Влияние режима сварки на характер и величину остаточных напряжений. Как влияет увеличение сварочного тока на величину остаточных деформаций
Влияние режима сварки на характер и величину остаточных напряжений
| Рис. 60. Зависимость напряжений на свободной кромке от силы тока и скорости сварки. |
|
|
Пользуясь приведенными выше эпюрами (рис. 54), можно установить влияние режима сварки на напряжения, вызываемые сваркой в любом волокне полосы. На рис. 60 приведены кривые изменения напряжений’ в крайнем продольном волокне (противоположном валику) полосы шириною h= 100 мм. Характер этих кривых напоминает характер кривых изменения кривизны полосы, приведенных на рис. 57.
Если же обратиться к исследованиям Розенталя и Цабрса, то они представили зависимость этих напряжений от мощности дугии скорости сварки в виде прямых, привеленныхнарис.61. Однако, если экспериментальные точки, относящиеся к различным скоростям сварки, соединить плавными кривыми (рис. 62), то характер последних будет вполне соответствовать характеру кривых (рис. 60). Таким образом, по Розенталю и Цабрс, напряжения непрерывно возрастают с увеличением мощности, тогда как из кривых теоретических (рис. 60) и экспериментальных (рис. 62) следует, что после достижения напряжениями максимальной величины при некоторой критической силе тока (или мощности) дальнейшее повышение силы тока приводит к понижению напряжений. При этом наибольшая величина напряжений не превосходит предела текучесіи, а критическая величина силы тока тем больше, чем больше скорость сварки.
В экспериментальных исследованиях Розенталя и Цабрса были определены напряжения и в волокнах под валиком. Однако разбросанность экспериментальных точек (рис. 63) и отсутствие какой-либо простой, бросающейся в глаза, закономерности не позволили исследователям предложить какую-либо зависимостьнапряжений иод валиком от режима наплавки и вызвали лишь сомнение в правильности полученных ими экспериментальных данных (точка, соответствующая ^нанлавке со скоростью
|
Рис. (Л. Зависимость напряжений’’ на" свободной кромке полосы от мощности! дуги, по Розенталю и Цабрсу. л |
0,665 см! сек.)-
|
hBtv ‘ |
Однако, располагая теоретическими данными о распределении конечных деформаций и напряжений (рис. 54), нетрудно установить искомую зависимость напряжений под валиком от режима сварки. Как отмечалось выше, напряжения в том или ином волокне определяются разностью деформаций X’ и Д, если эта последняя не превышает деформаций ел, соответствующих пределу текучести. Предполагая, что разность X’—Д’ для волокна под валиком представляет собою только упругие деформации, пропорциональные им напряжения изобразились бы для различных режимов сварки кривой ОАБВГ (рис. 64). Так как в действительности разность в отдельных случаях значительно превышает деформации єт, то напряжения на участках, где ординаты кривой ОАБВГ превышают предел текучести. будут оставаться постоянными, равными пределу текучести (Ух, в связи с чем действительная зависимость напряжений под валиком от силы сварочного тока представится кривой
012Б34Г. С увеличением рис 52. Зависимость напряжений от мощ — скорости сварки напря — ности дуги по экспериментальным данным, жения будут достигать
предела текучести (при растяжении) при больших силах тока и при более сильных токах переходить из растягивающих в сжимающие. Для очень больших скоростей сварки обычные силы сварочного тока будут давать только первый участок 012 представленной выше зависимости.
Если, учитывая полученный характер зависимости от режима сварки напряжений под валиком, соединить экспериментальные точки (полученные после вертикальной разрезки) соответствую-тими ломаными линиями, то, как видно из рис. 65, полученная теоретическим путем закономерность полностью подтверждается экспериментальными данными, а точка, вызывавшая наибольшие сомнения исследователей, расположится в полном соответствии с установленной зависимостью. б
| 9,276 Л г cl | 0J70s 0,323 | — “1 | ||||
| с | …. г | У0.295 После го У 1 | _ _ | 77Z, Q | ||
| т—- рс /*8,778 . і | 0 — … | |||||
| jPQ | /~^І 663- | іесле — ЬертпиУалЬнйіт оазdcзо 3 t | ||||
| ‘ | p | |||||
| Рис. 63. Зависимость " ‘напряжений под валиком от мощности дуги, по Розенталю и Цабрсу. |
Из приведенных на рис. 60 и 64 зависимостей видно, что если напряжения на кромке, противоположной валику (рис. 60), всегда остаются одного знака и меняются от режима сварки только по величине, то напряжения под валиком меняются и по величине и по знаку. Таким образов, могут существовать два типа эпюр напряжений: при малых силах тока или при больших скоростях сварки, т. е. при режимах, создающих малую ширину зоны нагрева, эпюра напряжений будет иметь растяжение под валиком; при больших силах тока или малых скоростях сварки, т. е. при режимах, приводящих к относительно большой ширине зоны нагрева,—эпюра напряжений будет иметь сжатие в волокнах под валиком.
При оценке этого или иного режима сварки, очевидно, следует отдавать предпочтение режимам, приводящим ко второму
| Рис. 64. Зависимость напряжений иод валиком от силы тока и скорости сварки по теоретическим данным. |
|
|
типу эпюры напряжений, так как при первом типе эпюры большей частью имеют место не только упругие, но и пластические деформации растяжения, т. е. пластические свойства металла
| v-‘Jt12cM/c6H О, IЧем/сен У V v=0,20 см/се, |
частично оказываются использованными еще при изготовлении изделия. Поэтому, говоря о влиянии режима сварки на напряжения, необходимо сравнить не только величину напряжений (пропорциональных упругим деформациям), но и величину пластических деформаций растяжения, которые в большей мере, чем напряжения, отражаются на работоспособности изделия. Так например, в случае выполнения сварки со скоростью, которой соответствует кривая изменения напряжений 012Б34Г (рис. 64) при силе тока в 50 а и при силе тока в 100 а напряжения в волокне под валиком будут одинаковыми и равными as. Однако при выполнении сварки током
пределу текучестив 50 а работоспособность полосы будет понижена по сравнению со случаем сварки током в 100 а, так как в последнем случае пластические деформации будут почти отсутствовать, тогда как в первом случае они будут достигать значительной величины. Если условно напряжения определять не по величине упругих деформаций, а по суммарной величине упругих плюс пластических деформаций, то можно сказать, что в рассматриваемом случае при сварке током в 50 а напряжения будут примерно в 3 раза больше, чем при сварке током в 100 а. При таком условном понимании напряжений зависимость их от силы тока может быть выражена следующим образом: при изменении силы тока от нуля до некоторой критической величины напряжения растяжения растут,
| ■■ | L- | -г | от | 1 і «згз °і | J | |
| . в *650 | А- | J’/iH | 7?см/іек | j | ||
| Й | 336 0 ‘t | Р. 7/ / | pV,! | /і> | 1 | |
| 1 | * * 0 665 | 1 | ||||
| / / | 1 | Г | ||||
| / | j |
| О I г 3 и 5 6 7 # піт |
| Рис. 65. Зависимость напряжений под валиком от мощности дуги по экспериментальным данным. |
после чего, с дальнейшим увеличением силы тока, напряжения уменьшаются, достигают нуля и затем переходят в напряжения сжатия. С увеличением скорости сварки критическая сила тока и сила тока, соответствующая нулевым напряжениям, увеличиваются. Поэтому, рассматривая наибольшие силы тока до критической его величины (рис. 64), придется признать справедливыми приведенные в начале § 19 выводы
Патона Е. О. с сотрудниками; рассматривая изменения силы тока от критического его значения до соответствующего нулевым напряжениям, слелует согласиться с Боленратом; наконец, рассматривая изменения напряжений при изменении силы тока в обе стороны от критического его значения, можно принять формулировку Бюлера, согласно которой слишком высокая и слишком низкая силы тока приводят к уменьшению усадочных напряжений. Таким образом, все выводы, полученные при экспериментальных исследованиях, укладываются в намеченную зависимость и являются ее частными значениями.
hssco.ru
их разновидности и причины возникновения
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.
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.
svaring.com
Влияние режима сварки на характер и величину остаточных напряжений
СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ
| Рис. 60. Зависимость напряжений на свободной кромке от силы тока и скорости сварки. |
Пользуясь приведенными выше эпюрами (рис. 54), можно установить влияние режима сварки на напряжения, вызываемые сваркой в любом волокне полосы. На рис. 60 приведены кривые изменения напряжений' в крайнем продольном волокне (противоположном валику) полосы шириною h= 100 мм. Характер этих кривых напоминает характер кривых изменения кривизны полосы, приведенных на рис. 57.
Если же обратиться к исследованиям Розенталя и Цабрса, то они представили зависимость этих напряжений от мощности дугии скорости сварки в виде прямых, привеленныхнарис.61. Однако, если экспериментальные точки, относящиеся к различным скоростям сварки, соединить плавными кривыми (рис. 62), то характер последних будет вполне соответствовать характеру кривых (рис. 60). Таким образом, по Розенталю и Цабрс, напряжения непрерывно возрастают с увеличением мощности, тогда как из кривых теоретических (рис. 60) и экспериментальных (рис. 62) следует, что после достижения напряжениями максимальной величины при некоторой критической силе тока (или мощности) дальнейшее повышение силы тока приводит к понижению напряжений. При этом наибольшая величина напряжений не превосходит предела текучесіи, а критическая величина силы тока тем больше, чем больше скорость сварки.
В экспериментальных исследованиях Розенталя и Цабрса были определены напряжения и в волокнах под валиком. Однако разбросанность экспериментальных точек (рис. 63) и отсутствие какой-либо простой, бросающейся в глаза, закономерности не позволили исследователям предложить какую-либо зависимостьнапряжений иод валиком от режима наплавки и вызвали лишь сомнение в правильности полученных ими экспериментальных данных (точка, соответствующая ^нанлавке со скоростью
| Рис. (Л. Зависимость напряжений’’ на" свободной кромке полосы от мощности! дуги, по Розенталю и Цабрсу. л |
0,665 см! сек.)-
| hBtv ' |
Однако, располагая теоретическими данными о распределении конечных деформаций и напряжений (рис. 54), нетрудно установить искомую зависимость напряжений под валиком от режима сварки. Как отмечалось выше, напряжения в том или ином волокне определяются разностью деформаций X’ и Д, если эта последняя не превышает деформаций ел, соответствующих пределу текучести. Предполагая, что разность X'—Д' для волокна под валиком представляет собою только упругие деформации, пропорциональные им напряжения изобразились бы для различных режимов сварки кривой ОАБВГ (рис. 64). Так как в действительности разность в отдельных случаях значительно превышает деформации єт, то напряжения на участках, где ординаты кривой ОАБВГ превышают предел текучести. будут оставаться постоянными, равными пределу текучести (Ух, в связи с чем действительная зависимость напряжений под валиком от силы сварочного тока представится кривой
012Б34Г. С увеличением рис 52. Зависимость напряжений от мощ - скорости сварки напря - ности дуги по экспериментальным данным, жения будут достигать
предела текучести (при растяжении) при больших силах тока и при более сильных токах переходить из растягивающих в сжимающие. Для очень больших скоростей сварки обычные силы сварочного тока будут давать только первый участок 012 представленной выше зависимости.
Если, учитывая полученный характер зависимости от режима сварки напряжений под валиком, соединить экспериментальные точки (полученные после вертикальной разрезки) соответствую-тими ломаными линиями, то, как видно из рис. 65, полученная теоретическим путем закономерность полностью подтверждается экспериментальными данными, а точка, вызывавшая наибольшие сомнения исследователей, расположится в полном соответствии с установленной зависимостью. б
| 9,276 Л г cl | 0J70s 0,323 | - “1 | ||||
| с | .... г | У0.295 После го У 1 | _ _ | 77Z, Q | ||
| т—- рс /*8,778 . і | 0 --- ... | |||||
| jPQ | /~^І 663- | іесле - ЬертпиУалЬнйіт оазdcзо 3 t | ||||
| ' | p | |||||
| Рис. 63. Зависимость " 'напряжений под валиком от мощности дуги, по Розенталю и Цабрсу. |
Из приведенных на рис. 60 и 64 зависимостей видно, что если напряжения на кромке, противоположной валику (рис. 60), всегда остаются одного знака и меняются от режима сварки только по величине, то напряжения под валиком меняются и по величине и по знаку. Таким образов, могут существовать два типа эпюр напряжений: при малых силах тока или при больших скоростях сварки, т. е. при режимах, создающих малую ширину зоны нагрева, эпюра напряжений будет иметь растяжение под валиком; при больших силах тока или малых скоростях сварки, т. е. при режимах, приводящих к относительно большой ширине зоны нагрева,—эпюра напряжений будет иметь сжатие в волокнах под валиком.
При оценке этого или иного режима сварки, очевидно, следует отдавать предпочтение режимам, приводящим ко второму
| Рис. 64. Зависимость напряжений иод валиком от силы тока и скорости сварки по теоретическим данным. |
типу эпюры напряжений, так как при первом типе эпюры большей частью имеют место не только упругие, но и пластические деформации растяжения, т. е. пластические свойства металла
| v-'Jt12cM/c6H О, IЧем/сен У V v=0,20 см/се, |
частично оказываются использованными еще при изготовлении изделия. Поэтому, говоря о влиянии режима сварки на напряжения, необходимо сравнить не только величину напряжений (пропорциональных упругим деформациям), но и величину пластических деформаций растяжения, которые в большей мере, чем напряжения, отражаются на работоспособности изделия. Так например, в случае выполнения сварки со скоростью, которой соответствует кривая изменения напряжений 012Б34Г (рис. 64) при силе тока в 50 а и при силе тока в 100 а напряжения в волокне под валиком будут одинаковыми и равными as. Однако при выполнении сварки током
пределу текучестив 50 а работоспособность полосы будет понижена по сравнению со случаем сварки током в 100 а, так как в последнем случае пластические деформации будут почти отсутствовать, тогда как в первом случае они будут достигать значительной величины. Если условно напряжения определять не по величине упругих деформаций, а по суммарной величине упругих плюс пластических деформаций, то можно сказать, что в рассматриваемом случае при сварке током в 50 а напряжения будут примерно в 3 раза больше, чем при сварке током в 100 а. При таком условном понимании напряжений зависимость их от силы тока может быть выражена следующим образом: при изменении силы тока от нуля до некоторой критической величины напряжения растяжения растут,
| ■■ | L- | -г | от | 1 і «згз °і | J | |
| . в *650 | А- | J'/iH | 7?см/іек | j | ||
| Й | 336 0 't | Р. 7/ / | pV,! | /і> | 1 | |
| 1 | * * 0 665 | 1 | ||||
| / / | 1 | Г | ||||
| / | j |
| О I г 3 и 5 6 7 # піт |
| Рис. 65. Зависимость напряжений под валиком от мощности дуги по экспериментальным данным. |
после чего, с дальнейшим увеличением силы тока, напряжения уменьшаются, достигают нуля и затем переходят в напряжения сжатия. С увеличением скорости сварки критическая сила тока и сила тока, соответствующая нулевым напряжениям, увеличиваются. Поэтому, рассматривая наибольшие силы тока до критической его величины (рис. 64), придется признать справедливыми приведенные в начале § 19 выводы
Патона Е. О. с сотрудниками; рассматривая изменения силы тока от критического его значения до соответствующего нулевым напряжениям, слелует согласиться с Боленратом; наконец, рассматривая изменения напряжений при изменении силы тока в обе стороны от критического его значения, можно принять формулировку Бюлера, согласно которой слишком высокая и слишком низкая силы тока приводят к уменьшению усадочных напряжений. Таким образом, все выводы, полученные при экспериментальных исследованиях, укладываются в намеченную зависимость и являются ее частными значениями.
Как отмечалось выше, при стыковании на монтаже двух секций конструкции условия для выполнения сварки являются наиболее тяжелыми. Выполнение сварки всего сечения одновременно— совершенно невозможно, а поэтому после наложения части швов …
Если на общие деформации сварных конструкций большое влияние оказывает последовательность наложения отдельных швов, то на местные деформации и деформации из плоскости свариваемых листов существенное влияние оказывает метод выполнения каждого шва. …
Как отмечалось выше, при сварке сложных составных сечений и конструкций характер возникающих деформаций зависит от порядка наложения швов. Поэтому одним из основных средств борьбы с деформациями при изготовлении сварных конструкций …
msd.com.ua
Предотвращение и снижение сварочных напряжений и деформаций
Величина и характер сварочных напряжений и деформаций определяются рядом факторов. Рассмотрим влияние некоторых из них.
Вид и способ сварки. Значительное влияние на величину сварочных деформаций оказывает степень концентрации теплоты. Высокая концентрация теплоты способствует сужению зоны, подвергающейся пластическим деформациям, и уменьшению деформаций конструкций. Это подтверждается опытом применения автоматической сварки под флюсом.
При практически одной и той же погонной энергии сварка под флюсом благодаря большей скорости перемещения дуги (изотермы вытянуты и сдвинуты в область, уже пройденную дугой) вызывает меньшие остаточные деформации, чем ручная дуговая сварка. Снизить величины остаточных деформаций можно также, заменив ручную дуговую сварку покрытыми электродами автоматической или полуавтоматической сваркой в углекислом газе, аргоне, порошковой проволокой или активированной проволокой без дополнительной защиты. Применение полуавтоматической сварки в угл 'кислом газе позволило ~простить технологию изготовления ряда тонколистовых конструкций (кузова тепловозов, электровозов и пр.) и сократить расходы на последующую правку.
Влияние конфигурации шва. От конфигурации шва в известной мере зависят величина и характер остаточных деформаций. При прочих равных условиях Х-образная подготовка кромок благодаря симметричному расположению шва относительно нейтральной оси вызывает меньшую угловую деформацию, чем У- образная. С целью уменьшения деформаций в некоторых случаях целесообразно применять двустороннюю сварку. При сварке под флюсом меньшие деформации происходят в соединениях без скоса кромок. В случае электрошлакового процесса, где сама техника выполнения сварки предопределяет симметричное расположение шва относительно нейтральной оси, угловые деформации весьма невелики. Эффективной мерой уменьшения деформаций является уменьшение сечения шва за счет применения сварочных материалов, обеспечивающих более высокую прочность металла шва. Как показали исследования, при сварке соединения с угловыми швами сечение может быть уменьшено до 40 %.
Режим сварки. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций находятся в прямой зависимости от погонной энергии сварки, которая определяется режимом сварки и зависит от сечения шва или слоя. Увеличение сечения шва или слоя приводит к заметному росту величины остаточной деформации. Для обеспечения минимальной деформации сварной конструкции следует назначать наименьшие (допустимые из условий прочности конструкции) сечения швов и не допускать их увеличения в процессе изготовления конструкции. В отношении уменьшения сечения шва наиболее рациональной является двусторонняя рюмкообразная разделка (рис. 1). На зависимости между величиной остаточной деформации и режимом сварки (погонной энергией) основан расчетный метод определения остаточных деформаций.
Рис. 1. Зависимость между толщиной металла, формой и сечением разделки
Порядок сварки и закрепление свариваемых деталей. На величину возникающих при сварке остаточных деформаций и напряжений существенно влияет порядок наложения шва по его длине и сечению. Наибольшие остаточные деформации образуются при сварке на проход, т.е. при наложении шва от начала до конца без длительных перерывов. При ручной сварке для уменьшения величины деформации швы накладывают от середины к концам. Этот метод эффективен при выполнении шва двумя сварщиками.
При правильном выборе длины ступени обратноступенчатая сварка резко уменьшает величину напряжений и деформаций. При этом способе шов следует разбивать на участки таким образом, чтобы к началу сварки последующего участка температура металла составляла 200-300ºС. При однослойной сварке это условие обеспечивается, если длина ступени равна участку, образованному за счет расплавления одного электрода (при сечении шва, равном 1,2 сечения стержня электрода). Уменьшение деформаций и напряжений при обратноступенчатой сварке связано с тем, что ее выполняют по увеличенному зазору. При охлаждении одновременно с уменьшением ширины шва уменьшается и предварительно расширенный зазор, что способствует уменьшению реактивных напряжений и деформаций.
Для уменьшения величины остаточных напряжений и деформаций при сварке многопроходных швов применяют каскадный метод сварки. Существенное влияние на величину напряжений и остаточных деформаций оказывает направление сварки отдельных швов. Эффективной мерой снижения остаточных деформаций является закрепление свариваемых деталей в специальных приспособлениях-кондукторах.
Предварительный изгиб свариваемых деталей. В производственных условиях для борьбы с деформациями часто применяют предварительный обратный изгиб свариваемых деталей. Этот метод используют для борьбы с угловыми деформациями при сварке стыковых и нахлесточных соединений. При сварке листов небольшой ширины с V-образной разделкой кромок их располагают с предварительным выгибом в сторону, обратную ожидаемой деформации (рис. 2). Листы большой ширины можно укладывать с предварительным изгибом свариваемых кромок (рис. 3). Монтажные стыки с закрепленными листами рекомендуется сваривать с предварительно отогнутыми кромками, что достигается при помощи домкратов или специальных приспособлений (рис. 4). Для предотвращения деформаций из плоскости тавровых или двутавровых сечений производят упругую или пластическую деформацию пояса (рис. 5). С целью устранения продольных деформаций в плоскости при сварке тавровых балок применяют приспособления, которые изгибают балку в сторону, обратную ожидаемой деформации (рис. 6).
Рис. 2. Укладка свариваемых деталей для предотвращения угловой деформации при стыковом соединении
Рис. 3. Обратный изгиб свариваемых деталей для предотвращения угловой деформации при стыковом соединении
Рис. 4. Обратный изгиб свариваемых кромок в местах монтажных стыков
Рис. 5. Обратный изгиб пояса для
предотвращения грибовидной деформации
Предварительный обратный изгиб можно создать с помощью наклепа кромок и стенки балок либо нагревом до температуры 700 - 750º С (рис. 7). Эффективной мерой предотвращения выпучивания стенки в двутавровой балке, вызываемой сваркой поясных швов, является сборка с предварительным натяжением стенки. Для натяжения стенки используют сборочные стенды с домкратным устройством. Повысить жесткость тонких листов в сварных конструкциях с целью уменьшения деформаций можно путем гофрирования. При помощи прессов на тонких листах предварительно выдавливают узоры жесткости или гофры. Мерой уменьшения сварочных напряжений может быть предварительное растяжение или сжатие элемента с помощью продольно сжимающей силы.
Рис. 6. Обратный изгиб балки
Рис. 7. Место нагрева (или наклепа) кромки вертикальной стенки тавровой балки для создания обратного изгиба 1 - область нагрева или на клена
Рис. 8. Характер распределения температуры при сварке стыкового соединения:а - с искусственным охлажден нем, б - без охлаждения
Резкое охлаждение свариваемых деталей. При резком охлаждении сварного соединения нагреваемый при сварке участок, в котором возникают пластические деформации, сужается, что приводит к уменьшению остаточных деформаций и напряжений. На рис. 8 схематически показаны характер распределения температуры и размеры участков пластических деформаций при искусственном охлаждении и без него. При охлаждении участок пластической деформации значительно короче, чем при сварке в обычных условиях.
Однако искусственное охлаждение применимо только при сварке низкоуглеродистых сталей. Для уменьшения остаточных деформаций и напряжений при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легированных закаливающихся сталей метод искусственного охлаждения неприменим, так как он может привести к образованию малопластичных закалочных структур. Некоторое влияние на величину сварочных деформаций оказывает также и начальная температура изделия. При сварке в условиях естественных низких температур деформации снижаются весьма мало.
Влияние подогрева свариваемых деталей. При предварительном или сопутствующем подогреве уменьшается перепад температур между участками сварного соединения, благодаря чему несколько снижаются напряжения. Установлено, что при подогреве до температуры 200º С остаточные напряжения по сравнению со сваркой без подогрева снижаются на 30%. При более высокой температуре подогрева достигаются еще более благоприятные результаты.
Значительный эффект дает и сопутствующий подогрев. При сварке можно проводить как общий, так и местный сопутствующий подогрев. Общий подогрев назначают при сварке деталей небольших размеров или непластичных материалов, например чугуна. При местном подогреве нагревают участок шириной не менее 40 - 50 мм по обе стороны от шва. Нагрев только свариваемых кромок не дает заметного эффекта. При сварке с предварительным или сопутствующим подогревом в большинстве случаев не требуется последующей термообработки (отпуска) конструкции. Подогрев можно осуществлять индукционным способом, газовым пламенем и электрическими нагревателями.
Температура предварительного подогрева зависит от химического состава и толщины металла, а также жесткости конструкции. С увеличением содержания углерода и легирующих примесей, толщины металла и жесткости конструкции необходим подогрев до более высоких температур.
При изготовлении особо ответственных конструкций из низко- углеродистых сталей при толщине металла выше 40 мм иногда применяют предварительный подогрев до температуры 100- 120º С. При сварке среднеуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей целесообразно применять предварительный подогрев до температуры 150--200ºС при толщине металла более 30 мм.
oitsp.ru
Сварочная ванна
Объем расплавленного металла, образующийся при сварке плавлением под воздействием источника тепла, называют сварочной ванной. Различают сварочную ванну первого типа, образующуюся, например, при дуговой или газопламенной сварке, и второго типа, образующуюся при электрошлаковой сварке. Рассмотрим подробнее сварочную ванну первого типа, поскольку она встречается чаще (рис. 1).
Рис. 1. Схема образования шва при дуговой сварке: 1 - линия (зона) сплавления; 2 - частично оплавленные зерна основного металла; 3 - столбчатые кристаллиты; 4 - кристаллизационные слои; 5 - автономные неориентированные кристаллиты; S - толщина свариваемой кромки; h - глубина проплавления; е - ширина шва; q - высота усиления шва
Первичная кристаллизация металла сварочной ванны
Процесс кристаллизации металла состоит из трех стадий. Это переохлаждение жидкого металла, образование центров кристаллизации и рост кристаллитов от этих центров.
Переохлаждение — это охлаждение жидкого металла до температуры ниже температуры его плавления. От наличия переохлаждения зависит вторая стадия процесса кристаллизации: образование центров кристаллизации, зародышей будущих кристаллитов. Атомы расплавленного металла не могут самопроизвольно сложиться в кристаллиты. Необходимо, чтобы в расплаве была готовая твердая поверхность, на которой будут откладываться атомы из жидкого металла, нужны твердые зародыши будущих кристаллитов - центры кристаллизации.
Расплав чистых металлов имеет однородный (гомогенный) состав, в нем нет примесей и посторонних включений. Если такой расплав охлаждать, то его переохлаждение будет увеличиваться до критического значения. Например, для железа это на 295 0С, для меди на 263 0С, для алюминия на 135 0С ниже температуры плавления. При таком переохлаждении в жидкости начинают создаваться устойчивые группировки атомов, некоторые из которых становятся центрами кристаллизации. Такие зародыши образуются сразу во всем объеме жидкости, кристаллиты растут на них во всех направлениях, мешая друг другу. Получается мелкозернистая однородная структура с хорошими механическими свойствами.
Однако при сварке гомогенного расплава не бывает. Металл сварочной ванны неоднородный (гетерогенный). В нем могут быть не полностью расплавившиеся частицы основного, присадочного или легирующих материалов, он контактирует по границам ванны с частично оплавленными зернами основного металла. Эти твердые поверхности при сварке являются гетерогенными зародышами кристаллитов. Такие зародыши можно создавать искусственно, например вводя в сварочную ванну порошки элементов-модификаторов. Более тугоплавкие частицы этих элементов, находясь в металле ванны во взвешенном состоянии, служат центрами кристаллизации, что измельчает структуру шва и улучшает его свойства. При сварке стали модифицировать металл шва можно, вводя в хвостовую часть ванны железные опилки.
Рис. 2. Схема кристаллизации металла в сварочной ванне
Вторичная кристаллизация и строение сварного соединения
С затвердеванием металла шва структурные превращения в нем не заканчиваются. Например, при сварке стали первичные кристаллиты сразу после их образования состоят из аустенита - твердого раствора углерода и легирующих элементов в γ-железе, существующего при высоких температурах (750... 1500 0С ). В процессе охлаждения аустенит распадается, превращаясь в зависимости от состава стали и скорости охлаждения в другие фазы: пластичный феррит, более прочный перлит и прочный, но малопластичный мартенсит. Скорость охлаждения зоны сварки обычно велика, и структурные превращения не успевают произойти до конца. Следовательно, меняя скорость охлаждения сварного соединения, подогревая или искусственно охлаждая его, можно в некоторых пределах управлять вторичной кристаллизацией металла шва и его механическими свойствами. Теплота, выделяемая источником нагрева, при сварке распространяется в основной металл. Его участки нагреваются до температуры плавления на границе сварочной ванны и имеют температуру окружающей среды вдали от нее. Это не может не сказаться на структуре металла. Зону основного металла, в которой в результате нагрева и охлаждения металла происходят изменения структуры и свойств, называют зоной термического влияниия (ЗТВ). Каждая точка в ЗТВ в зависимости от расстояния до оси шва достигает различной максимальной температуры, нагревается и охлаждается с различными скоростями. Изменение температуры данной точки во времени называют термическим циклом. Каждая точка ЗТВ имеет при сварке свой термический цикл. Значит, металл в ЗТВ подвергается в результате сварки нескольким видам термической обработки. Поэтому в ЗТВ наблюдаются четко выраженные участки с различной структурой и свойствами.
У каждого свариваемого материала в ЗТВ будут свои, характерные для этого материала, структурные участки. Наиболее наглядна эта структурная неоднородность ЗТВ при сварке плавлением низкоуглеродистой стали (рис. 3). Непосредственно к металлу шва примыкает участок неполного расплавления 1. Это тонкая (в несколько микрон) переходная полоска от металла шва к основному металлу, состоящая из частично оплавленных зерен основного металла. Металл участка неполного расплавления химически неоднороден, в нем концентрируются напряжения. Этот участок сильно влияет на свойства соединения в целом. За ним следует участок перегрева 2, В нем металл нагревается до температуры выше 1130 0С, зерно успевает сильно вырасти и при охлаждении не измельчается. Здесь возможно выделение пластичной фазы - феррита - не по границам зерен, а внутри их в виде иголок или пластинок. Такая структура называется видманштедтовой. Она обладает плохими механическими свойствами, в частности низкой ударной вязкостью. Участок неполного расплавления и участок перегрева вместе называют околошовной зоной. При температуре 900... 1100 0С образуется участок нормализации (полной перекристаллизации) с мелкозернистой структурой. В этом участке длительность пребывания металла при высокой температуре невелика, зерно не успевает вырасти, а при охлаждении - измельчается. Поэтому металл здесь имеет самые высокие механические свойства. Участок 4 неполной перекристаллизации определяется диапазоном температуры 723...900 0С. Конечная структура на этом участке состоит из крупных зерен, не успевших пройти перекристаллизацию, и расположенных между ними мелких зерен, образовавшихся при перекристаллизации. По механическим свойствам металл здесь хуже, чем на участке нормализации 3, но лучше, чем на участке перегрева. На участке рекристаллизации 5 металл нагревается до температуры 500...723 0С. Структура его не изменяется, но если сваривался металл, подвергавшийся холодной прокатке, или легированный металл после термообработки (например, закалки), то на этом участке восстановится исходная структура металла. При этом несколько уменьшится прочность, но возрастет пластичность металла.
Рис. 3. Структура зоны термического влияния при сварке плавлением низкоуглеродистой стали: а - распределение максимальной температуры; б — термические циклы точек ЗТВ; в - структурные участки ЗТВ
На участке 6, нагревающемся до температуры ниже 500 0С, видимых изменений структуры не происходит. Однако металл здесь охлаждается очень медленно, подогреваясь от соседних участков, и поэтому вплоть до температуры 100 0С по границам зерен могут выделяться микроскопические частицы примесей. Это явление называют старением металла. В результате старения снижается вязкость, чему также способствуют образующиеся в процессе сварки пластические деформации металла вследствие его теплового расширения. Охрупчивание металла, нагревавшегося до температуры, при которой образуются синие цвета побежалости (200...400 0С ), называют синеломкостью, а участок 6 - участком синеломкости.
Ширина зоны термического влияния зависит от количества тепловой энергии, приходящейся на единицу длины шва, - погонной энергии. При ручной дуговой сварке, например, стали ширина ЗТВ составляет 5...6 мм, при газопламенной сварке она доходит до 25 мм.
Зона термического влияния в сварном соединении.
Зона термического влияния (околошовная зона) – участок металла, испытывающий воздействие высоких температур сварочной дуги.
В зависимости от температуры нагрева, структурных и физико-механических изменений в зоне термического влияния различают следующие участки:1 – неполного расплавления; 2 – перегрева; 3 – нормализации; 4 – неполной перекристаллизации; 5 – рекристаллизации; 6 – синеломкости.
1)Наплавленный металл в термическом цикле находится в температурном режиме свыше 1500°С.
И имеет структуру металла столбчатой формы с пониженными механическими свойствами.
Наплавленный металл-это основной шов в сварном соединение.
2)Участок неполного расплавления происходит в температурном режиме от свыше 1400°С. Свыше 1500°С имеющий структуру металла крупно-зернистую с повышенной хрупкостью.
Этот участок является переходным от наплавленного металла к основному, и в сварном соединение является линией сплавления, самое слабое звено сварного шва.
3)Участок пергрева находится в границах нагрева металла от 1100°С до свыше 1400°С, где происходит рост зерна что снижает механические свойства сталей. На участке перегрева часто происходит разрушения в виде трещин.
4)Участок нормализации происходит на границах нагрева от свыше 800°С до 1100°С здесь происходит полная перекристаллизация (изменение кристаллической решетки). Металл этой зоны имеет мелкозернистую структуру и хорошие механические свойства . Обладает высокой прочностью, пластичностью, даже большей чем основной металл.
5)Участок неполной перекристализации включает в себя металл, образующийся при нагреве свыше 700°С до 900°С. Этот участка состоит из крупных зерен, не прошедших перекристаллизацию, и скопление мелких зерен, прошедших перекристаллизацию. Механические свойства металла участка в связи со смешанной структурой невысокие. В сварном шве он является промежуточным положением между сварным швом и основным металлом.
6)Участок рекристаллизации образуется при нагреве от температуры свыше 500°С до свыше 700°С. На участке происходит восстановление формы и размера зерен.
7)Участок синеломкости включает в себя металл, образующийся при температуре от 200°С до свыше 500°С. Участок, по структуре металла не отличается от основного металла, однако имеет несколько пониженные пластичность и вязкость, и большую склонность к образованию трещин.
Ширина околошовной зоны зависит от толщины металла, вида и режима сварки. При ручной дуговой сварке она составляет обычно 5-6 мм, при автоматической сварке под слоем флюса ЗТВ составляет 2,5 мм и т.д.
Напряжения и деформация при сварке. Горячие и холодные трещины.
Любое силовое воздействие на тело сопровождается возникновением в нем напряжений и развитием деформаций.
Напряжением называют силу, отнесенную к единице площади сечения тела: о = P/F, где о - напряжение, МПа; Р - действующее усилие, Н; F - площадь поперечного сечения детали, м2.
В зависимости от характера приложенных сил различают напряжения растяжения, сжатия, изгиба, кручения и среза.
Деформацией называют изменение размеров или формы тела под действием приложенных к нему сил. Деформации могут быть упругими и пластическими. Если размеры и форма тела восстанавливаются после прекращения силового воздействия, то такая деформация является упругой. Деформацию, остающуюся после снятия нагрузки, называют пластической или остаточной.
Помимо напряжений и деформаций, возникающих в деталях под действием приложенных нагрузок, в них могут быть так называемые собственные напряжения и деформации и существующие в телах при отсутствии внешних сил. К ним относятся и сварочные напряжения и деформации, наблюдаемые в свариваемых деталях. В зависимости от продолжительности существования их разделяют на временные, существующие в период выполнения сварки, и на остаточные, устойчиво сохраняющиеся в течение длительного времени после сварки. В зависимости от характера и объемов распределения напряжения различают одноосные (линейные), двуосные (плоскостные) и трехосные (объемные), а также напряжения I рода (в макрообъемах тела), II рода (в пределах кристаллических зерен металла) и III рода (в пределах кристаллической решетки).
Сварочные деформации обычно характеризуют прогибами элементов, углами поворота, укорочениями, величинами выхода точек тела из плоскости равновесия и др. (рис. 1).
Деформации, приводящие к изменению размеров всего изделия, искривлению его геометрических осей, называют общими. А деформации, относящиеся к отдельным участкам его, называют местными.
Причины возникновения напряжений и деформаций при сварке
Основными причинами возникновения собственных напряжений и деформаций в сварных соединениях и конструкциях являются неравномерное нагревание металла при сварке, литейная усадка, структурные и фазовые превращения в затвердевающем металле при охлаждении.
Горячие трещины — хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердо-жидком состоянии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии.
При кристаллизации жидкий металл шва сначала переходит в жидко-твердое, а затем в твердо-жидкое и, наконец, в твердое состояние.
В твердо-жидком состоянии образуется скелет из кристаллитов затвердевшего металла (твердой фазы), в промежутках которого находится жидкий металл, который в таком состоянии обладает очень низкой деформационной способностью и малой прочностью. Когда металл полностью закристаллизуется, его пластичность и прочность возрастают. Температурный интервал, в котором металл находится в твердо-жидком состоянии, характеризующийся очень низкой прочностью и пластичностью, называется температурным интервалом хрупкости.
При охлаждении одновременно с процессами кристаллизации в этом температурном интервале в связи с усадкой шва и линейным сокращением нагретого металла в шве начинают накапливаться внутренние деформации, которые приводят к образованию горячих трещин.
Горячие трещины могут образовываться как вдоль, так и поперек шва.
Холодные трещины — локальные межкристаллические разрушения, образующиеся в сварных соединениях преимущественно при нормальной температуре, а также при температурах ниже 200°С.
Причины холодных трещин при сварке:
· охрупчивание металла вследствие закалочных процессов при быстром его охлаждении;
· остаточные напряжения, возникающие в сварных соединениях;
· повышенное содержание водорода в сварных швах, который усиливает неблагоприятное действие первых двух главных причин.
Машинное время при фрезеровании.
Время, в течение которого происходит процесс снятия стружки без непосредственного участия рабочего, называется машинным временем (например, на фрезерование плоскости заготовки с момента включения механической продольной подачи до момента ее выключения). Машинное время Т при фрезеровании определяется по формуле, общей для всех видов обработки: Тм = (L/sм)i где L - длина перемещения инструмента или заготовки (с учетом врезания и перебега), мм; i - число проходов; sм - минутная подача инструмента или заготовки, мм/мин. В свою очередь длина перемещения (рис. 258) L = l+y+Δ. где l - длина обрабатываемой заготовки, мм; L - величина (путь) врезания, мм; Δ - величина перебега (выхода) фрезы, мм.
Величина врезания 1 определяется по формулам: для цилиндрических, дисковых, отрезных и фасонных фрез (рис. 258, а}, а также для торцовых фрез при несимметричном фрезеровании (рис. 258, б): у = √t(D - t), для торцовых и концевых фрез при симметричном фрезеровании (рис. 258, в): У = (D-√D3-t2)/2, для торцовых фрез при несимметричном фрезеровании (рис. 258, г): y = D/2 - √c(D - с). Величину перебега Δ выбирают в зависимости от диаметра фрезы в пределах 2 - 5 мм.
Автоматизация процесса сварки плавящимся электродом.
Цикл начинается с операции «Возбуждение дуги». Для надежного возбуждения дуги применяют способ отрыва конца электродной проволоки от свариваемого изделия в момент включения сварочного напряжения на автомате источнике питания. Перед началом сварки конец электродной проволоки подводят к детали до получения с ней электрического контакта. При включении автомата появляется сварочное напряжение между свариваемым изделием и электродной проволокой и запускается двигатель механизма подачи, который начинает отводить конец электродной проволоки от детали, возбуждая дугу. По мере отвода конца электродной проволоки напряжение на дуге возрастает, и когда оно достигает определенной величины, двигатель реверсируется и начинает подавать электродную проволоку в зону дуги. Время этой операции на циклограмме обозначено t1. После возбуждения дуги начинается операция «Сварка», во время которой в зону дуги подается электродная проволока и перемещается сварочная каретка. Длительность операции, обозначенная на циклограмме t2, зависит от длины шва и скорости сварки. После окончания операции «Сварка» происходит растяжка дуги, осуществляется она путем прекращения подачи электродной проволоки в зону дуги без выключения сварочного напряжения. Под действием напряжения дуга продолжает гореть, и конец электродной проволоки оплавляется, растягивая дугу до тех пор, пока она не оборвется. При обрыве дуги выключается сварочное напряжение. Время операции «Растяжка дуги» обозначено на циклограмме t3 На рис. 8.3, б представлена функциональная схема системы управления циклом сварки. При замыкании выключателя S через реле включения контактора РВК включается контактор источника питания КИП, подавая сварочное напряжение на электрод. В это же время с помощью системы управления электроприводом подачи проволоки СУЭП и устройства реверса двигателя УРД запускается двигатель подачи проволоки ДПП. Конец электродной проволоки отводится от детали, дуга возбуждается, и напряжение на ней (Уд начинает увеличиваться. Через схему совпадения И напряжение дуги подается на пороговое устройство ПУ, которое срабатывает при достижении напряжением заранее установленного значения. Сработав, пороговое устройство запускает через систему управления электроприводом каретки СУЭК двигатель перемещения каретки ДПК и с помощью устройства реверса УРД реверсирует ДПП. С этого момента начинается подача электродной проволоки в зону дуги и происходит сварка. По окончании сварки элемент S выключают, и двигатель ДПП останавливается, прекращая подачу проволоки. Останавливается также и двигатель ДПК, так как пороговое устройство вернулось в исходное состояние из-за снятия сигнала со входа схемы И выключателем S. Контактор КИП продолжает оставаться включенным, потому что РВК снабжено устройством задержки на отпускание УЗО. Происходит растяжка дуги. По истечении времени t3, определяемого УЗО, реле РВК обесточивается, и контактор КИП отключает сварочное напряжение. На этом цикл работы заканчивается.
studfiles.net
Деформации и напряжения при сварке
Сентябрь 9, 2017
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.
electrod.biz
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА И УСЛОВИЙ СВАРКИ НА СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ
СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ
і9. Характер деформаций при различных режимах наплавки валика на кромку полосы
Вопрос о влиянии режима сварки на величину напряжений, возникающих при сварке, и на размеры коробления сваренного изделия является одним из тех вопросов, по которым, несмотря на их исключительно важное значение для производства, до сего времени нет установившегося мнения. Так, например, проф. Хренов К. К. [13] указывает, что „чем больше тепла вводится в металл при сварке, тем больше получаются деформации". К тому же выводу, казалось бы, приходит в результате своих исследований и проф. Николаев Г. А. [11], когда он заявляет, что „величина деформаций резко падала при применении режимов с пониженным калориметрическим эффектом"; однако он тут же вынужден отметить, что. применение электродов большого диаметра (режим №8) не вызвало увеличения деформаций по сравнению с нормальным режимом". Таким образом, увеличение диаметра электрода до 11 мм, а силы тока до 450 а (как это имело место при режиме № 8), несмотря на сильное повышение нагрева, не вызвало увеличения деформаций, как того можно было ожидать, придерживаясь мнения проф. Хренова К. К. или толкуя выводы проф. Николаева Г. А. о влиянии режимов с резко пониженным калориметрическим эффектом (электроды диаметром 3 мм сила тока 7=125 я).
Такое же разнообразие мнений и результатов исследований имеется и по вопросу о влиянии режима сварки на величину внутренних „усадочных* напряжений, усложненное еще отсутствием единообразия в понимании термина „внутренние" или „усадочные" напряжения. Так, например, Патон Е. О., Горбунов Б. Н. и Берштейн Д. И. [14] считают, что малые усадочные напряжения имеют место при сварке малыми силами тока, а большие усадочные напряжения — при сварке сильным током. В то же время Боленрат [15] приходит к заключению, что при узких зонах разогрева (т. е. при малых силах тока) „наибольшие напряжения... больше, чем при широких зонах разогрева". К иному выводу 68приходит Бюлер [16] на основании исследований, проведенных им совместно с Ломан {17], утверждая, что „увеличение диаметра электрода вызывает вне зависимости от основного материала и типа электрода уменьшение усадочных напряжений, в той же мере влияет и слишком высокая и слишком низкая сила тока".
Можно было бы привести выводы еще целого ряда исследований (Стручкова А. Ф. [18], Розенталь и Цабрс [19] и др. ), ко и приведенного достаточно для того, чтобы показать, сколь разнообразны, а в ряде случаев и прямо противоречивы мнения и результаты различных исследований.
| 1 / v=V,12 см/сек | 1=155 а | |
| h-100 мм | Хл~.П'$а | |
| L - 500мм | ||
| *) 7 'Л ------ L*. | Г 18 | 15 20 t яиц- |
| - V / Ч-/ | ||
| CdODKO | ОсліЬібание | |
| 3. |
| fjtж, f.5 V 0,5 о -0,5 -15 |
| Рис. 52. Изменение стрелки прогиба полосы при различных режимах наплавки на кромку. |
Однако можно показать, что эти противоречия лишь кажущиеся. Надо учесть, что различные авторы применяли образцы различных форм и размеров и исследовали различные, и при том сравнительно узкие, области сварочных режимов, что неизбежно при экспериментальных методах исследования, которые только и применялись при разрешении поставленных вопросов.
Возможность использования теоретического метода определения деформаций позволила автору [20] более широко исследовать влияние различных факторов на деформации при наплавке валика на кромку полосы, так как при этом условия сварки можно было менять в столь широких пределах, как это было необходимо для установления действующих закономерностей.
Влияние режима сварки на характер деформаций полосы в процессе наплавки видно из кривых, представленных на рис. 52. Приведенные три кривые вычислены для наплавки валика различными силами тока, хотя и сильно отличающимися по своей величине, но вызывающими, как это видно из рис. 52, примерно одинаковые конечные стрелки прогиба.
Однако в процессе сварки деформации в рассматриваемых трех случаях существенно различны, главным образом по величине отрицательных стрелок прогиба. С увеличением силы тока, т. е. с увеличением нагрева, отрицательные стрелки прогиба р істут, тогда как положительные изменяются незначительно. Такое положение становится понятным, если рассмотреть эпюры кривизны С для трех приведенных режимов наплавки. Эти эпюры приведены на рис. 53, из которого видно, что большая сила і ока вызывает увеличенный участок положительной кривизны (и по величине ординат и по длине участка).
Для того чтобы установить причины, вызвавшие расхождение между деформациями в процессе наплавки и конечнымистрелками прогиба, следует проследить за изменением характера деформаций полосы при наплавке валика различными режимами.
Если при применении малой силы тока It или большой скорости сварки vv характер деформации в момент наибольшего нагрева и в момент полного остывания после окончания сварки может быть представлен графиками, приведенными на рис. 54, а, то при выполнении наплавки более сильным током /2 или с меньшей скоростью vг ширина зоны нагрева Ь.2 (рис. 54, 6) увеличится по сравнению с шириной Ьх (рис. 54, а). При этом действительные деформации в момент наибольшего нагрева увеличатся, в связи с чем, соответственно, уменьшатся пластические деформации сжатия г2 (по сравнению с величиной elt
| ■-S Рис. 53. Кривые изменения кривизны С для полосы при различных режимах наплавки па кромку. |
имевшей место в случае, изображенном на рис. 54, а). После полного остывания ординаты кривой X' также уменьшатся* что, однако, приведет к увеличению действительных деформаций и увеличению кривизны полосы по сравнению со случаем, представленным на рис. 54, а.
Характерной особенностью полученной эпюры конечных деформаций (рис. 54, б) является наличие на кромке под валиком почти нулевых напряжений при весьма сниженных (и по величине, и по ширине зоны распространения) пластических деформациях растяжения.
Дальнейшее увеличение силы тока или уменьшение скорости сварки и, следовательно, увеличение ширины зоны нагрева приводит, как это видно из рис. 54, в, к дальнейшему уменьшению ординат кривой Х3. При этом начинают уменьшаться ординаты прямой Д3 и конечная кривизна полосы. Напряжения под валиком становятся сжимающими, а пластические деформации растяжения приближаются к нулю.
Характер эпюры конечных деформаций остается примерно тек же и при дальнейшем увеличении ширины зоны нагрева (за счет увеличения силы тока или уменьшения скорости сварки). При этом кривизна полосы заметно уменьшается (рис. 54, г), под валиком растут напряжения сжатия, остаточные пластические деформации растяжения отсутствуют.
Рассмотренные эпюры конечных деформаций полосы с наплавленным различными режимами валиком позволяют установить закономерность изменения кривизны и напряженного состояния полосы в зависимости от режима сварки.
Как отмечалось выше, при стыковании на монтаже двух секций конструкции условия для выполнения сварки являются наиболее тяжелыми. Выполнение сварки всего сечения одновременно— совершенно невозможно, а поэтому после наложения части швов …
Если на общие деформации сварных конструкций большое влияние оказывает последовательность наложения отдельных швов, то на местные деформации и деформации из плоскости свариваемых листов существенное влияние оказывает метод выполнения каждого шва. …
Как отмечалось выше, при сварке сложных составных сечений и конструкций характер возникающих деформаций зависит от порядка наложения швов. Поэтому одним из основных средств борьбы с деформациями при изготовлении сварных конструкций …
msd.com.ua
