Сварочные напряжения и деформации

Категория:
Сварка металлов


Сварочные напряжения и деформации

При сварке металлоконструкций возникают внутренние напряжения и деформации, которые причиняют много трудностей при изготовлении и эксплуатации сварных конструкций.

Сварочные напряжения и деформации могут вызвать следующие нежелательные последствия:
— изменение запроектированных размеров сварных конструкций;
— искривление и изменение формы сварных узлов и конструкций в целом (коробление);
— появление трещин и разрывов в процессе изготовления сварных конструкций;
— разрушение сварных конструкций в процессе эксплуатации.

Понятие напряжений и деформаций. Изменение формы и разменов твердого тела под действием силы (нагрузки) называется деформацией. Различают упругие и остаточные деформации.

Если форма и размеры тела восстанавливаются после прекращения действия силы (после снятия нагрузки), то деформация называется упругой. Если после снятия нагрузки твердое тело не восстанавливает прежнюю форму и размеры — деформация называемся остаточной (пластической). Размеры деформации определяются величиной действующей нагрузки (усилия). Чем больше усилие, тем больше вызываемая им деформация. О величине усилия судят по напряжению, которое данное усилие вызывает в твердом теле (конструкции). Между напряжением и вызываемой им деформацией существует прямая, неразрывная связь.

Напряжением называется сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения твердого тела (конструкции). Различают силы внешние и внутренние. Внешние силы возникают от внешних нагрузок: собственный вес конструкции; масса груза при его перемещении грузоподъемными механизмами; напор ветра, действующего на стену сооружения, и т. д. Внутренние силы возникают от неравномерного нагревания и охлаждения конструкции при ее изготовлении или эксплуатации, от изменения структуры металла в результате температурных воздействий.

Напряжения и деформации, возникающие от неравномерного нагревания и охлаждения конструкции, называются тепловыми (термическими). Тепловые Напряжения могут вызвать изменение геометрических размеров, коробление и деформацию конструкции, могут привести к образованию трещин в металле конструкций. На величину тепловых напряжений и деформаций металла существенное влияние оказывает отсутствие или наличие закреплений и связей.

Причины возникновения напряжений и деформаций при сварке.

Напряжения и деформации в сварных конструкциях вызываются различными причинами. К неизбежным причинам относятся такие, без которых сварочный процесс происходить не может: неравномерный нагрев, тепловая (литейная) усадка металла, структурные изменения металла шва и околошовной зоны. К сопутствующим причинам, способствующим возникновению напряжений и деформаций, относятся такие, без которых процесс сварки может происходить: неправильное решение конструкции сварных узлов (близкое расположение швов, частое их пересечение, неправильно выбранный вид соединения); неправильная технология сварки (режим сварки, диаметр электрода, способы наложения швов); низкая квалификация сварщика; нарушение геометрических размеров сварных швов.

Наличие сосредоточенного источника тепла (дуги), перемещающегося вдоль линии шва и вызывающего неравномерное нагревание металла, является основной причиной возникновения внутренних напряжений в сварных конструкциях. Напряжения возникают в том случае, если свободному расширению и сокращению металла при нагревании и охлаждении препятствуют соседние участки металла, остающиеся холодными. Прилегающий к шву металл околошовной зоны подвергается сжатию из-за невозможности свободного температурного расширения, которому препятствуют малонагретые и холодные участки основного металла (изделия). При остывании сьарного соединения расплавленный металл шва не может свободно сокращаться в объеме, равно как и металл околошовной зоны не может освободиться от сжатия из-за препятствий со стороны тех же соседних малонагретых и холодных участков основного металла. В результате этих явлении в сварном соединении неизбежно появляются собственные напряжения: после выравнивания температуры сварной шов останется растянутым, а околошовная зона окажется сжатой.

Вследствие литейной (тепловой) усадки расплавленный металл стремится сократить свой объем, в результате в соседних слоях металла возникают растягивающие усилия, являющиеся причиной образования напряжений. Чем меньше объем расплавленного металла сварочной ванны, тем меньше возникающие напряжения. Структурные превращения (изменение формы, размеров, ориентации зерен металла) вызывают растягивающие и сжимающие внутренние усилия, вызывающие напряжения. При сварке малоуглеродистых сталей напряжения от структурных превращений незначительны и практического значения не имеют. Стали с повышенным (более 0,35%) содержанием углерода, а также большинство легированных сталей от структурных превращений приобретают значительные напряжения, достаточные для возникновения трещин в сварном соединении.

Величина и распределение напряжений и деформаций зависят от жесткости свариваемых конструкций, при этом большое значение имеет толщина металла. При сварке металла толщиной до 3 мм проявляются преимущественно большие деформации, а напряжения очень малы. Сварка металла толщиной 4—20 мм сопровождается значительными деформациями, одновременно с увеличением толщины металла начинают проявляться остаточные напряжения. При сварке металла толщиной свыше 20 мм деформации ничтожны, но остаточные напряжения могут достигать значительных величин. Остаточные сварочные напряжения проявляются в ближайших к шву слоях металла и резко затухают на расстоянии 50—70 мм от шва. Различают остаточные сварочные напряжения и деформации — продольные, поперечные и угловые.

Остаточные сварочные напряжения существуют в сварных конструкциях сами по себе, даже при отсутствии действия на них внешних сил и нагрузок. Изучение сварочных напряжений, и деформаций очень важно при выборе рациональных форм сварных конструкции и технологии их изготовления. Если конструктивные формы и технология сварки хорошо продуманы, то остаточные напряжения могут быть не опасны для работоспособности сварных конструкций, а остаточные деформации сведены до минимума.

Мероприятия по уменьшению сварочных напряжений и деформаций. Уменьшение внутренних напряжений и деформаций является важнейшей задачей конструкторов, проектирующих конструкции, и рабочих-сварщиков, изготовляющих эти конструкции. Мероприятия по уменьшению остаточных напряжений и деформации можно разделить на конструктивные и технологические.

Конструктивные мероприятия:

1. Выбор основного металла и электродов для изготовления конструкций.

Желательно применять основной металл, не имеющий склонности к образованию закалочных структур при остывания на воздухе. Применять электроды, обеспечивающие наплавленный металл с пластическими свойствами не ниже пластических свойств основного металла.

2. Рациональное проектирование конструкций и узлов.

Количество сварных швов должно быть возможно меньшим, сечение швов не должно превышать проектного значения. В прозакладывается минимальный объем наплавленного металла. Применять преимущественно стыковые швы, которые являются менее жесткими. Угол скоса кромок и зазор между стыкуемыми кромками должны быть минимально возможными. В стыковых соединениях деталей различной толщины следует скашивать кромку более толстого листа — это обеспечивает равномерный нагрев и провар стыкуемых кромок и равномерное распределение напряжений.

Не допускать скопления сварных швов и избегать их пересечения, особенно в конструкциях, работающих при переменных нагрузках. Избегать применения сварных швов, образующих небольшие замкнутые контуры: вставка латок, приварка усилений. Избегать применения различных косынок, накладок, ребер жесткости.

3. Сложные сварные конструкции изготовлять в виде отдельных сварных узлов, соединяемых затем в целую конструкцию — это уменьшает влияние связей на усадку швов.

Технологические мероприятия:
1. Обеспечивать высокую точность сборки узлов и конструкций под сварку. Это является важнейшим условием повышения качества сварки. Точность сборки гарантирует равномерное сечение швов по всей длине — это уменьшает концентрацию напряжений на отдельных участках шва.
2. Правильно выбирать тепловой режим сварки. При сварке деталей, допускающих свободное перемещение в результате тепловых воздействий на них, а также при сварке закаливающихся сталей, следует применять более мощный тепловой режим. В этом случае сварку вести на максимально допустимой погонной энергии дуги. Этим увеличивается объем разогретого металла и замедляется остывание его. Для равномерного нагрева металла по толщине целесообразно повышать плотность тока, чтобы провар металла был более глубоким. Применение швов с глубоким проваром уменьшает поперечную усадку по толщине металла и снижает угловые напряжения и деформации. При сварке жестко закрепленных деталей следует применять пониженные тепловые режимы, что уменьшает поперечную усадку. При этом применять электроды, обеспечивающие повышенную пластичность наплавленного металла.
3. Правильно выбирать последовательность наложения сварных швов. Порядок наложения швов должен быть таким, чтобы напряжения и деформации от предыдущих компенсировались (уравновешивались) при выполнении последующих швов. Стыковые швы свариваются в первую очередь, угловые — после них. В листовых- конструкциях сперва выполняются поперечные швы, соединяющие листы в полосы, затем — продольные, соединяющие полосы между собой. При сварке двутавровых балок в первую очередь свариваются стыковые швы стенок и полок, а затем угловые поясные швы. Сварку длинных швов выполняют от середины к краям, или обратно — ступенчатым способом от одного края шва к другому.
4. При сварке металла большой толщины применять многослойную сварку. При многослойной сварке жестко закрепленных деталей большой толщины отдельные слои шва накладывать попеременно по кромкам разделки, а затем заполнять середину шва. Многослойные швы выполняют горкой или каскадом. Зона сварки при этом все время поддерживается в нагретом состоянии, что обеспечивает более равномерное распределение тепла в металле, При многослойной сварке частично происходит термический отпуск ранее наложенных слоев, что улучшает структуру металла шва и уменьшает остаточные напряжения в нем.
5. Предварительный подогрев основного металла перед сваркой и сопутствующий подогрев в процессе сварки существенно снижают остаточные сварочные напряжения и деформации в сварных конструкциях. Подогретый основной металл остывает одновременно со сварным швом, при этом усадка шва не встречает препятствий со стороны прилегающих зон основного металла.
6. В ответственных сварных конструкциях, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, для повышения их работоспособности производят после сварки снятие собственных остаточных напряжений. Особенно важно это для конструкций, изготовленных из легированных сталей и из сталей с повышенным содержанием углерода.
Для снятия остаточных напряжений после сварки применяют следующие способы:
а) Общий высокий термический отпуск сварного изделия в нагревательной печи. Изделие помещают в печь, нагревают до температуры 600—700 °С и выдерживают при этой температуре. В результате такого теплового воздействия сталь переходит в пластическое состояние и напряжения исчезают. После отключения печи сварное изделие, свободное от остаточных напряжений, равномерно остывает вместе с печью.
б) Местный термический отпуск конструкции (изделия) путем нагрева околошовной зоны до температуры 600 °С. Нагрев производят индукционным способом или газопламенной обработкой. Местный отпуск полностью не устраняет остаточных напряжений, но способен существенно уменьшить их.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум