Способы уменьшения сварочных деформаций и напряжения

Д.В.
Проценко А.А,

литье, термическая обработка), вызывает возникновение в изделиях собственных напряжений.

Собственными напряжениями называются напряжения, которые существуют в изделии без приложения внешних сил. Образование остаточных напряжений и деформаций при сварке вызывается одной и той же причиной, именно появлением внутренних усилий при местном нагреве металла до пластического состояния.
Приходится применять специальные меры по предотвращению или уменьшению остаточных сварочных деформаций и напряжений.

конструктивные, технологические, проводимые в процессе сварки, и технологические, проводимые после

сварки. Главная цель конструктивных и технологических мероприятий, выполняемых в процессе сварки, состоит в том, чтобы не допустить искривления продольной и поперечной осей конструкции и чтобы избежать выпучивания или волнистости листов от потери устойчивости.

быть больше, чем требуется по условиям прочности.
2. Швы необходимо располагать

ближе к осям, проходящим через центр тяжести изделия, или на самих осях.
3. Центр тяжести поперечных сечений двух параллельных швов должен совпадать с центром тяжести поперечного сечения свариваемой конструкции.
4. Количество швов в конструкции следует проектировать по возможности меньше, для уменьшения усадочных усилий, действующих в ней.
5. Припуски деталей на усадку должны быть установлены правильно, чтобы после сварки размеры конструкции соответствовали запроектированным.
6. Для ограничения угловой деформации, т. е. выхода деталей из плоскости соединения, необходимо уменьшать угол раскроя V-образных швов или применять X-образные швы при больших толщинах свариваемых листов.
7. Предусматривать зажимы для правильной установки деталей при сборке. Причем характер действия зажимов должен обеспечивать свободное перемещение деталей в их плоскости по направлению поперечной усадки и задерживать повороты деталей, т. е. препятствовать угловой деформации.

сварки. Режим сварки должен быть выбран таким, чтобы ширина активной

зоны была возможно меньше. Для этого следует повышать скорость сварки, чтобы удельная энергия нагрева была меньше.
Наложение швов вести в таком порядке, при котором деформирование от предыдущего шва ликвидируется обратной деформацией после наложения последующего шва.
Проковка швов в процессе сварки заметно уменьшает деформации. Проковка уплотняет шов путем расплющивания остывающего слоя наплавки и в результате уменьшает действие усадки шва.
Предварительный подогрев всего свариваемого изделия ведет к понижению остаточных напряжений и уменьшению остаточных деформаций.
Искусственное охлаждение разогретого металла путем теплоотводящих подкладок или при помощи проточной воды уменьшает активную зону и снижает продольную усадку

выгиб перед сваркой ограничивает изгиб после окончания сварки.
При сварке тонких

листов по замкнутому контуру средняя область листа, подвергаясь всестороннему сжатию от действия усадочных усилий вдоль шва, выпучивается от потери устойчивости. Для избегания выпучивания целесообразно перед сваркой произвести местный подогрев средней области листа, т. е. нагрев места листа, в котором ожидается вершина выпучивания.
Сварка деталей в закрепленном положении и сварка в кондукторах снижает остаточные деформации.
Для устранения выпучивания или волнистости от потери устойчивости тонколистовыми элементами сварной конструкции весьма эффективным мероприятием является предварительное растяжение тонких листов и приварка их в растянутом состоянии к другим элементам конструкции или сварка в растянутом состоянии друг с другом. В результате остаточные реактивные напряжения осевого сжатия значительно уменьшаются, и явление потери устойчивости устраняется.

Сварочный кондуктор- приспособление для сборки и закрепления друг относительно друга свариваемых частей в определенном положении.

подвергают термообработке. С этой целью при сварке углеродистых конструкционных сталей

проводят общий высокий отпуск конструкции (нагрев до 630 - 650ºС с выдержкой при этой температуре в течение 2- 3 мин). Охлаждение должно быть медленным для того, чтобы при его прохождении снова не возникли напряжения.

больше содержание элементов, способствующих закалке, тем меньше должна быть скорость

охлаждения. Во многих случаях деталь охлаждают до температуры 300ºС, а затем на спокойном воздухе.

При высоком отпуске сварочные напряжения снимаются вследствие того, что при температуре 600ºС предел текучести металла близок к нулю и материал практически не оказывает сопротивления пластической деформации, в процессе которой происходит релаксация сварочных напряжений. При температуре отпуска 600 - 620ºС наблюдается некоторое охрупчивание металла. Особенно это проявляется на сталях, содержащих ванадий. Снижение температуры отпуска до 550 - 560ºС устраняет указанный недостаток.
Высокий отпуск является дорогой операцией, удлиняющей технологический процесс изготовления конструкции, и его следует применять в действительно необходимых случаях.

зоне шва, что осуществляется путем нагрева смежных со швом участков

основного металла.
При этом достигается тот же эффект, что и при растяжении внешними силами. Снятие напряжений достигается только при тщательной регулировке источника нагрева и определенной скорости перемещения его вдоль шва.

сварочных напряжений является расплавление участка перехода от шва к основному

металлу неплавящимся электродом в аргоне. При этом нарушается равновесие внутренних сил напряженного поля вследствие перехода части металла в жидкое и пластическое состояние. Естественно, что при кристаллизации расплавленного металла будут вновь возникать напряжения, однако они сравнительно малы, так как количество этого металла во много раз меньше, чем металла шва. Расплавление небольшого количества основного металла и металла шва приводит к уменьшению напряжений на 60 - 70%.

напряжения могут быть сняты почти полностью, если в шве и

околошовной зоне создать дополнительные пластические деформации. Это достигается проковкой швов.
Специальный нагрев сварного соединения для выполнения проковки, как правило, не требуется. Удары наносят вручную молотком массой 0,6 - 1,2 кг с закругленным бойком или пневматическим молотком с небольшим усилием. При многослойной сварке проковывают каждый слой, за исключением первого, в котором от удара могут возникнуть трещины. Этот прием применяют для снятия напряжений при заварке трещин и замыкающих швов в жестких конструкциях.

текучести металла.
Воздействие на сварную конструкцию внешних сил, от которых в

ней возникают напряжения, равные пределу текучести металла.
Нагружение конструкции должно быть статическим и проводиться в условиях, когда металл находится в пластическом состоянии (при положительной температуре). Такой метод снятия напряжений особо следует рекомендовать для конструкций, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (низкие температуры, большие скорости приложения нагрузок) перед вводом их в работу.

механическую правку можно осуществлять на прессах или при толщине металла

до 3 мм вручную ударами молотка. Этот вид правки менее целесообразен, чем термическая правка, и его применение следует ограничивать. При механической правке образуется местный наклеп, повышающий предел текучести металла. Пластические свойства металла резко снижаются, особенно у кипящей стали. Вызываемая наклепом неоднородность механических свойств сказывается отрицательно на статической прочности конструкции и при эксплуатации конструкции под переменными нагрузками.

деталей перед сваркой обеспечивает уменьшение сварочных деформаций. Закрепление обеспечивает уменьшение

сварочных деформаций по сравнению со сваркой в незакрепленном состоянии, если зона нагрева до температур выше 600°С не превышает 0,15 общей ширины свариваемого элемента (рис.3). Если зона нагрева будет более 0,15 ширины листа, то жесткое закрепление не уменьшает деформаций, а, наоборот, может увеличить их по сравнению со сваркой в свободном состоянии.

или элемента для уменьшения остаточной деформации искусственно создают деформацию, обратную

по знаку по отношению к той, которая может возникнуть при сварке. На рисунке показаны некоторые примеры использования обратной деформации.

Схема создания обратного прогиба:
а - свободных листов небольшой ширины, б - свободных листов большой ширины, в - закрепленных листов