Технологические методы предупреждения и устранения сварочных напряжений и деформаций.

Сварка, как и другие процессы обработки металлов (штамповка, литье, термическая обработка), вызывает возникновение в изделиях собственных напряжений. Собственными напряжениями называются напряжения, которые существуют в изделии без приложения внешних сил. Поэтому в самый начальный период создания сварных конструкций, на стадии их проектирования, необходимо предусматривать возможность появления в них значительных остаточных напряжений и деформаций, которые могут изменить проектные формы и размеры. В зависимости от причины, вызвавшей напряжения, различают:

– тепловые напряжения, вызванные неравномерным распределением температуры при сварке в результате литейной усадки;

– структурные напряжения, возникающие вследствие структурных превращений, сопровождающихся переохлаждением аустенита в околошовной зоне и образованием продуктов закалки мартенсита, объем которого больше объема исходной структуры.

При наплавке валика на кромку полосы валик и нагретая часть расширяются и растягивают холодную часть полосы, создавая в ней растяжение с изгибом (рис. 5.1, а). Сам же валик и нагретая часть полосы будут сжаты, поскольку их расширению препятствует холодная часть полосы. Полоса прогнется выпуклостью вверх. При остывании валик и нагретая часть полосы, претерпев пластические деформации, будут укорачиваться, но этому опять воспрепятствуют слои холодного металла. Валик и нагретая часть полосы будут стягивать верхние волокна, и полоса прогнется выпуклостью вниз (рис. 5.1, б).

Усадка происходит при остывании металла. Металл становится более плотным, его объем уменьшается, и в сварном соединении возникают внутренние напряжения.

Из-за продольных напряжений изделие коробится в продольном направлении, а поперечные – приводят к угловым деформациям – короблению в сторону большего объема расплавленного металла (рис. 5.2).

Сварка металлов протекает в широком интер­вале температур, при этом интенсивному нагреву под­вергаются шов и околошовная зона, а удаленные от шва участки могут вовсе не подвергаться нагреву.

Нагрев приводит к из­менению как физических, так и механических ха­рактеристик металла, с этим при сварке необходи­мо считаться. Поэтому рассмотрим, как изменяют­ся свойства низкоуглеро­дистой стали в зависимости от температуры испыта­ния.

Мероприятия по уменьшению собственных напряжений при сварке можно разделить на конструктивные и технологические. Грамотный подход к конструированию сварных соединений и правильное расположение швов в сварной конструкции ведет не только к облегчению из­готовления конструкции, но способствует также снижению собствен­ной напряженности.

Рис. 5.1. Деформации металла при неравномерном нагреве: а – нагретая зона; б – охлажденная зона

К конструктивным мероприятиям относятся:

1. Выбор основного металла и электродов для изготовления проектируемой конструкции. Основной металл не должен иметь склонности к образованию закалочных структур при остывании на воздухе. Электроды должны давать наплавленный металл, пластические свойства которого не ниже пластических свойств основного металла. Это, в первую очередь, относится к связующим швам, сечение которых под действием внешней нагрузки работает совместно с основным металлом.

2. Недопускается скопление швов и их пересечение, особенно в конструкциях, которые при эксплуатации будут работать на ударную и переменную нагрузку, в целях уменьшения плоскостных и объемных напряжений

3. Недопускается применение сварных швов, образующих небольшие замкнутые контуры, например вставка латок, приварка усилений, так как это увеличивает плоскостную напряженность.

4. Недопускается применение косынок, накладок и т.д., так как все это ведет к увеличению плоскостных напряжений. Количество швов должно быть, по возможности, минимальным, а их сечение не должно превышать заданных проектом размеров.

а б

Рис. 5.2. Литейная усадка расплавленного металла: а – деформации от поперечной усадки; б – деформации от продольной усадки

5. При расстановке ребер жесткости следует располагать их таким образом, чтобы при сварке нагреву подвергались одни и те же места основного металла (рис. 5.3), так как это уменьшает поперечную усадку стенки, а следовательно, и всей конструкции.

6. Применять преимущественно стыковые швы, которые являются менее жесткими и у которых концентрация силовых напряжений значительно меньше, чем в угловых швах.

7. В стыковых соединениях деталей разной толщины в целях более равномерного нагрева и провара стыкуемых кромок, а также равномерного распределения силового потока следует скашивать кромку листа, имеющего большую толщину, как показано на рис.5.4.

а б

Рис. 5.4. Сварка в стык пластин различной толщины: а – правильно; б – неправильно

8. При проектировании сложных сварных конструкции необходимо предусматривать возможность изготовления их в виде отдельных сварных узлов, которые потом будут соединены в целую конструкцию. Это уменьшает влияние связей на усадку швов и снижает плоскостную напряженность.

9. В сварных конструкциях, состоящих из деталей сложной конфигурации, необходимо применять штампованные и литые узлы, которые свариваются с остальными деталями всей конструкции.

10. Расположение швов не должно затруднять применение механизированных способов сварки, повышающих качество наплавленного металла, производительность работ и уменьшение внутренних напряжений в сварных швах.

11. В обязательном порядке предусматривать и проектировать специальные сборочно-сварочные приспособления и кондукторы, обеспечивающие точность сборки и правильную последовательность сварочных работ.