Сварочные напряжения и деформации. Причины их возникновения.
ЗТВ – зона термического влияния
При осуществлении процесса сварки при кристаллизации жидкой сварочной ванны возникают остаточные внутренние напряжения, которые могут привести к деформации и разрушению сварного соединения.
Схема, почему возникают деформации
1) σвн < σт (σ0,2) – наблюдаются остаточные внутренние напряжения (сварочные)
2) σв >σвн >σт (σв – предел прочности) – наличие внутренних напряжений, деформация в зоне шва, влияние термического коробления
3) σвн >σв – говорят о потере прочности материала, наличии микро- и макротрещин, внутреннем и поверхностном разрушении.
Причины возникновения сварочных напряжений и деформаций
1) неравномерный нагрев и охлаждение в зоне сварного шва. Свариваемые элементы неравномерны по толщине, чтобы их уменьшить, делают вал с цилиндром.
2) Литейная усадка (линейная и объемная) – возникает в результате уменьшения объема в процессе кристаллизации жидкой сварочной ванны. Чем больше объем сварочной ванны, тем выше остаточные напряжения. Объем сварочной ванны зависит от вида сварки. По этой причине газовая сварка в строительстве не применяется.
3) Структурные и фазовые превращения при нагреве и охлаждении в сварном шве и околошовной зоне (зоне термического влияния). Для малоуглеродистых и низколегированных строительных сталей влияние этого фактора незначительно вследствие низкого содержания углерода (эквивалентное содержание углерода Сэкв).
Сварочные напряжения и деформации. Способы их уменьшения.
1. Рациональная технология сварки:
· Правильный выбор параметров режима сварки – сила тока, напряжение, скорость сварки, погонная энергия, длина дуги, марка электрода.
· Порядок и последовательность выполнения операций.
2. Степень закрепления свариваемых элементов в контователях: преимуществом обладает нежесткая схема закрепления элементов (когда в процессе сварки в процессе при кристаллизации сварочной ванны допускаются незначительные колебания торцов свариваемых элементов).
3. Последовательность наложения сварных швов. На примере плоских элементов.
Сначала сварка по коротким сторонам листовых элементов. В результате такого наложения швов наблюдается выпучивание средних элементов от поперечной усадки сварных швов 8 и 9.
В результате будут искривляться полки сварного двутавра из-за одновременной кристаллизации сварочных ванн №1, 2 и №3, 4.
Для получения качественного сварного двутавра сварку проводят следующим образом:
1) Стенок и полок сварного двутавра
2) Поясные швы сварного двутавра
При этом максимальная длина сварного шва не должна превышать 300-350 мм.
Направление сварки протяженного сварного шва должно постоянно меняться. При осуществлении многопроходной сварки каждый последующий проход (наварка) валика сварного шва осуществляется в обратном направлении.
4. Уравновешивание деформации. В первом случае будет наблюдаться изгиб трубы. Для уравновешения осуществляется наплавка дополнительных сварных швов симметрично, предусмотренная технологией сварки с целью создания деформаций обратного знака.
5. Создание деформаций обратного знака (предварительное создание)
1 – должно быть, 2 – получается на практике в результате кристаллизации сварочной ванны. Чтобы исключить, мы должны предварительно создать деформации со знаком, обратным ожидаемым, путем определенного закрепления свариваемых элементов.
2 – получаем без искривления (предварительное
закрепление элементов)
6. Интенсивный отвод тепла из зоны сварки снижает ширину зоны пластической деформации при охлаждении шва и зон термического влияния. Осуществляется путем сопутствующего охлаждения водой со стороны, обратной зоне сварки, через медные или стальные подкладки, которые препятствуют прямому контакту воды и сварочной ванны. С этой целью применяют стальные и алюминиевые трубки.
7. Проковка металла сварного шва и околошовной зоны – осуществляется сразу после проведения сварочного процесса, имея температуру более 400°С (400-650°С), либо при температуре менее 150-200°С. В связи с тем, что в интервале 200-400°С резко снижается пластичность материала. Применяется для изделий с толщиной стенки более 20 мм; при многопроходной сварке после каждого прохода. С помощью молотка или кувалды 0,5-1,5 кг можно значительно снизить внутренние остаточные напряжения.
Способы снижения внутренних напряжений после окончания сварки
1. Термическая обработка, которая представляет собой преимущественно общий или местный высокий отпуск (t=630-650°С), время выдержки в печи 2-3 мин/мм, охлаждение с печью (до 300-400°С), далее охлаждение ведут на воздухе.
Как вариант, применяется нормализация при такой же температуре нагрева и последующим охлаждением сразу на воздухе.
Общий высокий отпуск применяют для малогабаритных изделий, для крупногабаритных изделий применяют местный высокий отпуск отдельных узлов.
2. Термопластический метод: применяется для снятия внутренних напряжений путем создания пластической деформации в зоне сварного шва при нагреве смежных со сварным швом областей (участков основных металлов).
3. Аргонодуговая обработка: применяется для участков перехода сварного шва к основному металлу путем повторного расплавления неплавящимся вольфрамовым электродом.
При этом достигается снижение сварочных напряжений на 60-70%.
4. Дробеструйная обработка заключается в обработке сварного шва и зоны термического влияния ударной нагрузкой стальных стаканов диаметром 1-2 мм с применением дробеметной машины.
Результат: 1) снижение внутренних напряжений
2) создание сжимающих напряжений в поверхностном слое
3) заращивание микро- и макродефектов в поверхностном слое сварного шва и зоне термического влияния.