Лекция Свариваемость металлов и сплавов. Технологичность сварных конструкций

действием термодеформационного цикла сварки образовывать бездефектное сварное соединение, отвечающее необходимым

эксплуатационным требованиям.

Свариваемость – комплексная характеристика, включающая:

сопротивляемость образованию холодных и горячих трещин – основной параметр
чувствительность металла к окислению и порообразованию;
соответствие свойств Св-С заданным эксплуатационным;
реакцию на термические циклы и т.д.

Горячие трещины чаще возникают при ослаблении деформационной способности металла.

В интервале температур плавления и полного затвердевания происходит миграция примесей и загрязнений в межзеренные пространства, что нарушает связь между зернами и снижает деформационную способность шва и околошовной зоны.

Причиной образования горячих трещин также могут быть дефекты кристаллического строения, большие сварочные напряжения, не правильное конструктивное оформление сварного соединения (например: неправильные формы и размеры сварных швов).

по показателю Уилкинсона (H.C.S):





Условия появления горячих трещин:
- для сталей

с σ в < 700 МПа - Н.С.S. >4;
для сталей с σ в ≥ 700 МПа - Н.С.S. >2.


Для предотвращения образования горячих трещин обеспечивают:

- доп. легирование металла шва;
снижение жесткости сварного соединения,
уменьшение скопления сварных швов на небольшом участке,
отсутствие пересечения сварных швов,
назначение размеров швов, обеспечивающих благоприятную форму и ориентацию кристаллитов в металле шва (рекомендуется избегать узких валиков),
проведение термообработки Св-С непосредственно после сварки.

быстром охлаждении и насыщении металла шва и ЗТВ водородом.

(зарождаются

через некоторое время после сварки и наплавки и развиваются в течение нескольких часов или даже суток).

Склонность металла к появлению холодных трещин чаще оценивают по углеродному эквиваленту (показатель, характеризующий свариваемость при предварительной оценке).
Наиболее распространенное уравнение для определения Сэ:

Сэ = C + Mn /6 + (Cr+Mo+V) /5 + (Ni+Cu) /15, %

Если Сэ ˃ 0,45% – стали склонны к образованию холодных трещин, то необходимо предусмотреть предварительный подогрев изделия, температуру которого определяют по формуле:


Соб = С э×(1+0,005× S),

где: Соб – общий эквивалент углерода, учитывающий хим. состав материала и толщину S;
Тп - температура предварительного подогрева заготовок, °С;
S – толщина свариваемых элементов, мм

Температура сопутствующего сварке или наплавке подогрева зависит от материала изделия и колеблется в среднем от 200 до 450°С.

оптимальных режимов сварки);
зачистку кромок Св-С и сварочной проволоки от

загрязнений;
прокалку электродов и флюса перед сваркой;
просушку защитных газов;
защиту зоны сварки от влияния атмосферы;
снижение жесткости Св-С;
уменьшение скопления сварных швов на небольшом участке;
отсутствие пересечения сварных швов;
проведение термообработки Св-С перед или непосредственно после сварки .

Термообработка до сварки зависит от марки стали, конструкции и метода получения детали:
для отливок – отжиг;
прокат или поковки, не имеющие жестких контуров, можно сваривать после закалки и отпуска.

Сварка при температуре окружающей среды ниже 0°С не рекомендуется.

Сварку деталей с большим объемом наплавляемого металла рекомендуется проводить с промежуточной термообработкой (отжиг или высокий отпуск).

Термообработка после сварки различна для разных марок сталей.
Основные виды применяемой термообработки: отжиг или высокий отпуск.

в Св-С и снижение сопротивляемости конструкций разрушению.
Сварочные деформации затрудняют

сборку изделий, ухудшают внешний вид и эксплуатационные качества.

МЕРОПРИЯТИЯ ПО УМЕНЬШЕНИЮ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Технологические мероприятия, выполняемые в процессе сварки

- Предварительный и сопутствующий подогрев

- способствует уменьшению неравномерности распределения температур при сварке и снижению жесткости металла свариваемых элементов.

2. Технологические мероприятия, выполняемые после сварки

2.1. Термический способ

Отпуск – снижает σост после сварки на 85-90% и улучшает пластические свойства Св-С.

Бывает общим (нагревается все изделие) и местным (нагревается часть в зоне шва).

Преимущество общего отпуска - снижение σост во всей конструкции.

Наиболее часто применяют высокий отпуск (Т = 550 - 680°С).
Стадии отпуска: нагрев, выдержка (2 – 4 ч) и охлаждение на воздухе.

вследствие чего происходит снижение σост .

2.2.1. Проковка
Металл проковывают после сварки

по горячему металлу или после его остывания. Преимущество – простота оборудования, универсальность и оперативность.

2.2.2. Прокатка

1 – сварной шов; 2 – накладка;
3 – стальные правящие ролики;
Р – усилие прокатки

Для уменьшения σост применяется прокатка сварных швов по принципу протяжки.
Шов, стремящийся сжаться, принудительно деформируется в направлении увеличения длины, что приведёт к уменьшению растягивающих его σост.

2.2.3 Приложение нагрузки к сварным соединениям
- осуществляется растяжением или изгибом.
Суммирование остаточных и приложенных напряжений вызывает пластические деформации удлинения и после снятия нагрузки снижение максимальных σост.

конструирования необходимо стремиться:

к уменьшению общего количества наплавляемого электродного и расплавляемого

основного металлов;

- к снижению тепловложения при сварке в результате уменьшения сечений сварных швов, их длины и количества;
Следует:
- не допускать в конструкциях чрезмерных скоплений и пересечений сварных швов (а);

- избегать назначения сварных швов в местах, претерпевших предварительную пластическую деформацию (б);

- использовать симметричное расположение сварных швов относительно общего ЦТ изделия с целью взаимного уравновешивания изгибающих моментов;

- рационально выбирать тип сварных соединений, отдавая преимущество стыковым соединениям, как наиболее прочным.

сечения шва заменой V-образной разделки (а) на U - образную

(б);

симметричным размещением металла относительно ЦТ шва заменой
V-образной разделки (а) на Х - образную (в);

- применением ребер жесткости (г)

предусматривать размеры и форму заготовок с учетом величины возникающих при

сварке деформаций.

Деформации в плоскости Св-С
(продольная (п) и поперечная (пр) деформации Св-С)

Влияние деформаций поперечной и продольной усадок на размеры Св-С можно уменьшить увеличением размеров заготовок на величину предполагаемой деформации.

сваркой располагаются так, чтобы после сварки они приняли требуемое взаимное

расположение.

2.1. Уменьшение угловых деформаций
предварительный обратный
угловой изгиб α заготовок
перед сваркой.

2.2. Уменьшение деформаций изгиба
- предварительный обратный изгиб заготовок перед сваркой усилием Рппр (усилие предварительного прогиба)

1…6 – последовательность укладки

валиков

Шов разбивается на короткие участки, длиной от 100 до 300мм.

Часто за основу принимают длину, которую можно заварить одним электродом
(переход от участка к участку совмещается со сменой электрода)

Сварка коротких участков выполняется в обратных направлениях с таким расчетом, чтобы окончание каждого участка совпадало с началом предыдущего.


2. Жесткое закрепление свариваемых заготовок

Рпр - усилие прижима.

Заготовки закрепляются в специальных приспособлениях (кондукторах), в которых производят сварку.

Св-С извлекается из кондуктора после полного охлаждения.

Возникают σост , для снятия которых необходима термообработка.

Технологические мероприятия, выполняемые в процессе сварки

1. Обратноступенчатый способ сварки

последующий шов вызывал деформации, обратные деформациям, полученным при наложении предыдущего

шва

3.1. Уменьшение угловых деформаций

1…8 - последовательность укладки валиков

- переход при многопроходной сварке отдельных валиков с одной стороны сечения на другую (а).
После сварки валика №1 в результате поперечной усадки
сварного шва возникает угловая деформация α1 (б).
После сварки валика №2 возникает обратная деформация, частично ее компенсирующая и т.д.

ЦТ – центр тяжести сварного изделия; 1…4 - рациональная последовательность укладки швов.


После сварки шва №1 (а) в результате его продольной усадки возникает прогиб балки f1 (б).

После сварки шва №2 возникает обратная деформация, частично компенсирующая деформацию изгиба от сварки первого шва и т.д.

3.2. Уменьшение деформаций изгиба

Балка после сварки будет иметь наименьшую деформацию изгиба.

форма изделия после сварки;
2- зоны нагрева;
3 – форма изделия

после правки;

Рус –усадка нагретых зон в процессе охлаждения;

ЦТ – центр тяжести сварного изделия

Источник теплоты – пламя газовой горелки
Отдельные участки Св-С нагреваются до Т = 1000 – 12000С (термопластичное состояние)
Их сокращение при охлаждении уменьшает деформации изгиба.

Повышаются σост в сварных швах, для их снятия целесообразен высокий отпуск изделия

При этом способе правки возможно образование трещин и разрывов в сварных швах.

1.2. Высокий отпуск

выполняется при их жестком закреплении в зажимных приспособлениях..

в сторону, обратную возникшей деформации.

-ведет к повышению σост в сварных

швах и к исчерпыванию пластических свойств в активной зоне (после гибки целесообразно для снятия σост производить высокий отпуск.

Метод громоздкий и требует больших усилий, возможно образование трещин и разрывов в сварных швах.


2.2. Проковка и прокатка сварных соединений

- помимо остаточных деформаций уменьшает и σост