От чего зависит величина деформации свариваемого металла

Напряжения и деформации при сварке

Напряжения и деформации в металлических сварных конструкциях возникают в результате нарушений технологии выполнения работ. О надежности в таких случаях говорить не приходится, поскольку на стыках образуются трещины, которые в конечном итоге приводят к разрушению конструкции. Помимо этого не исключается деформация металлических элементов. Часто она настолько критична, что эксплуатация изделия невозможна.

  • Определение мест образования деформаций и напряжений
  • Причины возникновения деформаций и напряжений при сварке
  • Виды сварочных деформаций
  • Как избежать деформации металла при сварке
  • Временные и остаточные напряжения – методы устранения
  • Методы устранения деформаций

Определение мест образования деформаций и напряжений

Сварочные напряжения – это направленные на соединительный шов механические воздействия постоянного характера. Они могут быть:

  • изгибающего действия;
  • растягивающего;
  • срезающего;
  • сжимающего;
  • растягивающего.

Сварочные деформации – это изменение формы конструкции в результате воздействия внутренней силы. Точка приложения этой силы приходится на места сварки. Деформации могут проявляться не сразу, а по истечении некоторого времени как результат усталости металла или после начала эксплуатации под воздействием дополнительных нагрузок. При благоприятных раскладах возможен минимальный ущерб, который выражается снижением устойчивости к воздействию коррозии. Если же внутреннее напряжение слишком высокое, то не исключается разрушение конструкции.

Причины возникновения деформаций и напряжений при сварке

Напряжения и деформации во время сварки могут возникать по нескольким причинам. Их принято разделять на две группы: основные и побочные. Отличительная особенность между ними состоит в том, что первые образуются во время сварочного процесса и объективно неизбежны. А вот побочные напряжения можно и нужно предотвращать.

Основные причины деформаций, относящиеся к второй группе (побочные):

    1. Неравномерный нагрев металлической заготовки. Суть физического процесса сводится к тому, что металл с более высокой температурой расширяется больше. Между двумя примыкающими слоями с разной температурой образуется напряженность. Она тем больше, чем выше показатели температуры и, соответственно, коэффициент теплового расширения. С возрастанием значений прямо пропорционально увеличивается и вероятность деформации конструкции.
    2. Усадки имеют место в тех случаях, когда жидкий металл резко охлаждается и переходит в твердое состояние. Во время этого процесса прилегающие участки растягиваются, в результате чего создается внутреннее напряжение металла, которое может быть как продольным, так и поперечным по отношению к стыку. В первом случае вероятно изменение длины заготовки, а во втором – образование угловой деформации.
    3. Структурные изменения. Соединение заготовок из высокоуглеродистой и легированной стали сопровождается большим нагревом заготовок. В результате этого имеет место закаливание металлов, сопровождаемого изменением объема и значений коэффициента теплового расширения. В результате этих процессов образуется напряжение, приводящее к образованию трещин на видимой части шва и внутри него. Исключением является процесс сваривания стали с содержанием углерода до 0,35%. В этом случае структурные изменения тоже имеют место, но они настолько малы, что существенного влияния на качества соединения не оказывают.

К побочным причинам деформаций причисляют:

  • неверный выбор электродов,
  • сварка выполнялась в неправильном режиме;
  • нарушения технологии выполнения сварочных работ;
  • плохая подготовка кромок;
  • ошибка при выборе типа шва;
  • слишком маленькое расстояние между двумя разными швами;
  • большое количество точек пересечения;
  • неопытность специалистов;
  • ошибки конструктивного характера.

Виды сварочных деформаций

Сварочные напряжения могут быть структурными или тепловыми в зависимости от причин их образования. Как понятно из названия, тепловые возникают в процессе нагрева или остывания заготовок, а структурные – в результате внутренних изменений материала. Они могут проявляться и комплексно, например, в случае сваривания высокоуглеродистых и легированных сортов стали.

Если принять во внимание место действия, то напряжения возникают в пределах всей конструкции, сварного соединения, в зернах или кристаллической решетке металла. По виду напряженного состояния их разделяют на три группы:

  • Линейные. Характеризуются односторонним направлением действия;
  • Плоские. Имеют двустороннюю направленность воздействия;
  • Объемные. Действие напряжения направлено по трем осям.

Деформация, которая возникает во время сварочных работ, называется общей. В случаях, когда меняются форма и размеры одной или нескольких расположенных рядом свариваемых деталей, деформация называется местной.

Деформации принято различать и по продолжительности действия. Временными называют те, воздействие которых проявляется исключительно в период выполнения сварочных работ. Геометрические параметры восстанавливаются после остывания металла. Изменение формы, которое остается и после того, как устранена сама причина ее образования, называется остаточной. В случаях, когда геометрические параметры после работы приходят в начальную форму, деформации принято называть упругими, в обратном случае – пластическими.

Как избежать деформации металла при сварке

Для уменьшения вероятности деформации деталей и готовой конструкции специалисты рекомендуют придерживаться некоторых правил:

  1. На этапе проектирования сделать расчет деформаций для нормального формирования сварочного шва, выбрать оптимальные припуски для усадки.
  2. Расположить швы желательно симметрично относительно осей узлов.
  3. При проектировании не допускать, чтобы в одной точке пересекалось больше трех швов.
  4. Перед началом сварочных работ проверить, все ли зазоры на стыках соответствуют расчетным показателям.
  5. Не формировать сварочные швы в местах предполагаемой концентрации внутренних напряжений металла.

В целях уменьшения деформации металла и напряжений внутри материалов во время выполнения сварочных работ специалисты используют специальные приемы. Наиболее эффективные из них:

  • Создание дополнительных очагов деформации, вектор которых направлен в противоположную сторону.
  • Длинные швы (1 метр и более) разбиваются на несколько участков до 15 см каждый. Сваривание выполняется обратноступенчатым методом.
  • Часто помогает снижение температуры в сварочной зоне. Для этого во время сварки под стыки подкладываются графитовые или медные пластины.
  • Расположенные недалеко друг от друга стыки свариваются так, чтобы деформации компенсировали одна другую.
  • При соединении заготовок из вязких металлов применяются технологии и методы, направленные на снижение остаточных явлений.
  • Если условиями эксплуатации допускается возможность создания коротких швов, то следует делать стыки как можно меньше.

  • При сваривании желательно делать как можно меньше проходов.
  • В случаях, когда предусматривается формирование двухстороннего шва, следует наплавлять слои с каждой стороны попеременно.
  • Перед началом работы можно выгнуть края заготовок в сторону противоположную направлению деформации. После остывания они вернутся в исходное положение.
  • Количество прихваток должно быть минимальным.
  • Небольшие заготовки и узлы приваривать с использованием кондукторов и шаблонов.
  • Временные и остаточные напряжения – методы устранения

    Для снятия напряжений отлично подходят механическая обработка и отжиг. Температурное воздействие выполняется в случаях, когда возникает необходимость в точном соблюдении заданных размеров. Отжиг может быть местным или общим. Металл нагревается до температуры 550-680 °C. Работы выполняются в три приема: разогрев, выдержка при заданной температуре и охлаждение.

    Механическое снятие напряжений включает обработку соединений проковкой, взрывом, вибрацией или прокаткой. Преследуемая цель – создание обратно направленной нагрузки. Для проковки горячей или холодной чаще всего применяется пневматический молот. Для создания вибраций применяется специальное устройство, генерирующее колебания в диапазоне от 10 до 120 Гц. Способ воздействия выбирается с учетом сложности конструкции, формы и размеров деталей.

    Методы устранения деформаций

    Существует несколько способов устранения дефектов геометрии конструкции: термический с местным или общим нагревом, чисто механический и комбинация этих двух способов – термомеханическое устранение дефектов. В случае применения термического способа правки с полным обжигом конструкцию изначально закрепляют в устройстве, которое будет создавать давление на деформированный участок. После этого ее нагревают в печи.

    При локальном нагреве упор делается на сжимании металла при остывании. Для устранения изъяна участок прогревается с помощью сварочной дуги или газовой горелки. Поскольку соседние участки металла остаются холодными, то зона нагрева носит локальный характер и расширяется незначительно. После остывания дефективный участок выпрямляется, а его форма становится приемлемой.

    Термическое воздействие является пригодным для исправления всех вариантов дефектов. Но при работе с тонкостенными листовыми материалами следует учитывать особенности:

    • нагрев очень быстро распространяется по большой площади тонкого листа. В силу этих причин силы сжатия бывает недостаточно для устранения деформации;
    • максимально допустимая температура локального нагрева составляет 600-650 °C. В противном случае буду образовываться новые дефективные участки и деталь станет непригодной для дальнейшей эксплуатации.

    Исправление механическим путем подразумевает создание обратно направленных нагрузок на растянутые участки. Самые распространенные способы воздействия – вальцовка, изгибание, ковка, прокатка, растяжка.

    Термомеханическая правка включает разогрев участка до 700-800 °C с последующим механическим воздействием. Участки с сильным деформированием исправляют следующим способом. Сначала делают обратные куполообразные выступы, после чего нагревают и резко охлаждают.

    Способ устранения деформации выбирается в зависимости от сложности и размеров конструкции. При этом учитываются показатели трудозатрат, финансовые издержки и расход материалов.

    Сварочные напряжения и деформации

    Образование напряжений и деформаций при сварке обычно связано с несоблюдением технологических требований. Такие соединения ненадежны, так как на швах могут появиться трещины, снижающие прочность. После деформации при сварке геометрические параметры могут измениться настолько, что конструкция будет непригодна для эксплуатации.

    Определение сварочных напряжений и деформаций

    Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению. По направленности они могут быть:

    • растягивающего действия;
    • изгибающего;
    • крутящего;
    • сжимающего;
    • срезающего.

    Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил. Нарушения могут проявиться не сразу после завершения сварочных работ, а во время эксплуатации из-за увеличения нагрузки. В лучшем случае снизится антикоррозийная устойчивость, в худшем ― разрушится конструкция.

    Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению.

    Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил.

    Причины возникновения

    Причины образования деформаций и напряжений при сварке подразделяются на основные и побочные категории. К первым относят те, которые возникают во время сварки, поэтому неизбежны. Вторые нужно предотвращать.

    Читайте также  Какие бывают сплавы металлов список

    Основные причины возникают как следствие:

    1. Неравномерного нагрева сварочной зоны и прилегающих участков. Более горячий металл расширяется больше чем холодный, поэтому между слоями с разной температурой начинает концентрироваться напряженность. Ее величина определяется степенью нагревания и коэффициентом теплового расширения. Чем больше эти значения, тем выше вероятность нарушения геометрии конструкций.
    2. Усадки. Когда при охлаждении после сварки металл переходит из жидкой фазы в твердое состояние, объем уменьшается. Этот процесс сопровождается растягиванием прилегающих участков с образованием напряжений, направленных вдоль или поперек шва. Продольное воздействие изменяет длину соединения, а поперечное способствует образованию угловой деформации.
    3. Структурных изменений. При сварке высокоуглеродистой или легированной стали с большим нагревом происходит процесс закаливания с изменением объема и коэффициента теплового расширения. Это явление создает напряжения, приводящие к образованию трещин внутри и на поверхности швов. У сталей, в составе которых углерода меньше 0,35%, структурные изменения настолько малы, что не оказывают существенного влияния на качество сварных соединений.

    К побочным причинам причисляют:

    • неправильный выбор электродов или режимов сварки, некачественная подготовка деталей перед сваркой, другие нарушения технологии;
    • неверный выбор вида швов или малое расстояние между ними, большое количество точек пересечения соединений и прочие конструктивные ошибки;
    • неопытность сварщиков.

    Классификация напряжений и деформаций

    В зависимости от причины образования напряжения называются тепловыми и структурными. Первые возникают во время нагрева/остывания, вторые возникают при структурной перестройке металла. При сварке легированных или высокоуглеродистых сортов стали они проявляются совместно.

    По месту действия напряжения присутствуют в границах конструкции, зернах, кристаллической решетке металла. По виду напряженного состояния их называют:

    • линейными, с односторонним действием;
    • плоскостными, действующими по двум направлениям;
    • объемными, распространяющиеся по трем осям.

    По направленности продольные напряжения действуют вдоль сварного соединения, а поперечные перпендикулярно.

    Деформацию конструкции, которая происходит в процессе сварки, называют общей, а если изменяются размеры и форма только одной или нескольких деталей ― местной. По продолжительности существования действие временных сварочных деформаций проявляется только в процессе соединения деталей. После охлаждения геометрические параметры восстанавливаются. Остаточной называют сварочную деформацию, которая остается неизменной после устранения причины появления. Если геометрические параметры восстанавливаются после завершения сварки, деформации называются упругими, если нет ― пластичными.

    Как предотвратить возникновение

    Для снижения величины сварочных напряжений и деформаций при подготовке к работе специалисты рекомендуют:

    • при проектировании выполнять расчет деформаций для правильного формирования сечения сварочных швов, припусков для усадки;
    • располагать швы симметрично по отношению к осям узлов;
    • не проектировать соединения так, чтобы больше трех швов пересекались в одной точке;
    • прежде чем приступить к сварке, проверить, нет ли отклонений величины зазоров на стыках от расчетных величин;
    • не проводить швы через места концентрации напряжений.

    Для уменьшения деформаций и напряжений во время работы применяют следующие приемы:

    • создавать на соединениях очаги дополнительной деформации с действием, противоположным сварке;
    • швы длиной больше 1 м разбивать на отрезки длиной 10 — 15 см и сваривать обратноступенчатым методом;
    • подкладывать под стыки медные или графитовые прокладки для снижения температуры сварочной зоны;
    • соседние швы сваривать так, чтобы деформации компенсировали друг друга;
    • для сварки деталей из вязкого металла применять технологии, которые обеспечивают снижение величины остаточных явлений;
    • делать размер швов меньше, если это допускается условиями эксплуатации;
    • по возможности выполнять соединения с меньшим числом проходов;
    • при наложении двухсторонних швов слои наплавлять попеременно с каждой стороны;
    • предварительно выгибать края заготовок в направлении, противоположном действию деформации, когда сварка завершится, они вернутся в исходное положение;
    • не делать много прихваток;
    • для ускорения сборки и снижения величины деформаций небольшие узлы сваривать в кондукторах.

    Методы устранения напряжений

    Для снятия напряжений пользуются отжигом и механической обработкой. Первый способ применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую точность размеров. Местный или общий отжиг проводят при нагреве до 550 — 680⁰C в три стадии: нагревание, выдержка, охлаждение.

    Для механического снятия напряжений используют обработку проковкой, прокаткой, вибрацией, взрывом, чтобы создать нагрузку с противоположным знаком. Для горячей и холодной проковки используют пневматический молот. Обработку вибрацией проводят устройством, которое генерирует колебания с частотой в диапазоне 10 — 120 Гц.

    Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции.

    Методы устранения деформаций

    Дефекты устраняют термическим с местным или общим нагревом, холодным механическим, термомеханическим способами. Для правки термическим методом с полным отжигом конструкцию закрепляют в устройстве, которое создает давление на искривленный участок, затем нагревают в печи.

    Способ локального нагрева основан на сжимании металла при остывании. Для исправления дефектов искривленное место греют горелкой или сварочной дугой. Так как прилегающие участки остаются холодными, зона нагрева не может значительно расшириться. После охлаждения растянутый участок выпрямляется.

    Термическим способом выправляют любые виды деформаций, однако при работе с тонкостенным металлом следует учитывать его особенности:

    • тепло при местном нагреве тонких стальных листов быстро распространяется по всей площади, поэтому величина усилия сжатия оказывается недостаточной для исправления дефекта;
    • температура локального нагрева тонкостенного металла не должна превышать 600 — 650⁰C, поскольку при увеличении температуры начнется образование пластических деформаций даже при отсутствии напряжения.

    При механической правке растянутые участки деформируются внешними нагрузками в обратном направлении. Дефекты устраняют применением изгибания, вальцовки, растяжения, ковкой, прокаткой роликами.

    Термомеханическую правку проводят с подогревом растянутого участка до 700 — 800⁰C и внешнего воздействия. Для выправления участков с большим растяжением сначала из избытков металла холодной рихтовкой формируют выступы в форме куполов. Затем по отдельности нагревают и резко охлаждают.

    Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции. При этом учитывают эффективность метода, трудоемкость, величину финансовых затрат.

    Сварочные деформации и напряжения: виды и причины появления

    Сварка – это сложный высокотемпературный процесс создания неразъемного соединения. Напряжение и деформация при сварке – результат нарушения технологических требований, в виде выбора некорректных температурных параметров работ, без учета свойств линейного расширения металла.

    Определение

    Сварочное напряжение – это силы, действующие на место наложения шва. Они могут быть вызваны следующими усилиями:

    • сдавливающими;
    • растягивающим;
    • изгибающим;
    • крутящим.

    Направление действия сил на конструкцию.

    Силовые показатели напрямую влияют на надежность и жесткость конструкции. Превышение допустимых норм может привести к разрушению шва.

    1. Тепловые напряжения при сварке. Возникают при неравномерном распределении тепловой энергии по поверхности заготовки.
    2. Структурные. Появляются при превышении предельно допустимых температурных показателей, установленных для свариваемого металла, что приводит к необратимым изменениям его структуры.
    [stextbox структурной деформации – сварка нержавеющей стали с высоким содержанием хрома. При температуре свыше 500 Сº хром вступает в реакцию с углеродом, что приводит к образованию карбидов, которые негативно влияют на свойства шва.[/stextbox]

    Некоторые изменения носят временный характер и исчезают с охлаждением металла. Однако, встречаются и сварочные остаточные напряжения, которые действуют на поверхность даже после устранения причин их образования.

    Основные причины проявления

    Как было сказано выше, причиной появления сварочных напряжений и деформаций является воздействие высокой температуры на поверхность. Рассмотрим изменения, которые происходят с обрабатываемыми заготовками и от чего зависит величина деформации свариваемых металлов.

    Литейная усадка

    а) Деформация до и после сварки, б) График распределения напряжения.

    При сокращении размеров охлаждаемой сварочной ванны, на ее границах наблюдается процесс деформации слоев металла. После кристаллизации шва, сохраняется остаточное напряжение, что влияет на крепость соединения.

    Размер измененной области напрямую зависит от толщины шва – чем меньше ванна расплава, тем незначительнее будут силы деформации.

    Нагревание/охлаждение происходит неравномерно

    Учебные пособия для будущих сварщиков указывают, что независимо от положения шва: потолочного, вертикального или горизонтального, зону соединения следует нагревать равномерно, без перепадов температур на участках. В противном случае происходят температурная деформация металла. Она характеризуется изменение пластичности и прочности структуры.

    При проведении электросварочных работ, рабочая плоскость нагревается под действием электрической дуги, величина которой регулируется специальным механизмом сварочного аппарата.

    Чем выше температура воздействия на поверхность, чем сильнее деформируется металл. Кроме того, необходимо контролировать процесс охлаждения. Резкие перепады температур негативно влияют на качество шва.

    Изменения структуры материала

    Как показали исследования, структурным изменениям подвержены легированные и углеродистые сорта стали, в которых массовая доля углероды превышает 0,35 %. Превышение рекомендованных температур приводит к образованию новых элементов, что влияет на общий объем заготовки. Кроме того, изменение структуры затрагивает и коэффициент линейного расширения, что приводит к увеличению сварочного напряжения.

    [stextbox работы с высоколегированными составами разрабатывают методические пособия, которые содержат подробное описание технологических процессов и рекомендации, включая информацию о том, как влияет на величину остаточных деформаций увеличение сварочного тока и формулы побора оптимальных параметров.[/stextbox]

    Способы снижения деформации

    Для предотвращения чрезмерного сварочного напряжения и деформации сварочного соединения, существуют проверенные временем методы:

    1. На крупных производственных предприятиях, на стадии разработки проектной документации, аттестованные технологи проводят анализ параметров металлов и изменения, которому они подвергаются под воздействием высокой температуры. Если применяемые материалы после соединения не будут соответствовать требованиям технических стандартов, пытаются корректировать режим сварки и способы наложения швов.
    2. На стадии непосредственного выполнения работ, следует руководствоваться методическими пособиями. Замыкающие швы в конструкциях выполняют в последнюю очередь. При ручной дуговой сварке необходимо регулировать длину соединения. Специалисты советуют выполнять работы в ступенчатой последовательности.
    Читайте также  Сколько сохнет холодная сварка по металлу

    Последовательность наложения сварочных швов для уравновешивания деформаций.

    1. Опытные мастера рекомендуют обратить внимание на подготовленные кромки. На них рекомендуют сделать насечки, для снижения деформационных изменений. При этом обработку проводят в направлении, обратном развитию деформирующих процессов.
    2. Предварительная температурная обработка поможет снизить деформационные изменения в заготовке. Необходимо следить за равномерностью прогрева поверхности.

    Как устранить?

    Борьба с устранением напряжений может проходить путем механической или термической обработки соединения. Предварительный и сопроводительный нагрев снижает деформационные изменения и позволяет выдержать геометрию конструкции. Направление движения пламени зависит от вида используемого проката.

    По окончанию работ рекомендуют выполнить температурный отпуск. Это уменьшит остаточное напряжение благодаря повышению пластичности структуры металла.

    Среди механических методов устранения напряжений наиболее популярным является проковка. В качестве рабочего инструмента используют молоток, работающий от сжатого воздуха. Процедуру можно проводить как с холодной, так и с разогретой поверхностью. Исключение составляют сорта стали, склонные к возникновению закалочных структур.

    Менее востребованными являются процедуры вибрационной обработки и прокатки.

    Удаление деформаций

    а) Деформация в плоскости, б) Деформация с нарушением плоскости, где 1 – форма изделия до сварки, а 2 – после сварки.

    Термическую деформацию изделий делят на два типа:

    1. В плоскости. Она характеризуется изменением геометрических размеров детали.
    2. С нарушением плоскости. В этом случае происходят угловые изменения конструкции, с сохранением габаритных размеров.

    Для устранения деформаций чаще всего применяют метод термической обработки. Он заключается в сжатии заготовки после нагрева. Обработке поддается только дефектный участок. Большинство сортов металлопроката правят именно таким способом.

    Для устранения дефектов механическим способом используют прокатные установки или прессовые механизмы. Его преимущество заключается в том, что обрабатываемую деталь можно не нагревать.

    В особо тяжелых случаях используют термомеханический метод правки. Он заключается в постоянном силовом давлении на заготовку после предварительного нагрева поверхности.

    Заключение

    Квалифицированный специалист обязан знать причины возникновения сварочных напряжений и деформаций, а также способы их устранения. Для предупреждения дефектов специалисты рекомендуют проводить предварительный отжиг заготовки, а также термический отпуск, по окончанию работ.

    [stextbox 6-го разряда Федоренков Александр Александрович. Опыт – 15 лет: «Моя сфера деятельности подразумевает наложение швов большой длины. Считаю, что лучше всего с предотвращением деформации и напряжения помогает метод сварки «вразнобой»: начать работу с разных концов – так разные швы будут компенсировать напряжение друг друга».[/stextbox]

    Взаимосвязь деформации и напряжения при сварке — выкладываем по полочкам

    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.

    Определение сварочных напряжений и деформаций

    Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению. По направленности они могут быть:

    • растягивающего действия;
    • изгибающего;
    • крутящего;
    • сжимающего;
    • срезающего.

    Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил. Нарушения могут проявиться не сразу после завершения сварочных работ, а во время эксплуатации из-за увеличения нагрузки. В лучшем случае снизится антикоррозийная устойчивость, в худшем ― разрушится конструкция.

    Наглядная картинка деформации сварного соединения при сварке и после остывания

    Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению.

    Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил.

    Общая информация

    В тестах НАКС встречается задание из разряда «Какие из предложенных вариантов концентрируют в сварочных швах напряжение?». Предлагаются 3 варианта ответа:

    • технические свойства металла;
    • дефекты шва, вызванные сбоем технологии;
    • нагрев при сваривании детали.

    Рассматриваемая в это статье тема на прямую связана с решением этой задачи.

    Основная причина повышенного уровня напряжения – это технологическая дефективность шва. Существуют так же и другие нюансы, которые ложатся в основу появления нежелательного напряжения и деформирования.

    К примеру, неверное очертание швов. Однако техническая дефектность – основная причина проблемы. Существует версия, что суть проблемы в сварочном нагреве, но это не так.

    К техдефектам, повышающим напряжение, относят:

    • шлаковые включения;
    • трещины;
    • не качественно проваренные участки;
    • газовые пузырьки, скопившиеся в соединении шва.

    Деформации при сварке создаются в точках технологической дефективности, ведь именно там напряжение превышает допустимый уровень.

    Нагрев металла также имеет значение в появлении напряжения и деформации, однако, он не первоисточник.

    Третьей причиной возникновения деформации профессионалы называют естественную усадку. Она происходит во время остывания, когда металл из жидкообразного состояния переходит в твердое.

    Это уменьшает объем металла, что приводит к нежелательным изменениям формы детали. Причиной проблемы в большинстве случаев является неправильно проведенный процесс охлаждения.

    Риск деформации повышается также, когда варится деталь конструкции повышенной сложности, где создается много разных швов. Здесь важно отсутствие ошибок в техдокументации к детали, и верный расчет нагрузки на металл.

    Существуют виды сварки, при которых нагрев металла происходит неравномерно, и это тоже становится причиной плохой усадки, а значит, проблем и возможного возникновения деформации в будущем. Поэтому нагревать металл нужно постепенно, а шов делать равномерным.

    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.

    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.

    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.

    Заключение

    В начале пути сварщика многие беспокоятся, когда видят в созданных их руками деталях дефекты связанные с деформированием и напряжением металла.

    Однако в освоении профессии новички всегда совершают ошибки – это суть пути обучения, изучения особенностей и нюансов сварки. Со временем опыт накапливается, решения находятся быстрее – даже до появления проблемы.

    При работе на крупных заводах о недостатках выполненной задачи можно узнать еще на стадии тестирования соединений.

    Это поможет избежать критических последствий и улучшить работу в будущем. А чтение статей на нужную тематику помогает находить решения возникших проблем.

    Термическое воздействие сварки на металл, сварочные напряжения и деформации

    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.
    Читайте также  Пистолет для клепок по металлу

    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.

    Причины деформации металла при сварке

    Если на металлический предмет оказывается механическое воздействие, то в нем возникают напряжение и искажение. Первое характеризуется силой давления, оказываемой на единицу площади. Второе – нарушением габаритов и формы изделия из-за силового воздействия.

    Напряжения появляются в деталях под влиянием практически любого усилия. Это может быть растягивание, изгиб, сжимание или резка. В ходе сварки следует внимательно следить за показателями как деформации, так и напряжения. Если превысить допустимые значения, то конструкция (частично или полностью) может разрушиться.

    Рекомендовано к прочтению

    • Резка меди лазером: преимущества и недостатки технологии
    • Виды резки металла: промышленное применение
    • Металлообработка по чертежам: удобно и выгодно

    Сварочные деформации возникают под влиянием различного рода напряжений, появляющихся внутри изделия. Основные причины их появления специалисты объединяют в две большие группы: основные, которые считаются неизбежными и постоянно появляются в ходе сварки, а также сопутствующие, устранение которых вполне возможно.

    К основным причинам возникновения деформации и напряжения в ходе сварочных работ относят следующие:

    • Структурные видоизменения, которые, влияя на металл, вызывают напряжения (растягивающие и сжимающие). Происходит это в ходе охлаждения деталей из легированных или высокоуглеродистых стальных сплавов. При этом размеры изделия, а также зернистая структура материала нарушаются. В итоге изначальный объем изменяется, что приводит к увеличению напряжения внутри детали.
    • Неравномерный прогрев. Первичному нагреву в ходе сварочных работ подлежит только рабочая зона изделия. По мере увеличения температуры материал расширяется, воздействуя на мало прогретые слои металла. При прерывистом прогреве концентрация напряжений сварного шва достигает высоких значений. Ее показатель зависит от рабочей температуры, теплопроводности материала и уровня линейного расширения.
    • Литейная усадка. Она происходит в ходе кристаллизации материала, характеризуется уменьшением объема металла, возникает из-за сварочного напряжения (продольного и поперечного), которое появляется в процессе усадки расплава.

    Сварочное напряжение могут вызвать не только механические воздействия. Сплавам различных металлов вообще свойственны свои деформации и напряжения. Они делятся на временные и на остаточные. Пластичная деформация металла при сварке вызывает остаточные, не исчезающие и после остывания материала. Временные же возникают при сварке прочно закрепленной детали.

    К побочным или сопутствующим деформациям при проведении сварочных работ можно отнести:

    • любые отклонения от нормативов в технологическом процессе – примером может быть плохая подготовка детали к сварке, неправильный выбор электрода, нарушение режима сварочного процесса и пр.;
    • несоответствия и ошибки, допущенные в конструировании изделия, – это могут быть неверно выбранный тип шва, часто расположенные соединения, малый зазор между сварными швами и пр.;
    • низкий профессионализм и небольшой опыт мастера.

    Концентрацию напряжений в сварном шве может вызвать практически любая ошибка. Из-за них возникают технологические дефекты соединения: непровары, трещины, пузыри и прочий брак.



    Причины появления напряжений и деформаций

    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

    Основные причины проявления

    Как было сказано выше, причиной появления сварочных напряжений и деформаций является воздействие высокой температуры на поверхность. Рассмотрим изменения, которые происходят с обрабатываемыми заготовками и от чего зависит величина деформации свариваемых металлов.

    Литейная усадка

    а) Деформация до и после сварки, б) График распределения напряжения.

    При сокращении размеров охлаждаемой сварочной ванны, на ее границах наблюдается процесс деформации слоев металла. После кристаллизации шва, сохраняется остаточное напряжение, что влияет на крепость соединения.

    Размер измененной области напрямую зависит от толщины шва – чем меньше ванна расплава, тем незначительнее будут силы деформации.

    Нагревание/охлаждение происходит неравномерно

    Учебные пособия для будущих сварщиков указывают, что независимо от положения шва: потолочного, вертикального или горизонтального, зону соединения следует нагревать равномерно, без перепадов температур на участках. В противном случае происходят температурная деформация металла. Она характеризуется изменение пластичности и прочности структуры.

    При проведении электросварочных работ, рабочая плоскость нагревается под действием электрической дуги, величина которой регулируется специальным механизмом сварочного аппарата.

    Чем выше температура воздействия на поверхность, чем сильнее деформируется металл. Кроме того, необходимо контролировать процесс охлаждения. Резкие перепады температур негативно влияют на качество шва.

    Изменения структуры материала

    Как показали исследования, структурным изменениям подвержены легированные и углеродистые сорта стали, в которых массовая доля углероды превышает 0,35 %. Превышение рекомендованных температур приводит к образованию новых элементов, что влияет на общий объем заготовки. Кроме того, изменение структуры затрагивает и коэффициент линейного расширения, что приводит к увеличению сварочного напряжения.

    Методы противодействия напряжениям и деформациям

    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.

    Методы устранения напряжений

    Для снятия напряжений пользуются отжигом и механической обработкой. Первый способ применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую точность размеров. Местный или общий отжиг проводят при нагреве до 550 — 680⁰C в три стадии: нагревание, выдержка, охлаждение.

    Для механического снятия напряжений используют обработку проковкой, прокаткой, вибрацией, взрывом, чтобы создать нагрузку с противоположным знаком. Для горячей и холодной проковки используют пневматический молот. Обработку вибрацией проводят устройством, которое генерирует колебания с частотой в диапазоне 10 — 120 Гц.

    Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции.

    Удаление деформаций

    а) Деформация в плоскости, б) Деформация с нарушением плоскости, где 1 – форма изделия до сварки, а 2 – после сварки.

    Термическую деформацию изделий делят на два типа:

    1. В плоскости. Она характеризуется изменением геометрических размеров детали.
    2. С нарушением плоскости. В этом случае происходят угловые изменения конструкции, с сохранением габаритных размеров.

    Для устранения деформаций чаще всего применяют метод термической обработки. Он заключается в сжатии заготовки после нагрева. Обработке поддается только дефектный участок. Большинство сортов металлопроката правят именно таким способом.

    Для устранения дефектов механическим способом используют прокатные установки или прессовые механизмы. Его преимущество заключается в том, что обрабатываемую деталь можно не нагревать.

    В особо тяжелых случаях используют термомеханический метод правки. Он заключается в постоянном силовом давлении на заготовку после предварительного нагрева поверхности.