняет послойная проковка каждого сварочного шва. В процессах термокорректировок небольшие металлические участки в деформированных деталях нагреваются специальными горелками. Прогрев проводится, пока металлические выпуклые места деформированной детали не перейдёт в состояние пластичности. Далее каждый из прогретых мест охлаждается. При этом происходит корректировка детали посредством возникающих в этот момент напряжений.

Нагрев

Так, тавровые сварочные балки выправляют посредством нагрева её выпуклого участка полосами (с шириной достигающей 25-30 мм), схожесть которых выполняется под 30-градусным углом (рис. 4, а). Также при выправлении балки со швеллерным сечением выполняется нагрев обеих полок и, помимо этого, с помощью полос (их ширина равняется 35-40 мм) — её стенка (рис. 4, б). В момент выпучивания швеллерной рамы расположение нагревающих полос выполнено по схеме, изображённой на рис. 4, в).

Рис.4. Нагревающие участки при термоправке: а – схема выправления тавровых балок, б – схема выправления балки со швеллерными сечениями, в – схема выправления швеллерных рам.

Изгиб и нагрев

При термомеханической правке статическая нагруженность, создающая изгиб деформированной детали в необходимую сторону, сочетается с местным нагревом. Этим методом исправляют довольно жёсткие узлы (рис.5).

Рис.5. Схема корректировки сварных фундаментов термомеханической правкой с использованием домкратов. 1 – схема опор, 2 – схема мест прогрева, 3 – схема домкрата.

Как уменьшить напряжение

Снижение внутреннего напряжения в швах сварочных конструкций выполняется посредством проковки каждого слоя швов, сопутствующего либо предварительного подогрева конструкции, термообработки после сварочного процесса.

Проковку каждого слоя выполняют посредством имеющего закруглённый бойок пневмозубила. Этот метод используется при выполнении многослойного сваривания конструкций с большой толщиной. Кстати, чтобы не было надрывов и трещинок, проковка нижнего и верхнего слоя шва не выполняется.

Метод подогревов сопутствующего либо предварительного типа выполняется при попытке выполнить сваривание склонных к закалке металлов. Подогревают обычно при условиях, устанавливаемых исходя из марки металла и его жёсткости. Нагрев выполняется с помощью индукторов, многопламенных горелок или печей.

При термообработке после сваривания предусматривается проведение низкотемпературного отпуска детали и его медленного охлаждения в печи.

Правку вышеописанными методами нужно проводить в приспособлениях с возможностью контроля размеров в каждом выпрямляемом изделии и его прогибов.

Всеми указанными в этой статье методами устранения деформаций можно откорректировать 80% бракованных сварных конструкций. При невозможности выправить изделие оно считается бракованным и подлежит списанию.

Источник: https://www.tehnohacker.ru/obzory/kak-ustranit-deformatsii-pri-svarke/

Присутствие напряжения и деформации при сварке

  • Дата: 15-07-2015
  • 411
  • : 20

Современное строительство, прокладка инженерных коммуникаций, установка оборудования и даже изготовление мебели не может обойтись без применения того или иного вида сварки.

Сварочные соединения обладают повышенной прочностью, крепостью и долговечностью, независимо от того, насколько большим является сварочный шов и от металлов, на которых он выполнен.

Главным при сварных работах является соблюдение технологии для различных видов сварки и безопасности при выполнении такого вида работ. При выполнении этих работ каждая точка полученной спайки испытывает напряжения и деформации при сварке.

Типовая структурная схема инверторного сварочного аппарата.

Это происходит на начальном этапе сварочной спайки металлов, когда их нагревание только усиливается, а при остывании такие силы напряжения и деформации приобретают другой характер расположения, в зависимости от сечения.

Такие деформации и напряжения при сварке принято называть временными. Эти короткие по времени процессы по мере эксплуатации с постепенным остыванием металла переходят в значения остаточного характера.

Подобные действия металлические элементы конструкции могут испытывать на протяжении достаточно длительного времени, вплоть до выхода из строя.

Определения и разновидности напряжений и деформаций

Причины деформации деталей при сварке.

Напряжением при сварочных работах принимают силу, которая имеет отношение к единичной площади элемента сварки. Данную характеристику металла можно разделить на процессы, которые вызваны растяжением, изгибом, кручением, сжатием и срезом. Данным параметром нельзя пренебрегать, так как они вызывают серьезные деформации при сварке и нарушения получаемых швов в целом.

Когда соединение изменяет габариты или геометрические размеры в результате проведенной работы, то это деформация детали. Деформации бывают упругими или пластическими. Если форма и размеры способны вернуться в исходное состояние после прекращения работ, то подобная деформация носит названий упругой. Если геометрия изделия или его форма не возвращаются в изначальное положение, то такую характеристику называют пластической.

Под воздействием высокой температуры в процессе работы возникают деформации внешнего свойства в деталях, которые подвергаются обработке. Если такие изменения наблюдаются только в период работ, то такие напряжения и деформации называют временными, которые прекращают свое действие при окончании процесса. А вот остаточные деформации и напряжения продолжают действовать на металл достаточно длительное время после самих работ.

Угловая деформация при сварке таврового соединения.

Данные параметры можно разделить на такие типы: линейные, плоские либо объемные (или одно- дву- и трехосные). В зависимости от того, на какой объем металла напряжение воздействует, его можно разделить на значения 1, 2 и 3 рода. Параметр 1 рода действует на больших объемах металла, то есть в макрообъемах. Напряжения, которые ограничивают свое воздействие рамками кристаллического зерна металла, относят ко 2 роду. В пределах кристаллической решетки металла воздействуют напряжения при сварке 3 рода.

Деформации при сваривании непосредственно самого металла, которые возникают в процессе, можно охарактеризовать:

  • прогибами свариваемых элементов;
  • углом поворота в процессе работ;
  • укорочениями, которые получаются в результате работы;
  • величинами точек сварного шва;
  • размерами выхода из плоскости, которая образует равновесие.

Если деформация приводит к серьезным геометрическим изменениям первоначального состояния изделия и его осей, то такую деформацию называют общей. Если деформация вызывает изменения только отдельно взятой части сварного шва, она местная. В зависимости от того, общая деформация или местного характера, принимаются мероприятия по ее устранению, которые определяются характером и масштабом полученных деформаций.

Основания деформаций и напряжений

Зависимость глубины вмятины от силы сварочного тока.

В течение работ по сварке изделие подвергается действию критических высоких температур. Причинами образования напряжения и деформаций являются:

  • нагрев материала на участке, где выполняется сварка, происходит неравномерно;
  • литейная усадка;
  • при остывании после нагрева в материале происходят структурные изменения в кристаллических решетках, что вызывает деформацию кристаллических зерен и далее всего изделия.

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 температуры сварки 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.

Когда напряжение станет значительным, случится деформация сжатия, которая носит пластический характер.

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.

Читайте также  Как обозначается толщина металла

При выполнении сварного соединения направленным валиком температурные изменения в нагреваемой и холодной частях металлической пластины протекают постепенно.

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.

Меры, которые снижают напряжения и деформации металла при сварке

Влияние режима сварки на форму шва.

Сокращение или снижение напряжения и деформации металлов при выполнении сварки — это довольно трудная задача. Поэтому для этих целей необходимо предпринять ряд мероприятий, которые могут выполняться на различных стадиях работ:

  1. До выполнения сварочных швов. На этапе проектирования металлической конструкции рассматриваются взаимодействия металлов, которые будут участвовать в сварке. Если выбранные материалы между собой не сочетаются или выполнение сварного шва требует дополнительных усилий и финансовых затрат, то можно рассмотреть применение другого исходного материала или изменить саму конструкцию, чтобы количество сварных соединений по ней стало минимальным.
  2. В процессе выполнения сварки. На данном этапе необходимо правильно выбрать последовательность, с которой будут выполняться сварные швы. Швы, которые будут замыкать конструкцию в окончательный контур должны выполняться самыми последними. Если сварные соединения выполняются вручную и обладают большой протяженностью, то такие соединения рекомендуют делать в ступенчатом порядке. Узлы между собой надо скреплять достаточно жестко.

Кроме того, непосредственно перед выполнением сварного шва можно несколько повредить кромку детали в направлении, которое будет обратно предполагаемому направлению деформации. Если металл немного подогреть, то сварное соединение будет подвержено меньшей деформации, следовательно, меньшим напряжениям. Напряжение при сварке, которым пренебрегли, может изменить прочность и жесткость конструкции.

После сварки делают термический отпуск. Такая операция обеспечивает снижение остаточных напряжений и улучшает пластические характеристики сварного соединения.

Источник: https://moyasvarka.ru/process/napryazheniya-i-deformacii-pri-svarke.html

Как связаны деформации металла и напряжение при сварке?

Сварочное напряжение, накапливающееся в металле, присутствует всегда. Без него не обходится ни одна сварка, поскольку металл в той или иной степени испытывает нагрузки. Зачастую напряжение никак не влияет на конечный результат вашей работы, но в ряде случаев его избыток может привести к деформации швов или поверхности самого металла.

В этой статье мы подробно расскажем, от чего зависит величина деформации свариваемого металлического изделия, как предотвратить деформации и напряжения при сварке. Вы также узнаете некоторые особенности, которые необходимо учитывать во время выполнения работ.

Общая информация

Наверняка в тестах НАКС вы замечали вопрос «Что из перечисленного вызывает концентрацию напряжения в сварных швах?». На выбор предлагалось три варианта: механические свойства материала, технологические дефекты шва и нагрев при сварке. Именно в этом вопросе и кроется главный ответ, касающийся нашей темы.

Главный «виновник» повышенного напряжения — технологические дефекты шва. Конечно, существуют и другие причины возникновения напряжений и деформаций (например, неправильное очертание швов). Но именно техдефекты являются главной причиной. А никак не нагрев при сварке, как утверждают многие сварщики.

К техническим дефектам относятся шлаковые включения, трещины, не проваренные участки и пузырьки газа, скопившиеся в сварочном соединении.  Сварочные деформации образуются в тот момент, когда напряжение достигает своего пика именно в местах технических дефектов. Конечно, нагрев металла играет большую роль в этом процессе, но не является первостепенной причиной проблем.

Также некоторые мастера заметили, что существует еще одна причина возникновения напряжений и деформаций при сварке. Это естественная усадка металла, которая происходит в момент остывания. Металл меняет свое состояние с жидкообразного на твердое, тем самым уменьшается его объем и металл деформируется.  Но зачастую эта проблема возникает при неправильном охлаждении.

Некоторые сварщики отмечают, что вероятность деформации металла увеличивается, если конструкция сложная и состоит из большого количества разнообразных швов. Особенно, если при разработке технической документации были допущены ошибки и нагрузка была рассчитана неправильно. Кроме того, при некоторых видах сварки металл нагревается неравномерно, что также способствует его плохой усадке в дальнейшем. Необходимо постараться разогревать металл постепенно и равномерно формировать шов.

Как предотвратить деформации

В нормативных документах четко прописаны меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями. Также неплохие советы обычно дают мастера с многолетним опытом, которые на себе испытали все трудности. Если вы новичок, то перепишите, а лучше выучите следующие рекомендации. Они помогут вам в рядовых и критичных ситуациях.

Если вам предстоит выполнить сварное соединение встык, то необходимо накладывать швы обратноступенчатым или комбинированным методом. При этом всю длину будущего шва нужно поделить на небольшие участки, по 10-20 сантиметров. Эти участки как раз и нужно варить. Не вести непрерывный шов, а варить отдельные участки шва. Сварку нужно вести строго в соответствии с технической документацией.

Благодаря такому методу тепло распространяется более-менее равномерно и даже если в сварном шве есть незначительные дефекты, то в них не будет накапливаться избыточное напряжение. А это значит, что вероятность деформации при сварке уменьшится.

Второй метод более сложный и потребует сноровки. Здесь самое главное — правильно выбрать очередность формирования швов. Допустим, вы выполнили первый шов, и он привел к одному типу деформации, скажем, металл выгнулся в одну сторону. Вам необходимо выполнить второй шов так, чтобы металл деформировался в обратную сторону. Так вы сможете уравновесить противоположные деформации и выровнять деталь. Посмотрите на картинку ниже, чтобы лучше понять суть этого метода.

Третий метод похож на предыдущий, но в нем есть отличия. Перед сваркой нужно учесть, в какую сторону металл деформируется и состыковать детали так, чтобы после остывания деформируемые детали выровнялись под воздействием друг друга. Деформация уменьшается за счет того, что кромки остывают и происходит естественная усадка. Этот метод очень эффективный, но необходимо полностью понимать механизм деформации металла, чтобы предугадать его поведение.

Если вам нужно сварить трубы, то их нужно разделить на отдельные фрагменты и только затем сваривать. После того, как вы соедините все фрагменты можно полученную деталь приварить к главной детали. На картинке ниже показан данный метод.

Жесткое закрепление свариваемых деталей также применяется для уменьшения деформаций. Этот способ находит широкое применение в условиях массового и серийного производства при сварке деталей сложной формы. Детали закрепляют в специальных приспособлениях (кондукторах), в которых производят сварку и вынимают их только после полного охлаждения. Однако при этом способе могут возникнуть внутренние сварочные напряжения и деформации  напряжения, для снятия которых сваренный узел подвергают последующей термообработке.

Еще один неочевидный способ избежать деформаций — предварительный прогрев металла в печи. Благодаря такой простой манипуляции вы сможете уменьшить разность температур между сварочной зоной и деталью. Из-за этого высокие температуры при сварке не станут причиной последующих деформаций. Такой метод является обязательной процедурой, если вам нужно сварить чугун, бронзу, алюминий и разные типы стали.

Если сварка уже выполнена, а вы не предприняли никаких мероприятий по предотвращению деформации, то поможет проковка. Вам даже не обязательно ждать, пока металл остынет. В таком случае горячая проковка даже эффективнее, чем холодная. С помощью проковки можно быстро и эффективно избавить деталь от избыточного напряжения, а значит предотвратить его дальнейшую деформацию. Выполняйте проковку равномерно, иначе гарантировано появятся трещины. Чтобы проковка была эффективной, скорость движения молота должна быть высокой.

Для снятия напряжений в сварных соединениях можно применять метод термообработки швов. Это предотвратит вероятность будущих деформаций. К тому же, швы, обработанные термическим методом, приобретают улучшенные эксплуатационные характеристики.

Вместо заключения

Вот и все, что мы хотели рассказать вам о предотвращении деформаций. Не стоит беспокоиться, если вы начинающий сварщик и обнаружили на своих деталях дефекты, появившиеся вследствие избыточного напряжения. Пока у вас самый низкий разряд вы просто должны совершать ошибки и учиться на них. Со временем вы запомните все особенности сварочных работ и будете применять в своей практике находки других опытных мастеров.

К тому же, на крупных производствах всегда проводят тестирование сварных соединений и вы обязательно узнаете о всех недочетах, а значит сможете в следующий раз выполнить работу качественнее. На нашем сайте в разделе «Полезная информация» вы найдете много важных и нужных статей. Обязательно прочтите их и примените на практике полученные знания. Желаем удачи в работе!


[Всего : 0    Средний: 0/5]

Источник: https://svarkaed.ru/oborudovanie-dlya-svarki/poleznaya-informatsiya-ob-oborudovanii/kak-svyazany-deformatsii-metalla-i-napryazhenie-pri-svarke.html

Понравилась статья? Поделить с друзьями: