Сварочные деформации и напряжения: виды и причины появления

Сварка – это сложный высокотемпературный процесс создания неразъемного соединения. Напряжение и деформация при сварке – результат нарушения технологических требований, в виде выбора некорректных температурных параметров работ, без учета свойств линейного расширения металла.

Определение

Сварочное напряжение – это силы, действующие на место наложения шва. Они могут быть вызваны следующими усилиями:

• сдавливающими;
• растягивающим;
• изгибающим;
• крутящим.

Направление действия сил на конструкцию.

Силовые показатели напрямую влияют на надежность и жесткость конструкции. Превышение допустимых норм может привести к разрушению шва.

Причины возникновения:

1. Тепловые напряжения при сварке. Возникают при неравномерном распределении тепловой энергии по поверхности заготовки.
2. Структурные. Появляются при превышении предельно допустимых температурных показателей, установленных для свариваемого металла, что приводит к необратимым изменениям его структуры.

[stextbox id=’info’]Примером структурной деформации – сварка нержавеющей стали с высоким содержанием хрома. При температуре свыше 500 Сº хром вступает в реакцию с углеродом, что приводит к образованию карбидов, которые негативно влияют на свойства шва.[/stextbox]

Некоторые изменения носят временный характер и исчезают с охлаждением металла. Однако, встречаются и сварочные остаточные напряжения, которые действуют на поверхность даже после устранения причин их образования.

 Основные причины проявления

Как было сказано выше, причиной появления сварочных напряжений и деформаций является воздействие высокой температуры на поверхность. Рассмотрим изменения, которые происходят с обрабатываемыми заготовками и от чего зависит величина деформации свариваемых металлов.

Литейная усадка

а) Деформация до и после сварки, б) График распределения напряжения.

При сокращении размеров охлаждаемой сварочной ванны, на ее границах наблюдается процесс деформации слоев металла. После кристаллизации шва, сохраняется остаточное напряжение, что влияет на крепость соединения.

Размер измененной области напрямую зависит от толщины шва – чем меньше ванна расплава, тем незначительнее будут силы деформации.

Нагревание/охлаждение происходит неравномерно

Учебные пособия для будущих сварщиков указывают, что независимо от положения шва: потолочного, вертикального или горизонтального, зону соединения следует нагревать равномерно, без перепадов температур на участках. В противном случае происходят температурная деформация металла. Она характеризуется изменение пластичности и прочности структуры.

При проведении электросварочных работ, рабочая плоскость нагревается под действием электрической дуги, величина которой регулируется специальным механизмом сварочного аппарата.

Чем выше температура воздействия на поверхность, чем сильнее деформируется металл. Кроме того, необходимо контролировать процесс охлаждения. Резкие перепады температур негативно влияют на качество шва.

Изменения структуры материала

Как показали исследования, структурным изменениям подвержены легированные и углеродистые сорта стали, в которых массовая доля углероды превышает 0,35 %. Превышение рекомендованных температур приводит к образованию новых элементов, что влияет на общий объем заготовки. Кроме того, изменение структуры затрагивает и коэффициент линейного расширения, что приводит к увеличению сварочного напряжения.

[stextbox id=’info’]Для работы с высоколегированными составами разрабатывают методические пособия, которые содержат подробное описание технологических процессов и рекомендации, включая информацию о том, как влияет на величину остаточных деформаций увеличение сварочного тока и формулы побора оптимальных параметров.[/stextbox]

Способы снижения деформации

Для предотвращения чрезмерного сварочного напряжения и деформации сварочного соединения, существуют проверенные временем методы:

1. На крупных производственных предприятиях, на стадии разработки проектной документации, аттестованные технологи проводят анализ параметров металлов и изменения, которому они подвергаются под воздействием высокой температуры. Если применяемые материалы после соединения не будут соответствовать требованиям технических стандартов, пытаются корректировать режим сварки и способы наложения швов.
2. На стадии непосредственного выполнения работ, следует руководствоваться методическими пособиями. Замыкающие швы в конструкциях выполняют в последнюю очередь. При ручной дуговой сварке необходимо регулировать длину соединения. Специалисты советуют выполнять работы в ступенчатой последовательности.

Последовательность наложения сварочных швов для уравновешивания деформаций.

3. Опытные мастера рекомендуют обратить внимание на подготовленные кромки. На них рекомендуют сделать насечки, для снижения деформационных изменений. При этом обработку проводят в направлении, обратном развитию деформирующих процессов.
4. Предварительная температурная обработка поможет снизить деформационные изменения в заготовке. Необходимо следить за равномерностью прогрева поверхности.

Как устранить?

Борьба с устранением напряжений может проходить путем механической или термической обработки соединения. Предварительный и сопроводительный нагрев снижает деформационные изменения и позволяет выдержать геометрию конструкции. Направление движения пламени зависит от вида используемого проката.

По окончанию работ рекомендуют выполнить температурный отпуск. Это уменьшит остаточное напряжение благодаря повышению пластичности структуры металла.

Среди механических методов устранения напряжений наиболее популярным является проковка. В качестве рабочего инструмента используют молоток, работающий от сжатого воздуха. Процедуру можно проводить как с холодной, так и с разогретой поверхностью. Исключение составляют сорта стали, склонные к возникновению закалочных структур.

Менее востребованными являются процедуры вибрационной обработки и прокатки.

Удаление деформаций

а) Деформация в плоскости, б) Деформация с нарушением плоскости, где 1 – форма изделия до сварки, а 2 – после сварки.

Термическую деформацию изделий делят на два типа:

1. В плоскости. Она характеризуется изменением геометрических размеров детали.
2. С нарушением плоскости. В этом случае происходят угловые изменения конструкции, с сохранением габаритных размеров.

Для устранения деформаций чаще всего применяют метод термической обработки. Он заключается в сжатии заготовки после нагрева. Обработке поддается только дефектный участок. Большинство сортов металлопроката правят именно таким способом.

Для устранения дефектов механическим способом используют прокатные установки или прессовые механизмы. Его преимущество заключается в том, что обрабатываемую деталь можно не нагревать.

В особо тяжелых случаях используют термомеханический метод правки. Он заключается в постоянном силовом давлении на заготовку после предварительного нагрева поверхности.

Заключение

Квалифицированный специалист обязан знать причины возникновения сварочных напряжений и деформаций, а также способы их устранения. Для предупреждения дефектов специалисты рекомендуют проводить предварительный отжиг заготовки, а также термический отпуск, по окончанию работ.

[stextbox id=’info’]Сварщик 6-го разряда Федоренков Александр Александрович. Опыт – 15 лет: «Моя сфера деятельности подразумевает наложение швов большой длины. Считаю, что лучше всего с предотвращением деформации и напряжения помогает метод сварки «вразнобой»: начать работу с разных концов – так разные швы будут компенсировать напряжение друг друга».[/stextbox]