Предварительное растяжение при сварке
ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ
При сварке стыковым швом свободных листов (см. фиг. 49), ввиду действия продольной усадки, активная зона Ь0 после остывания останется растянутой, а остальные участки сварного соединения будут сжатыми (см. фиг. 49, в). Если толщина свариваемых листов небольшая и сварка производится без предупредительных мер, то сжатые участки обычно теряют устойчивость и сварное соединение будет покороблено. Главной причиной искажения формы (коробления) сварных тонколистовых конструкций является продольное укорочение (продольная усадка), швов. Сварной шов в процессе остывания укорачивается и вызывает в соседних областях напряжения сжатия, которые во многих случаях достигают критических значений и приводят к потере устойчивости этих элементов, искажая форму сварного соединения. Правка покоробленных сварных конструкций является ве’сьма трудоемким >и ісложіньгм производственным процессом. Искажение формы сварной конструкции иногда достигает такой степени, что правка становится невозможной и изготовленная сварная конструкция идет в брак.
Для уменьшения коробления сварных тонколистовых конструкций необходимо в процессе сварки принимать меры к уменьшению реактивных напряжений сжатия, вызываемых продольной усадкой шва в прилегающих к нему областях сварного соединения.
Одним из эффективных средств для уменьшения остаточных напряжений и деформаций в сварных соединениях может быть предварительное растяжение свариваемых листов.
Рассмотрим образование остаточных напряжений и деформаций при сварке стыковым швом предварительно растянутых листов.
Два собранных под сварку стальных листа длиной /, шириной h и толщиной б (фиг. 56, а) растянем в продольном направлении до напряжений оп. Концы их прикрепим к неподвижным опорам (фиг. 56, а, б). Длина пластин после растяжения увели-
°п
чится «на величину Изменение напряжений в ак
тивной зоне Ьо в процессе сварки листов в закрепленном состоянии будет протекать, как показано на диаграмме фиг. 26, б.
На участках, непосредственно прилегающих к активной зоне Ь0 (зона пластических изменений при нагреве), напряжения предварительного растяжения оп временно снижаются в связи с тепловым удлинением волокон, вызванным повышением температуры при сварке. В отдаленных от шва областях сварного соединения напряжения предварительного растяжения оп остаются в процессе наложения шва почти неизменными, так как
повышение температуры в этих областях в процессе сварочного нагрева незначительное.
После полного остывания сварного шва пластины в закреплениях напряжения растяжения в активной зоне Ь0 достигнут предела текучести от. Последнее вытекает из того, что свободное тепловое удлинение при сварочном нагреве є* = аГ значительно превышает относительное удлинение ет, соответствующее появлению пластического изменения в металле, а тем более превышает относительное удлинение предварительного растяжения 8П. Все остальные участки сварного соединения, которые
Фиг. 56. Напряжения при сварке стыковым швом листов, предварительно растянутых и закрепленных: а — растянутые листы, закрепленные в неподвижные опоры перед сваркой; б — эпюра напряжений предварительного растяжения; в — эпюра напряжений после сварки до снятия закреплений; г — эпюра временных напряжений в первый момент после снятия закреплений; д — эпюра остаточных напряжений после снятия закреплений^
не подвергались пластическим изменениям, останутся растянутыми до напряжений оп — Теоретическая эпюра напряжений в поперечном сечении сварного соединения при наличии закреплений показана на фиг. 56, в. Все волокна сварного соединения будут растянуты, так как внутреннее активное усилие, порождаемое продольной усадкой, не укорачивает шва ввиду противодействия закреплений на неподвижных опорах.
После снятия закреплений все волокна сварного соединения (фиг. 56, в) будут стремиться к максимальному укорочению. Для наглядности разделим мысленно процесс изменения напряжений в поперечном сечении сварного соединения после снятия закреплений на два кратковременных последовательных этапа. На первом этапе все волокна сварного соединения освободятся от напряжений предварительного растяжения ап, укоротившись на величину Д/. К концу этого этапа напряжения растяжения о’ останутся только в волокнах активной зоны Ь0, причем величина их будет о’)=от — Оп (фиг. 56, г). На втором этапе под действием внутреннего усилия Р = o’Fc = о’Ьоб происходит перераспределение напряжений в поперечном сечении сварного соединения, и устанавливается равновесие внутренних усилий (фиг. 56, д) °iFc = g’2F2-
Остаточные напряжения растяжения а в активной зоне Ьо после установления равновесия внутренних усилий определяем согласно формуле (53)
а _ a’F* — (ат-°п) F2
1— F2 + Fc ~ F ’ (148)
где аг — остаточное напряжение растяжения в активной зоне Ь0 после снятия закреплений;
F—поперечное сечение сварного соединения;
Fс — сечение зоны активных напряжений;
Р2 — поперечное сечение сварного соединения, кроме активной зоны, т. е. F2 = F — Fc — Остаточное реактивное напряжение осевого сжатия а’ в остальных областях сварного соединения определяем из условия равновесия внутренних усилий и значения а1
= ^ = (,49)
Если бы листы сваривались в свободном состоянии без пред — варительного растяжения ап, то величина остаточного реактивного напряжения осевого сжатия а’ определилась бы по формуле (116, а), т. е.
а TFC
(149a)
Путем сопоставления формул (149 а) и (149) можно установить эффективность влияния предварительного растяжения листов перед сваркой на уменьшение остаточных напряжений сжатия в сварных соединениях, Для этого разделим значение напряжения о2, выражаемого формулой (149а), на значение напряжения а’2, выражаемого формулой (149),
а9 aTF • F arF0 + arFr
-ї = р / -tv = — (150a)
а2 2 (ат ~ ап) Fс aTF2 ~ artF2 ‘
Разделив все члены правой части выражения (150а) на aTF2, получим соотношение между напряжениями а2 и а’ в виде
= li. (150)
а2 1 _ — ат
Из выражения (150) видно, что при сварке закрепленных листов, предварительно растянутых, остаточные напряжения сжатия а2′ после снятия закреплений будут меньше, чем при сварке сво-
/! + -Ja
бодных листов в [————— 1 раза.
F.
При сварке закрепленных листов без предварительного растяжения, т. е. когда а„ = 0, после снятия закреплений также будет некоторое уменьшение остаточных напряжений осевого сжатия по
сравнению со сваркой свободных листов в ^ 1 + — yC’j раза или ~ раза.
При сварке в закреплениях с предварительным растяжени’ем листов до напряжений а„ = 0,25зг остаточные напряжения сжатия а2 после снятия закреплений уменьшатся, согласно формуле (150),
3/її РА
b41+tJ Раза-
При сварке в закреплениях с предварительным растяжением листов до напряжений ап = 0у5ат остаточные напряжения сжатия
уменьшатся, согласно той же формуле (150), в 2^1 + /г) Раза>
т. е. больше чем на 50%.
В таком же соотношении будут соответственно снижены остаточные напряжения растяжения в активной зоне &0.
Таким образом, сварка в закреплениях с предварительным растяжением и последующим снятием закреплений благоприятно влияет на уменьшение остаточных напряжений и может исключить возникновение потери устойчивости тонких листов.
Более эффективное снижение остаточных напряжений имеем при сварке с предварительным растяжением листов малой и средней ширины, так как в этих случаях сохраняется гипотеза плос-
F
КИХ сечений И отношение — ГГ будет больше, чем при сварке ши-
г 2
роких листов на таком же режиме. Для сварки листов малой и средней ширины величину силы Q, которая необходима для пред — варительного растяжения листов до напряжения аП9 можно определить по формуле
Q = (151)
где сп — напряжение предварительного растяжения свариваемых листов;
F — поперечное сечение свариваемых листов.
Необходимо учитывать, что при деформировании широких листов под действием сосредоточенной силы гипотеза плоских сечений не сохраняется, и деформации предварительного растяжения имеют местный характер. Для определения силы Q предварительного растяжения при сварке широких листов применять формулу (151) не рекомендуется, так как нет надобности растягивать перед сваркой широкие листы по всему поперечному сечению, а достаточно дать предварительное растяжение в области свариваемых кромок. Наиболее эффективным является такой способ предварительного растяжения листов перед сваркой, при котором сила Q прикладывается к свариваемым кромкам по оси стыкового шва.
Предварительное растяжение листов перед сваркой можно осуществлять несколькими способами. Три схемы предварительного растяжения показаны на фиг. 57.
1. Перед сваркой листы растягиваются силой Q, и торцы их закрепляются на неподвижных опорах так, что смещение торцов в процессе сварки и остывания невозможно (фиг. 57, а).
2. Листы растягиваются силой Q, которая в процессе сварки изменяется в зависимости от продольных деформаций, вызываемых сварочным нагревом и остыванием шва (фиг. 57,6).
Фиг. 57. Схемы растяжения листов перед сваркой: а — закрепление растянутых листов в жесткие неподвижные опоры; б — закрепление растянутых листов в гибкие опоры; вл— закрепление растянутых листов в податливые опоры, действующие с постоянной силой растяжения.
3. Листы растягиваются силой Q, которая в процессе сварки поддерживается постоянной, независимо от продольных деформаций, происходящих в процессе нагрева и остывания (фиг. 57, в).
По исследованиям П. М. Иевлева величина силы предвари
тельного растяжения Q-при приложении ее по линии свариваемого стыка может быть определена по формуле
Q = кбОО. F, (152)
где Q — растягивающая сила в кГ
F — поперечное сечение листа в см2
к — коэффициент, характеризующий степень растяжения крайнего волокна свариваемой кромки.
Коэффициент
к = (153)
є т
где в* — относительное удлинение крайнего волокна свариваемой кромки;
ет — относительная деформация, соответствующая пределу текучести ат.
Величина коэффициента к зависит от схемы приложения растягивающей силы Q. При сварке закрепленных листов (фиг, 57, а) остаточное укорочение листов становится ничтожным при значении к= 1. При сварке с предварительным растяжением листов, когда сила Q изменяется в зависимости от продольных деформаций свариваемых листов (фиг. 57, б), остаточное укорочение становится уже незначительным при значениях к = 0,5.
Самым эффективным способом растяжения листов перед сваркой является третья схема (фиг. 57, в), когда растягивающая сила Q
поддерживается постоянной. При этом способе растяжения свариваемых листов остаточная деформация укорочения становится малозаметной при значении к = 0,3.
Для устранения деформаций после ‘сварки — применяется холодная и горячая правка сварных конструкций. Холодная правка основана на растяжении укороченных участков и мест сварной конструкции до проектных размеров — и форм. …
Образование остаточных напряжений и деформаций при сварке вызывается появлением внутренних усилий при местном нагреве металла. Оба эти явления находятся во взаимной связи, но проявляются при сварке конструкций в различной степени …
могут быть самые разнообразные и зависят от характера соединений и вида конструкции, применяемых методов сварки, режима нагрева, механических характеристик и химического состава свариваемых металлов. Как правило, для уменьшения пиков остаточных …
Источник
Вопросы, рассмотренные в материале:
- Причины деформации металла при сварке
- Виды деформаций металла после сварки
- О тестировании сварных швов и расчете деформаций металла при сварке
- Способы устранения деформации металла при сварке
- Способы избежать деформации металла при сварке
Деформация металла при сварке – это явление, которое приводит к нарушению геометрии изделий и, следовательно, к браку продукции. Подобное может наблюдаться даже в работе опытных сварщиков. Соблюдение ряда правил позволяет снизить вероятность появления деформации и получить качественное и надежное соединение.
Существует множество причин возникновения деформации металла при сварке. О том, с чем они связаны, какие меры принимают для профилактики этого явления и что делают для исправления, читайте в нашем материале.
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.
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.
Виды деформаций металла после сварки
Существует несколько видов напряжений. Они отличаются временным интервалом (периодом действия), характером появления и прочими факторами.
Ниже представлена таблица возможных напряжений (какие встречаются и из-за чего появляются в сварном шве).
Характер появления | Тип напряжения | Причина нарушения |
По причинам возникновения | Тепловое | Неравномерность прогрева, возникающая из-за перепада температуры при сварке |
Структурное | В случае нагрева металла выше максимально установленной температуры происходят изменения в структуре материала | |
По времени существования | Временное | Возникает в ходе фазовых видоизменений, но в процессе остывания уходит |
Остаточное | Остается в деталях и после устранения причин возникновения | |
По задействованной площади | Имеющееся во всей конструкции | |
Проявляющееся исключительно в зернах структуры металла | ||
Присутствующее в кристаллической решетке материала | ||
По направленности воздействия | Продольное | Появляется по линии шва |
Поперечное | Размещается поперек оси соединения | |
По состоянию напряжения | Линейное | Происходит только в одном направлении |
Плоскостное | Распространяется на два различных направления | |
Объемное | Воздействие происходит по трем осям | |
В ходе сварочного процесса происходят следующие виды деформации:
- Местные и общие. При местных деформациях изменениям подвержены только части конструкции. Общие же деформируют изделие полностью и сразу, меняя его размеры и искривляя геометрическую ось.
- Временные и конечные. Остаточные (конечные) деформации остаются в изделии даже после его охлаждения, а временные появляются в отдельные моменты времени.
- Упругие и пластичные. При восстановлении формы и габаритов изделия по окончании сварки деформация считается упругой. При наличии постоянных дефектов – пластичной.
Материал может быть деформирован вне плоскости сварного изделия или внутри него.
Разнонаправленность сил, действующих относительно сечения материала, приводит к возникновению различных напряжений: сжатия либо изгиба, растяжения, кручения, среза.
Тестирование сварных швов и расчет деформаций металла при сварке
Швы обязательно проходят тестирование на надежность и прочность соединений. В ходе проверки проверяется также наличие дефектов. Это позволяет быстро обнаружить и устранить возникший в процессе сварки брак.
Существует несколько типов контроля, позволяющих найти изъяны:
- разрушающий – процесс, который часто используется на промышленных предприятиях, дает возможность провести проверку физических свойств шва;
- неразрушающий – включает внешний осмотр шва, ультразвуковую или магнитную дефектоскопию, капиллярный метод, проверку проницаемости и прочие методы.
Важным в изготовлении сварных конструкций является определение вероятных напряжений и деформаций в ходе работ. Причина заключается в том, что они изменяют форму и размер изделия, снижают его прочность, что приводит к изменениям в эксплуатационных качествах конструкции далеко не в лучшую сторону.
Необходимо проводить тщательный расчет деформаций и напряжений при различных процессах сварки, правильно запланировать последовательность операций для того, чтобы в результате на конструкцию воздействовало минимум напряжений, а количество дефектов стремилось к нулю.
Способы устранения деформации металла при сварке
Убрать деформацию материала, возникшую в ходе сварки, можно с помощью правки. Она бывает холодной механической, термомеханической и термической, включающей как местный, так и общий нагрев. Перед проведением последнего изделие жестко фиксируют в устройстве, оказывающем давление на изменяемые части конструкции. Затем оно размещается в разогревающей печи.
Суть термического метода заключается в сжимании металла при его охлаждении. Происходит процесс разогрева растянутого участка горелкой или дугой. При этом окружающий место разогрева материал должен оставаться холодным, что не дает значительно расшириться горячему участку. Далее при остывании изделия происходит постепенное выпрямление конструкции. Больше всего данный метод подходит для устранения деформаций балок, полос листового материала и пр.
Принцип холодной правки заключается в постоянном воздействии на изделие нагрузок. Для этого используют различные прессы и валки, существующие для прокатки по ним длинных конструкций. Для исправления деформаций растянутых конструкций применяют термическую правку. Сначала происходит сбор лишнего металла, а затем – разогрев проблемного места.
Сложно сказать, какой из методов является предпочтительным. Для каждого вида, места (снаружи или изнутри), особенностей деформации и напряжения, а также габаритов и формы изделия существуют свои способы их устранения. Важным являются трудозатраты и эффективность метода.
Способы избежать деформации металла при сварке
Устранение проблем значительно сложнее их предупреждения. Эта аксиома в равной степени относится и к сварке. Брак всегда приводит к дополнительным финансовым вложениям. Для его предотвращения необходимо сосредоточиться на мерах, помогающих бороться с деформациями и напряжениями.
Отвечая на вопрос о том, как избежать деформации при сварке листового металла или свести ее к минимуму, следует запомнить связь между причинами появления и мерами предупреждения. Следовательно, перед началом работ необходимо все тщательно рассчитать и подготовиться. Только после окончания данного этапа можно будет проводить сварку металлических конструкций.
Сила, приложенная к конструкции, прямо пропорциональна степени ее деформации. Значит, чем большая сила воздействует на изделие, тем значительнее его деформация.
- Сопроводительный и предварительный подогрев.
Данные виды разогрева способствуют улучшению качественных характеристик как самого сварного соединения, так и участков, расположенных в непосредственной близости от него. Кроме того, уменьшаются пластические деформации и остаточное напряжение. Этот метод чаще всего используют для сплавов, которые имеют склонность к закалке и появлению кристаллизационных трещин.
- Наложение швов в обратноступенчатом порядке.
При протяженности более 1 000 мм шов разбивается на части длиной от 100 до 150 мм. Новое соединение создается в противоположную от основной сварки сторону. При этом металл разогревается более равномерно, что снижает деформацию. Данный способ не является методом последовательного наложения.
- Проковка швов.
Проковке подлежит и нагретый, и холодный материал. Удар как бы разжимает металл в стороны. Тем самым снижается напряжение растягивания. Данный метод не используется на конструкциях, сделанных из металла, склонного к возникновению в нем закалочных структур.
- Выравнивание деформаций.
Суть метода заключается в том, чтобы подобрать порядок, в котором нужно будет делать швы. Новый шов должен обязательно создать деформацию, которая будет противодействовать предыдущему. Этот способ часто применяется при сварке двусторонних соединений.
- Жесткое крепление деталей.
Сварка предваряется прочным и жестким креплением изделия в кондукторах. После завершения процесса конструкция полностью охлаждается, после чего вынимается из крепежа. Существенным недостатком метода является вероятность возникновения внутреннего напряжения изделия.
- Термическая обработка.
Сварка без деформации металла может быть проведена с помощью термической обработки. При этом существенно улучшаются характеристики соединения и окружающего его металла, снижается напряжение внутри изделия и выравнивается структура шва. Отпуск, отжиг (состоящий из низкотемпературного или полного) и нормализация – это операции, составляющие термическую обработку металла.
Нормализация считается оптимальным способом обработки швов изделий, выполненных из низкоуглеродистых сталей.
Почему следует обращаться именно к нам
Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.
Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:
- цветные металлы;
- чугун;
- нержавеющую сталь.
При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.
Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.
Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.
Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.
Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.
Источник