Современное строительство, прокладка инженерных коммуникаций, установка оборудования и даже изготовление мебели не может обойтись без применения того или иного вида сварки. Сварочные соединения обладают повышенной прочностью, крепостью и долговечностью, независимо от того, насколько большим является сварочный шов и от металлов, на которых он выполнен. Главным при сварных работах является соблюдение технологии для различных видов сварки и безопасности при выполнении такого вида работ. При выполнении этих работ каждая точка полученной спайки испытывает напряжения и деформации при сварке.
Типовая структурная схема инверторного сварочного аппарата.
Это происходит на начальном этапе сварочной спайки металлов, когда их нагревание только усиливается, а при остывании такие силы напряжения и деформации приобретают другой характер расположения, в зависимости от сечения. Такие деформации и напряжения при сварке принято называть временными. Эти короткие по времени процессы по мере эксплуатации с постепенным остыванием металла переходят в значения остаточного характера. Подобные действия металлические элементы конструкции могут испытывать на протяжении достаточно длительного времени, вплоть до выхода из строя.
Определения и разновидности напряжений и деформаций
Причины деформации деталей при сварке.
Напряжением при сварочных работах принимают силу, которая имеет отношение к единичной площади элемента сварки. Данную характеристику металла можно разделить на процессы, которые вызваны растяжением, изгибом, кручением, сжатием и срезом. Данным параметром нельзя пренебрегать, так как они вызывают серьезные деформации при сварке и нарушения получаемых швов в целом.
Когда соединение изменяет габариты или геометрические размеры в результате проведенной работы, то это деформация детали. Деформации бывают упругими или пластическими. Если форма и размеры способны вернуться в исходное состояние после прекращения работ, то подобная деформация носит названий упругой. Если геометрия изделия или его форма не возвращаются в изначальное положение, то такую характеристику называют пластической.
Под воздействием высокой температуры в процессе работы возникают деформации внешнего свойства в деталях, которые подвергаются обработке. Если такие изменения наблюдаются только в период работ, то такие напряжения и деформации называют временными, которые прекращают свое действие при окончании процесса. А вот остаточные деформации и напряжения продолжают действовать на металл достаточно длительное время после самих работ.
Угловая деформация при сварке таврового соединения.
Данные параметры можно разделить на такие типы: линейные, плоские либо объемные (или одно- дву- и трехосные). В зависимости от того, на какой объем металла напряжение воздействует, его можно разделить на значения 1, 2 и 3 рода. Параметр 1 рода действует на больших объемах металла, то есть в макрообъемах. Напряжения, которые ограничивают свое воздействие рамками кристаллического зерна металла, относят ко 2 роду. В пределах кристаллической решетки металла воздействуют напряжения при сварке 3 рода.
Деформации при сваривании непосредственно самого металла, которые возникают в процессе, можно охарактеризовать:
- прогибами свариваемых элементов;
- углом поворота в процессе работ;
- укорочениями, которые получаются в результате работы;
- величинами точек сварного шва;
- размерами выхода из плоскости, которая образует равновесие.
Если деформация приводит к серьезным геометрическим изменениям первоначального состояния изделия и его осей, то такую деформацию называют общей. Если деформация вызывает изменения только отдельно взятой части сварного шва, она местная. В зависимости от того, общая деформация или местного характера, принимаются мероприятия по ее устранению, которые определяются характером и масштабом полученных деформаций.
Основания деформаций и напряжений
Зависимость глубины вмятины от силы сварочного тока.
В течение работ по сварке изделие подвергается действию критических высоких температур. Причинами образования напряжения и деформаций являются:
- нагрев материала на участке, где выполняется сварка, происходит неравномерно;
- литейная усадка;
- при остывании после нагрева в материале происходят структурные изменения в кристаллических решетках, что вызывает деформацию кристаллических зерен и далее всего изделия.
Неравномерное нагревание метала при сварке
Меры предупреждения деформирования сварных изделий.
Все металлы, согласно своим характеристикам, расширяются в результате нагревания длительного или краткосрочного, а в процессе остывания происходит сжатие. Процесс сварки, который выполняется плавлением металла, отличающийся интенсивным нагреванием металла в месте сварного соединения, образует прерывистое температурное поле в месте прохождения шва. Если связь между нагретыми и привариваемыми участками непрерывна, в местах прокладки сварного шва образуются сжимающие напряжения, которые одновременны с растягивающими напряжениями металла внутреннего вида.
Если расположить один и свариваемых элементов в свободном положении, то при местном воздействии высокой температуры сварки длина незакрепленного элемента может увеличиться на определенную длину. Это увеличение зависит от линейной способности металла к расширению, а также величины участка, на который происходит высокотемпературное воздействие.
После сварки, в процессе охлаждения, образовавшееся удлинение станет уменьшаться и постепенно станет равно 0, когда температура металла вернется к первоначальной величине. В результате, когда охлаждение завершено, деталь, которая располагалась сверху, не будет испытывать внутренних напряжений, а деформация остаточного типа будет полностью отсутствовать. Если верхнюю деталь закрепить жестко относительно нижней при осуществлении сварного шва, у нее не будет возможности удлиняться на требуемую величину в процессе воздействия высокой температуры. Поэтому в металле верхней детали образуется сжимающее напряжение внутреннего вида.
Когда напряжение станет значительным, случится деформация сжатия, которая носит пластический характер.
Остаточные напряжения и деформации при сварке.
Далее металл в месте прокладки сварного шва станет более толстым. Напряжения металла после этого частично уйдут. В результате охлаждения металлу верхней детали необходимо сжиматься, но жесткое скрепление деталей между собой препятствуют нормальному протеканию сжатия. Поэтому в металле образуются растягивающие напряжения.
Давление металла внутреннего характера и деформация происходят, если процесс ведется методом наплавления валика на кромку пластины. Валик и элемент пластины, которая нагревается в процессе выполнения самого соединения, станут расширяться, тем самым вызовут растягивание холодной части металлической пластины. При этом воздействии пластина будет подвержена растяжению с изгибом. Валик и нагретая часть пластины останутся сжатыми, так как холодная часть изделия мешает их должному тепловому расширению. В результате металлическая пластина выгнется выпуклой частью вверх.
Когда начнется процесс охлаждения, валик и горячая часть металлической пластины, которые испытали пластическую деформацию, начнут уменьшаться в размерах. Но холодный слой пластины будет этому процессу противодействовать. Наплавленный металл и нагретые элементы металлической пластины прогнутся выпуклой частью вниз, напряжения остаточного характера при этом процессе перераспределятся. При выполнении сварного соединения направленным валиком температурные изменения в нагреваемой и холодной частях металлической пластины протекают постепенно.
Литейная усадка: особенности
Простейшие типы сварных стыковых соединений в элементах оболочек.
Усадка металла неизбежна, когда на него воздействует температура непосредственно при сварке и последующем охлаждении. Сама усадка определяется взаимосвязью между плотностью и объемом. При застывании металл становится плотным, значит, менее объемным. Так как металл, расположенный на шве с основным элементом изделия, который сохранил свой объем, расплавлен, то в самом шве образуются напряжения внутреннего характера.
В процессе проведения сварки образуются продольные и поперечные усадки плавящегося металла. Шов испытывает давление соответствующего направления, что может вызвать деформацию в продольном направлении и в углах.
Напряжения, которые образуются в металле, при сваривании деталей могут быть появляться не только под влиянием высоких температур. Они могут обуславливаться изменениями и превращениями, протекающими в структуре металла, который подвержен высокотемпературному воздействию. Такие напряжения нагляднее всего проявляются при сварке элементов, которые выполнены из углеродистых марок стали.
Схема деформации стержня с различными условиями закрепления при нагреве.
Если детали выполнены из низкоуглеродистой стали, то изменение объема в результате сварочных работ протекает без напряжений, которые могут возникнуть в процессе охлаждения. Если необходимо выполнить сварной шов между деталями из легированной стали, то воздействие высокой температуры способно вызвать структурные напряжения.
Эти растягивающие напряжения образуют дополнительные деформации, которые способны образовывать трещины в самом соединении. Это связано с тем, что легированная сталь обладает хорошей прочностью, но меньшей пластичностью. Поэтому для выполнения сварки деталей из закаленной стали разрабатывается специальный процесс, который технологически очень трудоемкий и энергозатратный.
Меры, которые снижают напряжения и деформации металла при сварке
Влияние режима сварки на форму шва.
Сокращение или снижение напряжения и деформации металлов при выполнении сварки — это довольно трудная задача. Поэтому для этих целей необходимо предпринять ряд мероприятий, которые могут выполняться на различных стадиях работ:
- До выполнения сварочных швов. На этапе проектирования металлической конструкции рассматриваются взаимодействия металлов, которые будут участвовать в сварке. Если выбранные материалы между собой не сочетаются или выполнение сварного шва требует дополнительных усилий и финансовых затрат, то можно рассмотреть применение другого исходного материала или изменить саму конструкцию, чтобы количество сварных соединений по ней стало минимальным.
- В процессе выполнения сварки. На данном этапе необходимо правильно выбрать последовательность, с которой будут выполняться сварные швы. Швы, которые будут замыкать конструкцию в окончательный контур должны выполняться самыми последними. Если сварные соединения выполняются вручную и обладают большой протяженностью, то такие соединения рекомендуют делать в ступенчатом порядке. Узлы между собой надо скреплять достаточно жестко.
Кроме того, непосредственно перед выполнением сварного шва можно несколько повредить кромку детали в направлении, которое будет обратно предполагаемому направлению деформации. Если металл немного подогреть, то сварное соединение будет подвержено меньшей деформации, следовательно, меньшим напряжениям. Напряжение при сварке, которым пренебрегли, может изменить прочность и жесткость конструкции.
После сварки делают термический отпуск. Такая операция обеспечивает снижение остаточных напряжений и улучшает пластические характеристики сварного соединения.
