Методы уменьшения сварочных напряжений, деформаций и перемещений

Сварочные деформации вследствие изменения размеров и формы конструкций существенно затрудняют их сборку, ухудшают внешний вид и эксплуатационные качества. Сварочные напряжения снижают сопротивляемость сварных конструкций разрушению, особенно при воздействии циклических нагрузок и агрессивных сред. Поэтому применяют различные способы уменьшения или устранения сварочных деформаций И напряжений.

Мероприятия по уменьшению деформаций и напряжений могут осуществляться на разных стадиях изготовления конструкции: до сварки — на стадии проектирования конструкции и технологии производства, во время и после сварки.

Мероприятия, применяемые преимущественно для снятия сварочных напряжений, влияют на деформации и, наоборот, мероприятия, применяемые преимущественно для уменьшения деформаций, влияют на величину напряжений. Рассмотрим основные способы уменьшения сварочных деформаций и напряжений.

Уменьшение остаточных сварочных напряжений. Способы уменьшения остаточных напряжений делят на термические, механические и термомеханические. Наиболее эффективно снятие остаточных напряжений способами, осуществляемыми после сварки.

К термическим способам „относят предварительный и сопутствующий подогрев во время сварки и высокий отпуск после сварки.

Подогрев снижает предел текучести металла в момент сварки, что и влияет на формирование и величину остаточных напряжений. Снижение напряжений при низкотемпературном подогреве (до 200—250 °С) составляет ориентировочно не более 30—40%.

Общий высокий отпуск является наиболее эффективным методом уменьшения остаточных напряжений, так как позволяет снизить напряжения на 85—90% от исходных значений и одновременно улучшить пластические свойства сварных соединений. Высокий отпуск состоит из нагрева (для стали до температуры около 650 °С), вьщержки (2—4 ч) и медленного охлаждения.

Местный отпуск применяют для снятия пиковых величин остаточных напряжений и восстановления пластических свойств сварных соединений. При местном отпуске нагревают до заданной температуры лишь часть конструкции.

Рис. 1. Распределение остаточных сварочных напряжений в стыковом соединении

Поэлементный отпуск состоит в том, что при монтаже крупного баритных конструкций подвергают отпуску отдельные узлы кон струкции, включающие зоны и элементы, где отпуск необходим а затем эти узлы сваривают между собой чаще всего встык с полным проваром без концентраторов. Обычно в этих соединениях предусматривают снятие напряжений местными способами (термическими или механическими).

Механические способы (проковка, прокатка, вибрация, взрывная обработка, ультразвуковая обработка, приложение нагрузки к сварным соединениям) основаны на создании пластической деформации металла сварных соединений, вследствие чего происходит снижение растягивающих остаточных напряжений.

Металл проковывают непосредственно после сварки по горячему металлу или после его остывания. Основное преимущество этого метода заключается в простоте применяемого оборудования, универсальности и оперативности.

Прокатка обеспечивает более равномерную пластическую деформацию металла по сравнению с проковкой и в основном предназначена для устранения остаточных деформаций.

Приложение нагрузки к сварным соединениям осуществляют растяжением или изгибом элементов. Суммирование остаточных и приложенных напряжений вызывает пластические деформации удлинения и после снятия нагрузки снижение максимальных напряжений.

Наряду с рассмотренными механическими методами для снятия напряжений начинают использовать вибрацию, ультразвуковую и взрывную обработку.

Термомеханические способы основаны на одновременном протекании тепловых и механических процессов.

Способы уменьшения сварочных деформаций. Все мероприятия по уменьшению деформаций можно разделить на три группы в зач висимости от того, применяют ли их до сварки, в процессе сварки или после нее.

Мероприятия, применяемые до сварки.

1. Рациональное конструирование сварного изделия, которое включает: – уменьшение количества наплавленного металла и соответственно количества вводимого при сварке тепла за счет уменьшения сварных швов и их сечений; – избежание скоплений и перекрещиваний швов; – симметричное расположение швов для уравновешивания деформаций; – симметричное расположение ребер жесткости, накладок, косынок и т. д. и их минимальное использование.

2. На стадии разработки технологии целесообразно предусматривать: – размеры и форму заготовок с учетом величины возникающих прй сварке усадок; – предварительную деформацию заготовок, которая была бы противоположной ожидаемой сварочной деформации; – правильный выбор вида сварки, учитывая, что деформации при ручной сварке, как правило, больше, чем при автоматической, а деформации при сварке под флюсом больше, чем при сварке в углекислом газе.

Мероприятия, применяемые в процессе сварки:- – снижение погонной энергии при назначении более экономичных режимов; – искусственное охлаждение зоны сварки, например, водой, водо-охлаждаемыми медными накладками и т. д. для уменьшения зоны нагрева и соответственно сварочных деформаций; – закрепление свариваемых изделий в жестких приспособлениях; применение многослойных швов вместо однослойного, проковка швов после каждого прохода; – рациональная последовательность сварки для уравновешивания деформаций, применение обратноступенчатого способа сварки, заключающегося в том, что всю длину шва разбирают на отдельные ступени и сварку каждой ступени выполняют в направлении, обратном общему направлению сварки.

Мероприятия, применяемые после сварки: механическая правка сварных изделий для создания пластических деформаций, обратных сварочным, путем растяжения, изгиба, местного деформирования проковкой, прокаткой роликами, осадкой металла по толщине под прессом и др.; – тепловая правка местным нагревом. Расширяющийся при местном нагреве металл осаживается прилегающим холодным металлом, поэтому после охлаждения размеры нагретого участка уменьшаются, что приводит к устранению местных деформаций (хлопунов, выпучин и т. д.); – высокий отпуск деталей в зажимных приспособлениях.