Советы для новичков

Деформации при сварке: виды и причины | Как избежать деформации и напряжения сварки

В производстве металлоконструкций самые надежные и долговечные соединения обеспечивает сварочная технология при условии безошибочного проведения работ.

Если же хоть незначительно нарушаются технологии процесса, то в создаваемой конструкции формируются деформации и напряжения при сварке.

При этом искривляются формы, возникают неточности в размерах изделия, что делает невозможным качественное выполнение функциональных задач.

Деформации при сварке: виды и причины | Как избежать деформации и напряжения сварки

Что являют собой напряжения и деформации

Появлением напряжений и искажений сопровождается любое силовое воздействие на металлическое изделие. Силу, которая оказывает давление на единицу площади называют напряжением, а нарушение целостности форм и размеров в результате силовой нагрузки называют деформацией.

Напряжение может быть вызвано физическим усилием сжимающего, растягивающего, срезающего или изгибающего характера. Когда сварочные напряжения и деформации превышают допустимые значения, то это влечет за собой разрушению отдельных элементов и всей конструкции.

Почему образуются деформации и напряжения

Деформации при сварке появляются из-за вызванных разными факторами внутренних напряжений. Причины таких нарушений условно разделяют на две большие категории: основные (неизбежные), которые всегда присутствуют при сварочных работах и сопутствующие, которые подлежат устранению.

Причины неизбежные

Группу основных составляют следующие причины возникновения напряжений и деформаций при сварке:
структурные видоизменения, провоцирующие развитие сжимающих и растягивающих напряжений. Довольно часто при охлаждении изделий, выполненных из высокоуглеродистых и легированных стальных сплавов при нарушается зернистая структура металлов и размеры самих деталей.

В результате меняется первоначальный объем металла, что собственно и поднимает внутреннее напряжение;

  • неравномерный прогрев. В процессе сварки нагревается только задействованный участок металла, при этом он расширяется и оказывает влияние на менее нагретые слои. Образующаяся вследствие прерывистого прогрева высокая концентрация напряжений в сварных соединениях в основном зависит от показателей линейного расширения, степени теплопроводности и температурного режима. Чем выше эти показатели, тем меньшей является теплопроводность металла и соответственно возрастают риски неточностей сварочном шве;
  • литейная усадка, когда объем металла заметно уменьшается из-за его кристаллизации. Объясняется это тем, что в расплавленном металле под влиянием усадки образуется сварочное напряжение, которое может быть одновременно поперечным и продольным.

Не только внешние силовые воздействия способны спровоцировать напряжение при сварке. Металлическим сплавам характерны также свои собственные напряжения и деформации, которые разделяются на остаточные и временные.

Первые возникают вследствие пластичной деформации и даже после охлаждения конструкции они в ней остаются.

Когда появляются временные сварочные деформации? Непосредственно в процессе сваривания в прочно зафиксированном изделии.

Сопутствующие причины

Кроме основных существуют также побочные причины возникновения деформаций при сварке. К таковым относят:

  • отклонение от технологических нормативов, например, использование не подходящих для конкретного случая электродов, нарушение режимов сварки, недостаточная подготовка изделия к сварочному процессу и другие;
  • несоответствие конструктивных решений: частое пересечение между собой сварных соединений или недостаточное расстояние между ними, неточно подобранный тип шва и т. д.;
  • отсутствие опыта и соответственных знаний у сварщика.

Что из перечисленного вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях? Любое неправильное действие приводит к технологическим дефектам шва, в частности к появлению трещин, пузырей, непроваров и других браков.

Виды деформаций и напряжений

Различают разные виды напряжений в зависимости от характера их возникновения, периода действия и других факторов. В таблице ниже показано что вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях и какими они бывают.

Характер возникновения Тип напряжения Чем вызвано нарушение
В соответствии причины появления Тепловые Неравномерный прогрев из-за перепада температур в процессе сварки
Структурные Изменения в структуре металла при нагревании его выше предельно допустимой температуры
По времени существования Временные Образуются при фазовых видоизменениях, но постепенно исчезают вследствие охлаждения
Остаточные Даже после ликвидации причин их появления присутствуют в изделии
По охватываемой площади Действующие в пределах всей конструкции
Действующие только в зернах структуры материала
Присутствующие в кристаллической решетке металла
По направленности действия Продольные Образуются вдоль линии сварочного шва
Поперечные Располагаются перпендикулярно к оси соединения
По виду напряженного состояния Линейные Только в одном направлении распространяется действие
Плоскостные Образуются в двух разных направлениях
Объемные Оказывают одновременно трехстороннее воздействие

Деформации при сварке: виды и причины | Как избежать деформации и напряжения сварки

Виды деформаций при сварке бывают:

  • местные и общие. Первые возникают на отдельных участках и изменяют только часть изделия. Вторые проводят к изменению размера всей конструкции и искривлению ее геометрической оси;
  • временные и конечные. Возникающие в конкретный момент сварочные деформации называют временными, а те, которые после полного охлаждения изделия остаются в нем — остаточными;
  • упругие и пластичные. Когда после сварки размер и форма конструкции полностью восстанавливаются, деформация упругая, если дефекты остаются — пластичная.

Деформации металла возможны как в плоскости сварной конструкции, так и вне нее.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций

С целью определения прочности и надежности шва, и выявления возникших дефектов проводится тестирование сварных соединений. Такой контроль позволяет своевременно обнаружить браки и оперативно их устранить.

Для выявления изъянов используют следующие типы контроля:

  • разрушающий. Позволяет исследовать физические качества сварного шва, активно применятся на производственных предприятиях;
  • неразрушающий. Проводится посредством внешнего осмотра, капиллярного метода, магнитной или ультразвуковой дефектоскопии, контролем на проницаемость и другими способами.

При производстве конструкций с применением сварки одним из важных нюансов является точное определение возможных деформаций и напряжений. Их наличие приводит к отклонениям от первоначальных размеров и форм изделий, понижает прочность конструкций и ухудшает эксплуатационные качества.

Деформации при сварке: виды и причины | Как избежать деформации и напряжения сварки

Расчет сварочных напряжений и деформаций позволяет проанализировать разные варианты проведения сварочных операций и спланировать их последовательность так, чтобы в процессе работ конструкция подвергалась минимальным напряжениям и образованию дефектов.

Способы устранения сварочных напряжений

Дли ликвидации напряжений проводят отжиг или же используют механические методы. Наиболее прогрессивным и действенным считается отжиг. Применяется метод в случаях, когда к геометрической точности всех параметров изделия выдвигаются сверхвысокие требования.

Отжиг может быть общим или местным. В большинстве случаев проводят процедуру при температуре 550-680°С. Весь процесс проводится в три этапа: нагрев, выдержка и остывание.

Из механических способов чаще всего используется прокатка, проковка, техника вибрации и обработка взрывом. Проковка проводится с применением пневмомолота. Для виброобработки используют вызывающие вибрацию устройства, у которых в течение нескольких минут 10-120 Гц составляет резонансная частота.

Способы устранения деформации

Деформация металла при сварке устраняется термомеханической, холодной механической и термической правкой с общим или местным нагревом. При полном отжиге конструкция прочно фиксируется в специальном устройстве, которое на требуемые участки образует давление. После закрепления изделие помещается в печь для нагрева.

Принцип термического способа состоит в том, что в процессе охлаждения металл сжимается. Растянутый участок нагревают с помощью дуги или горелки таким образом, чтобы холодным оставался окружающий сплав. Это препятствует сильному расширению горячего участка. В процессе остывания конструкция выпрямляется. Метод идеально подходит для правки листовых полос, балок и других изделий.

Холодная правка проводится с применением постоянных нагрузок, которые образуют с помощью разнообразных прессов, валков для прокатки длинных конструкций. В сильно растянутых конструкциях для ликвидации деформаций используют термическую правку. Сперва собираются излишки металла, после чего проблемные участки прогреваются.

Какой из методов считается самым лучшим? Однозначного ответа здесь не существует. При выборе технологии следует учитывать тип, размеры и формы металлического изделия, какие особенности вызвали деформации и сварочные напряжения, и деформации, возникшие в плоскости или снаружи. Также внимание стоит обратить на эффективности методики и предстоящих трудозатратах.

Как предотвратить возникновение напряжений и деформации

Чтобы повысить качество конструкций и предотвратить образование браков, следует знать от чего зависит величина деформации свариваемого металла.

Понизить напряжения в процессе сварочных работ и предотвратить деформации можно, если придерживаться следующих правил:

  • при проектировании сварной конструкции сперва нужно провести расчет сварочных деформаций, что позволит правильно сформировать сечения швов и предусмотреть на отдельных участках изделия необходимые для усадки припуски;
  • швы нужно выполнять симметрично к профильным осям всего изделия и отдельных его деталей;
  • очень важно, чтобы в одной точке не было пересечений более чем трех швов;
  • перед свариванием конструкцию необходимо проверить на соответствие расчетам величин зазоров в стыках и общих размеров;
  • понизить остаточную деформацию можно, если создать в соединении искусственную деформацию, противоположную по знаку от выполняемой сварки. Для этого применяется общий или местный подогрев конструкции;
  • при выполнении длинных швов применять обратноступенчатый способ на проход;
  • использовать теплоотводящие прокладки или охлаждающие смеси, способные уменьшить зону разогрева;
  • накладывать швы таким образом, чтобы последующее соединение вызывало обратные от предыдущих швов деформации;
  • подбирать для вязких металлов такие сварочные техники, которые способны понизить конечные деформации.

Нужно понимать, чтобы понизить к минимуму деформации при сварке, причины их возникновения и меры предупреждения непосредственно повязаны между собой. Поэтому вначале нужно провести все расчеты и подготовительные работы, и только после этого приступать к процессу сваривания металлоконструкций.

Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям

Намного проще предотвратить проблему, нежели ее устранять. Касается это также сварочных работ. Чтобы не столкнуться с устранением брака, а также избежать лишних финансовых затрат следует обратить внимание на некоторые меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями.

Сопроводительный и предварительный подогрев

Выполнение таких видов подогрева улучшает качественные характеристики шва и прилегающих к нему участков. Также метод способствует уменьшению остаточного напряжения и пластических деформаций. Применяют подогрев для склонных к возникновению кристаллизационных трещин и закалке сталей.

Читайте также:  Как настроить маску Хамелеон | Настройка и регулировка сварочной маски

Наложение швов в обратно ступенчатом порядке

Если длина шва превышает 1000 миллиметров, то следует разбить его на отдельные участки протяжностью 100-150 мм каждый и вести их нужно противоположно к направлению сварки. Применение такого способа позволяет достичь равномерного нагревания металла и существенно понизить деформацию, что нельзя отнести к случаю последовательного наложения.

Деформации при сварке: виды и причины | Как избежать деформации и напряжения сварки

Проковка швов

Как холодный, так и нагретый металл можно проковывать. Металл от силы удара разжимается в разные стороны, понижая таким образом растягивающее напряжение. Если конструкция создана из склонного к появлению закалочных структур металла, то на таких изделиях проковка не выполняется.

Выравнивание деформаций

Сущность способа состоит в подборе порядка выполнения швов. При этом каждое последующий шов должен создавать противодействующую деформацию предыдущему соединению. Очень актуально это при сваривании двусторонних соединений.

Жесткое крепление деталей

В течение всего процесса сварки обрабатываемые детали необходимо жестко и прочно закреплять в кондукторах. Вынимать можно только после полного охлаждения. Следует обратить внимание, что у такого метода есть один недостаток — повышенные риски появления внутренних напряжений.

Термическая обработка

Улучшает механические характеристики шва и расположенных вблизи участков, выравнивает структуру соединения, понижает внутренние напряжения. Термическая обработка состоит из разных операций: отпуск, отжиг (полный или низкотемпературный), нормализация.

Наилучшим способом обработки для сварных изделий считается нормализация, особенно хорошо подходит метод для изделий из низкоуглеродистых сталей.

Интересное видео

Напряжения и деформации при сварке: виды, причины возникновения и способы устранения

Образование напряжений и деформаций при сварке обычно связано с несоблюдением технологических требований. Такие соединения ненадежны, так как на швах могут появиться трещины, снижающие прочность. После деформации при сварке геометрические параметры могут измениться настолько, что конструкция будет непригодна для эксплуатации.

Определение сварочных напряжений и деформаций

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению. По направленности они могут быть:

  • растягивающего действия;
  • изгибающего;
  • крутящего;
  • сжимающего;
  • срезающего.

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил. Нарушения могут проявиться не сразу после завершения сварочных работ, а во время эксплуатации из-за увеличения нагрузки. В лучшем случае снизится антикоррозийная устойчивость, в худшем ― разрушится конструкция.

Наглядная картинка деформации сварного соединения при сварке и после остывания

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению.

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил.

Причины возникновения

Причины образования деформаций и напряжений при сварке подразделяются на основные и побочные категории. К первым относят те, которые возникают во время сварки, поэтому неизбежны. Вторые нужно предотвращать.

Основные причины возникают как следствие:

  1. Неравномерного нагрева сварочной зоны и прилегающих участков. Более горячий металл расширяется больше чем холодный, поэтому между слоями с разной температурой начинает концентрироваться напряженность. Ее величина определяется степенью нагревания и коэффициентом теплового расширения. Чем больше эти значения, тем выше вероятность нарушения геометрии конструкций.
  2. Усадки. Когда при охлаждении после сварки металл переходит из жидкой фазы в твердое состояние, объем уменьшается. Этот процесс сопровождается растягиванием прилегающих участков с образованием напряжений, направленных вдоль или поперек шва. Продольное воздействие изменяет длину соединения, а поперечное способствует образованию угловой деформации.
  3. Структурных изменений. При сварке высокоуглеродистой или легированной стали с большим нагревом происходит процесс закаливания с изменением объема и коэффициента теплового расширения. Это явление создает напряжения, приводящие к образованию трещин внутри и на поверхности швов. У сталей, в составе которых углерода меньше 0,35%, структурные изменения настолько малы, что не оказывают существенного влияния на качество сварных соединений.

  Чем обработать сварные швы

К побочным причинам причисляют:

  • неправильный выбор электродов или режимов сварки, некачественная подготовка деталей перед сваркой, другие нарушения технологии;
  • неверный выбор вида швов или малое расстояние между ними, большое количество точек пересечения соединений и прочие конструктивные ошибки;
  • неопытность сварщиков.

Классификация напряжений и деформаций

В зависимости от причины образования напряжения называются тепловыми и структурными. Первые возникают во время нагрева/остывания, вторые возникают при структурной перестройке металла. При сварке легированных или высокоуглеродистых сортов стали они проявляются совместно.

Деформации при сварке: виды и причины | Как избежать деформации и напряжения сварки

По месту действия напряжения присутствуют в границах конструкции, зернах, кристаллической решетке металла. По виду напряженного состояния их называют:

  • линейными, с односторонним действием;
  • плоскостными, действующими по двум направлениям;
  • объемными, распространяющиеся по трем осям.

По направленности продольные напряжения действуют вдоль сварного соединения, а поперечные перпендикулярно.

Деформацию конструкции, которая происходит в процессе сварки, называют общей, а если изменяются размеры и форма только одной или нескольких деталей ― местной. По продолжительности существования действие временных сварочных деформаций проявляется только в процессе соединения деталей.

После охлаждения геометрические параметры восстанавливаются. Остаточной называют сварочную деформацию, которая остается неизменной после устранения причины появления.

Если геометрические параметры восстанавливаются после завершения сварки, деформации называются упругими, если нет ― пластичными.

Как предотвратить возникновение

Для снижения величины сварочных напряжений и деформаций при подготовке к работе специалисты рекомендуют:

  • при проектировании выполнять расчет деформаций для правильного формирования сечения сварочных швов, припусков для усадки;
  • располагать швы симметрично по отношению к осям узлов;
  • не проектировать соединения так, чтобы больше трех швов пересекались в одной точке;
  • прежде чем приступить к сварке, проверить, нет ли отклонений величины зазоров на стыках от расчетных величин;
  • не проводить швы через места концентрации напряжений.

  Как заварить глушитель электросваркой самостоятельно

Для уменьшения деформаций и напряжений во время работы применяют следующие приемы:

  • создавать на соединениях очаги дополнительной деформации с действием, противоположным сварке;
  • швы длиной больше 1 м разбивать на отрезки длиной 10 — 15 см и сваривать обратноступенчатым методом;
  • подкладывать под стыки медные или графитовые прокладки для снижения температуры сварочной зоны;
  • соседние швы сваривать так, чтобы деформации компенсировали друг друга;
  • для сварки деталей из вязкого металла применять технологии, которые обеспечивают снижение величины остаточных явлений;
  • делать размер швов меньше, если это допускается условиями эксплуатации;
  • по возможности выполнять соединения с меньшим числом проходов;
  • при наложении двухсторонних швов слои наплавлять попеременно с каждой стороны;
  • предварительно выгибать края заготовок в направлении, противоположном действию деформации, когда сварка завершится, они вернутся в исходное положение;
  • не делать много прихваток;
  • для ускорения сборки и снижения величины деформаций небольшие узлы сваривать в кондукторах.

Методы устранения напряжений

Для снятия напряжений пользуются отжигом и механической обработкой. Первый способ применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую точность размеров. Местный или общий отжиг проводят при нагреве до 550 — 680⁰C в три стадии: нагревание, выдержка, охлаждение.

Для механического снятия напряжений используют обработку проковкой, прокаткой, вибрацией, взрывом, чтобы создать нагрузку с противоположным знаком. Для горячей и холодной проковки используют пневматический молот. Обработку вибрацией проводят устройством, которое генерирует колебания с частотой в диапазоне 10 — 120 Гц.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции.

Методы устранения деформаций

Дефекты устраняют термическим с местным или общим нагревом, холодным механическим, термомеханическим способами. Для правки термическим методом с полным отжигом конструкцию закрепляют в устройстве, которое создает давление на искривленный участок, затем нагревают в печи.

  Чем варить нержавеющую сталь в домашних условиях

Способ локального нагрева основан на сжимании металла при остывании. Для исправления дефектов искривленное место греют горелкой или сварочной дугой. Так как прилегающие участки остаются холодными, зона нагрева не может значительно расшириться. После охлаждения растянутый участок выпрямляется.

Термическим способом выправляют любые виды деформаций, однако при работе с тонкостенным металлом следует учитывать его особенности:

  • тепло при местном нагреве тонких стальных листов быстро распространяется по всей площади, поэтому величина усилия сжатия оказывается недостаточной для исправления дефекта;
  • температура локального нагрева тонкостенного металла не должна превышать 600 — 650⁰C, поскольку при увеличении температуры начнется образование пластических деформаций даже при отсутствии напряжения.

При механической правке растянутые участки деформируются внешними нагрузками в обратном направлении. Дефекты устраняют применением изгибания, вальцовки, растяжения, ковкой, прокаткой роликами.

Термомеханическую правку проводят с подогревом растянутого участка до 700 — 800⁰C и внешнего воздействия. Для выправления участков с большим растяжением сначала из избытков металла холодной рихтовкой формируют выступы в форме куполов. Затем по отдельности нагревают и резко охлаждают.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции. При этом учитывают эффективность метода, трудоемкость, величину финансовых затрат.

Деформации и напряжения при сварке: основные способы устранения

Сварщик должен следить не только за правильностью формы шва, но и предвидеть влияние сварки на будущую конструкцию.

Поскольку во время электросваривания или работы газовой горелой металл локально нагревается до 3000-5000 ⁰С, а остальная часть остается холодной, возникают внутренние напряжения, деформирующие изделие.

Такие физические явления не только портят внешний вид продукции, но и приводят к разрушению соединений, на которые оказывается дополнительная нагрузка.

Рассмотрим более подробно, как возникают внутренние напряжения, каковы их виды и что делать для их предотвращения или устранения.

Сперва дадим определения этим явлениям. Напряжение при сварке – это механическое воздействие, образующееся в зоне сварки, и влияющее на само соединение и окружающую конструкцию.Оно может быть:

  • растягивающим;
  • сжимающим;
  • изгибающим;
  • выкручивающим.
Читайте также:  Какие защитные газы и смеси применяются для сварки полуавтоматом (MIG/MAG)

Деформации при сварке – это изменение формы конструкции из-за влияния внутренней силы (напряжения) или изменения структуры материала. Одни деформации возникают сразу, искажая параметры изделия, его плоскость и симметричность. Другие деформации проявляются позже в виде изменяющихся размеров, коррозии, разрушения сварочных швов.

Самый простой пример напряжения и деформации наблюдается при соединении двух тонких листов стали сплошным односторонним швом. В результате изделие теряет плоскость, поскольку листы выгибает и стягивает друг к другу, конструкция принимает V-образную форму. Чем больше швов, проходов и сложнее изделие, тем выше шанс образования внутренних напряжений.

От степени деформации зависит возможность дальнейшей эксплуатации конструкции. В некоторых случаях это становится невозможным или опасным, поэтому сварщики должны знать причины образования этих явлений, предупреждать их или исправлять, насколько возможно.

Почему возникают напряжения и деформации при сварке

Основная причина напряжения металла при сварке – линейное расширение от нагрева. Поскольку в зоне наложения шва материал сильно разогревается, а в остальных частях остается холодным или слегка теплым, возникает физическое воздействие. Когда шов остывает, он стягивается, увлекая за собой присоединенные стороны заготовки, что приводит к деформациям.

Напряжение неизбежно происходит при сваривании двух разных материалов, например обычной и углеродистой стали, или углеродистой и высоколегированной. У них разные температуры плавления, а соответственно, и коэффициенты теплового расширения. Один материал растягивает другой, если они плотно соединены.

Возможны структурные изменения, когда в процессе нагрева от сварки материал закаливается. Изменяется его плотность и объем, а напряжение воздействует на соседние участки, вызывая в них трещины. Это естественные последствия сварочного процесса, и ниже мы обсудим, как их предвидеть и предупредить.

Среди побочных причин напряжений и деформаций следующие:

Резкое охлаждение материала заготовки. Сварщики спешат продолжить работу, но не могут держать сваренные детали из-за высокой температуры, поэтому окунают их в емкость с холодной водой или поливают сверху. Неправильные расчеты при сварке. Нужно учитывать, куда будет расширяться металл при нагреве и давать допуски для этого. Ошибки при сборке. Несоблюдение зазоров, указанных на чертежах, или сварка без разделки кромок там, где это необходимо, приводит к чрезмерным напряжениям и деформации конструкции. Малое расстояние между швами. Если накладывать швы близко друг ко другу, поверхность неизбежно перегреется и расширится, а затем стянется. При проектировании конструкции важно располагать швы на достаточном расстоянии от соседних соединений. Ошибки при выборе режима сварки. Слишком высокая сила тока, неправильно подобранный диаметр электрода, неверный угол удержания горелки приводят к перегревам деталей, искажая параметры конструкции. Ошибки при последовательности наложения швов. Опытные сварщики знают, что напряжением металла можно управлять, выравнивая изделие поочередным наложением швов в разных местах. Без строгой последовательности и чередования сторон нагрева изделие просто выгнется дугой.

Некоторые деформации в определенных конструкциях неизбежны, и их проявление можно только уменьшить. Другие – прямое следствие нарушения технологии выполнения работ, и наличие или отсутствие таких искривлений конструкции зависит только от опытности сварщика.

Как классифицируются деформации

Как мы увидели ранее, исходя из причин образования, напряжения и деформации бывают двух типов: тепловые и структурные. Первые связаны с воздействием высоких температур и охлаждением, а вторые – с изменением кристаллической решетки. Порой оба типа напряжения и деформаций возникают одновременно.

По месту появления напряжения могут быть местными (в шве, соединении, одном участке заготовки) или на всей конструкции. К примеру, неправильно сваренная емкость из листового металла получится вся буграми (стенки будут волнообразными) или бока станут вогнутыми.

По направленности деформаций различают: линейные (проявляются только в одном направлении), плоские (расходятся в разные стороны по плоскости) и объемные (затрагивают три оси конструкции).

По периоду действия напряжение бывает временным и остаточным. Первое возникает в процессе сварки и проходит после остывания деталей.

Деформации, даже если они и появились, тоже исчезают, поэтому называются пластическими (металл сам принимает правильную форму).

Во втором случае напряжение продолжает действовать в материале и после остывания деталей, а деформации от него считаются упругими.

Как предупредить деформацию при сварке

Зачастую сократить или предупредить образование деформаций при сварке можно на этапе проектирования и сборки, предусмотрев место для усадки материала.

К примеру, сварщику необходимо соединить поперечными дугообразными или трапециевидными перемычками две стойки для сохранения межосевого расстояния точно 500 мм (или 400, 600 мм). При сборке разложите детали так, чтобы межосевое расстояние было 503 мм. После сварки возникнет напряжение, которое стянет стороны, и ширина по центру стоек станет точно 500 мм.

Аналогично предусматриваются допуски и для других сторон, тогда изделие будет соответствовать параметрам, заданным на чертежах.

Другой пример сборки с предупреждением деформаций. К трубчатой стойке с толщиной стенки 1,5 мм требуется приварить 6-10 дополнительных элементов (патрубков), но все они будут расположены с одной стороны. Многочисленные швы сперва разогреют эту сторону, а затем стянут, неизбежно выгнув стойку.

Понимая это, изначально согните ее немного в противоположную сторону. Лучше всего использовать шаблон с возможностью фиксации (прижимом), где под нижнюю центральную часть изделия подкладывают медные подложки толщиной 3-4 мм.

К такой стойке приваривают остальные элементы, а после отпускания прижимов она становится ровной.

Конечно, в вышеприведенных примерах определить ширину допуска для последующего стягивания или толщину подложек для намеренного изгиба не получится на глаз. Здесь все зависит от количества швов и толщины свариваемого металла. Поэтому без специальных расчетов не обойтись. Но если изделие не слишком ответственное, можно определить допуски путем проб на черновых заготовках.

Среди других приемов, которыми пользуются сварщики для предупреждения деформаций, следующие:

  • Попеременная постановка прихваток с двух сторон для сопротивления внутренним стягивающим силам.
  • Разбиение длинных швов на более короткие.
  • Сварка длинных отрезков обратноступенчатым методом.
  • Сокращение длины стыков, если это не влияет на прочность конструкции.
  • Сварка соседних параллельных швов в разных направлениях, чтобы напряжение от них компенсировало друг друга.
  • Снижение температуры за счет уменьшения силы тока, сварки прерывистой дугой или импульсные сварочные аппараты (Pulse) (актуально для сварки алюминия и тонких металлов).
  • Сокращение количества проходов, если есть такая возможность.
  • Фиксация заготовок и узлов в кондукторах, предотвращающих смещение деталей во время сварки.
  • Попеременная наплавка с каждой стороны в случае двухсторонней сварки.
  • Снижение нагрева за счет расположения тонколистовых изделий на медных пластинах, забирающих тепло.

Важно не накладывать больше трех швов разной направленности рядом. На степень напряжения влияет форма конструкции. Например, С-образную раму автомобиля разрешено варить только вдоль (накладывать продольные швы), а не поперечные, иначе балка выгнется.

Борьба с остаточным напряжением и деформациями

Устранение остаточных напряжений, чтобы они не оказали влияния на соединения и всю конструкцию, наиболее эффективно происходят путем отжига.

Изделие помещается в печь, камеру или подключается к источнику индукционного нагрева, и доводится до температуры 550-680 ⁰С.

Для продукции из толстостенных материалов предусматривается определенное время отжига (от нескольких минут до нескольких часов), чтобы прогреть конструкцию в достаточной мере. Затем изделию дают медленно остыть вместе с печью.

Это может занять сутки и более, но только в таком случае полностью снимаются напряжения в высокопрочной стали. Если этого не сделать, внутренняя напряженность выйдет наружу, разрушив шов или околошовную зону.

Порой достаточно локального нагрева изделия для снятия напряжения. Это выполняют газовыми горелками или ручными резаками, подключенными к баллонам с пропаном и кислородом.

Допустима температура 800 ⁰С и небольшой нажим на холодный край конструкции для придания правильного положения.

С трубчатыми полыми элементами стоит быть особенно осторожными, чтобы не испортить окружность, сплюснув цилиндрическую часть.

Возникающие остаточные деформации устраняются механическим воздействием, создаваемым давлением. Для крупных толстых деталей используется гидрооборудование (пресс, штоки). Небольшие тонколистовые конструкции правятся ударами резиновых киянок, чтобы не оставить вмятин на поверхности металла. Воздействие должно быть обратно направленным.

Другой метод устранения деформаций механическим путем – прокатка материала или вальцовка. Подходит для листовых и плоских изделий. Благодаря системе роликов и валиков конструкция выгибается в обратную сторону.

Напряжения и деформации при сварке металлов неизбежны. Но понимая их природу и зная характерные особенности, можно научиться управлять ими и свести к минимуму. В других случаях важно знать, как исправить изделие, придав ему ровный, симметричный вид.

Ответы на вопросы: а не стать ли сварщиком – плюсы и минусы профессии Как приварить профильную трубу к плоскости под 90⁰?

Чтобы избежать деформации, в частности завалки угла, сперва ставят одну прихватку, выравнивают трубу и фиксируют ее второй прихваткой на противоположной стороне. Аналогично поочередно прихватывают две другие стороны. Обварка выполняется в той же последовательности, чтобы вертикальную часть не повело.

Насколько критична деформация с отклонением стороны в 0,5⁰?

Все зависит от размеров изделия. На маленькой конструкции длиной 20 см это могут вообще не заметить. А вот при длине привариваемой трубы 1 м второй край будет завален на 15 мм. При размере перегородки 2 м, разница между краями составит 3 см.

Поможет ли струбцина при сварке изделия избежать деформации?

Да, правильно расставленные струбцины выполняют роль тех же прихваток с обратной стороны, не давай металлу при кристаллизации потянуть за собой приваренные детали. Важно обварить изделие с трех сторон, и только после этого убирать струбцины для обварки четвертой стороны.

Какой металл нужно отжигать для устранения напряжений?

Читайте также:  Как правильно вести электрод при сварке

Обычно отжигу подвергают высокопрочную сталь, например углеродистую.

Чего нельзя делать при сварке зимой?

Нельзя кидать только что сваренное изделие в снег или класть на лед с целью остывания. Конструкцию поведет, а швы могут треснуть.

Куда ведет металл при накладке шва?

Обычно заготовку тянет в ту сторону, с которой наложен шов. Если сварка проводилась на верхней полке профильной трубы, то заготовку потянет вверх. Если с нижней части – вниз. Понимание этого поможет начинающему сварщику предвидеть, какое возникнет напряжение и деформация, чтобы правильно закрепить деталь струбциной.

Остались вопросы

Оставьте Ваши контактные данные и мы свяжемся с Вами в ближайшее время

Напряжения и деформации при сварке

Напряжения и деформации в металлических сварных конструкциях возникают в результате нарушений технологии выполнения работ.

О надежности в таких случаях говорить не приходится, поскольку на стыках образуются трещины, которые в конечном итоге приводят к разрушению конструкции.

Помимо этого не исключается деформация металлических элементов. Часто она настолько критична, что эксплуатация изделия невозможна.

Определение мест образования деформаций и напряжений

Сварочные напряжения – это направленные на соединительный шов механические воздействия постоянного характера. Они могут быть:

  • изгибающего действия;
  • растягивающего;
  • срезающего;
  • сжимающего;
  • растягивающего.

Сварочные деформации – это изменение формы конструкции в результате воздействия внутренней силы. Точка приложения этой силы приходится на места сварки.

Деформации могут проявляться не сразу, а по истечении некоторого времени как результат усталости металла или после начала эксплуатации под воздействием дополнительных нагрузок.

При благоприятных раскладах возможен минимальный ущерб, который выражается снижением устойчивости к воздействию коррозии. Если же внутреннее напряжение слишком высокое, то не исключается разрушение конструкции.

Причины возникновения деформаций и напряжений при сварке

Напряжения и деформации во время сварки могут возникать по нескольким причинам. Их принято разделять на две группы: основные и побочные. Отличительная особенность между ними состоит в том, что первые образуются во время сварочного процесса и объективно неизбежны. А вот побочные напряжения можно и нужно предотвращать.

Основные причины деформаций, относящиеся к второй группе (побочные):

    1. Неравномерный нагрев металлической заготовки. Суть физического процесса сводится к тому, что металл с более высокой температурой расширяется больше. Между двумя примыкающими слоями с разной температурой образуется напряженность. Она тем больше, чем выше показатели температуры и, соответственно, коэффициент теплового расширения. С возрастанием значений прямо пропорционально увеличивается и вероятность деформации конструкции.
    2. Усадки имеют место в тех случаях, когда жидкий металл резко охлаждается и переходит в твердое состояние. Во время этого процесса прилегающие участки растягиваются, в результате чего создается внутреннее напряжение металла, которое может быть как продольным, так и поперечным по отношению к стыку. В первом случае вероятно изменение длины заготовки, а во втором – образование угловой деформации.
    3. Структурные изменения. Соединение заготовок из высокоуглеродистой и легированной стали сопровождается большим нагревом заготовок. В результате этого имеет место закаливание металлов, сопровождаемого изменением объема и значений коэффициента теплового расширения. В результате этих процессов образуется напряжение, приводящее к образованию трещин на видимой части шва и внутри него. Исключением является процесс сваривания стали с содержанием углерода до 0,35%. В этом случае структурные изменения тоже имеют место, но они настолько малы, что существенного влияния на качества соединения не оказывают.

К побочным причинам деформаций причисляют:

  • неверный выбор электродов,
  • сварка выполнялась в неправильном режиме;
  • нарушения технологии выполнения сварочных работ;
  • плохая подготовка кромок;
  • ошибка при выборе типа шва;
  • слишком маленькое расстояние между двумя разными швами;
  • большое количество точек пересечения;
  • неопытность специалистов;
  • ошибки конструктивного характера.

Виды сварочных деформаций

Сварочные напряжения могут быть структурными или тепловыми в зависимости от причин их образования. Как понятно из названия, тепловые возникают в процессе нагрева или остывания заготовок, а структурные – в результате внутренних изменений материала. Они могут проявляться и комплексно, например, в случае сваривания высокоуглеродистых и легированных сортов стали.

Если принять во внимание место действия, то напряжения возникают в пределах всей конструкции, сварного соединения, в зернах или кристаллической решетке металла. По виду напряженного состояния их разделяют на три группы:

  • Линейные. Характеризуются односторонним направлением действия;
  • Плоские. Имеют двустороннюю направленность воздействия;
  • Объемные. Действие напряжения направлено по трем осям.

Для улучшения качества и увеличения скорости работ, вы всегда можете воcпользоваться нашими верстаками собственного производства от компании VTM.

Деформация, которая возникает во время сварочных работ, называется общей. В случаях, когда меняются форма и размеры одной или нескольких расположенных рядом свариваемых деталей, деформация называется местной.

Деформации принято различать и по продолжительности действия. Временными называют те, воздействие которых проявляется исключительно в период выполнения сварочных работ. Геометрические параметры восстанавливаются после остывания металла.

Изменение формы, которое остается и после того, как устранена сама причина ее образования, называется остаточной.

В случаях, когда геометрические параметры после работы приходят в начальную форму, деформации принято называть упругими, в обратном случае – пластическими.

Как избежать деформации металла при сварке

Для уменьшения вероятности деформации деталей и готовой конструкции специалисты рекомендуют придерживаться некоторых правил:

  1. На этапе проектирования сделать расчет деформаций для нормального формирования сварочного шва, выбрать оптимальные припуски для усадки.
  2. Расположить швы желательно симметрично относительно осей узлов.
  3. При проектировании не допускать, чтобы в одной точке пересекалось больше трех швов.
  4. Перед началом сварочных работ проверить, все ли зазоры на стыках соответствуют расчетным показателям.
  5. Не формировать сварочные швы в местах предполагаемой концентрации внутренних напряжений металла.

В целях уменьшения деформации металла и напряжений внутри материалов во время выполнения сварочных работ специалисты используют специальные приемы. Наиболее эффективные из них:

  • Создание дополнительных очагов деформации, вектор которых направлен в противоположную сторону.
  • Длинные швы (1 метр и более) разбиваются на несколько участков до 15 см каждый. Сваривание выполняется обратноступенчатым методом.
  • Часто помогает снижение температуры в сварочной зоне. Для этого во время сварки под стыки подкладываются графитовые или медные пластины.
  • Расположенные недалеко друг от друга стыки свариваются так, чтобы деформации компенсировали одна другую.
  • При соединении заготовок из вязких металлов применяются технологии и методы, направленные на снижение остаточных явлений.
  • Если условиями эксплуатации допускается возможность создания коротких швов, то следует делать стыки как можно меньше.
  • При сваривании желательно делать как можно меньше проходов.
  • В случаях, когда предусматривается формирование двухстороннего шва, следует наплавлять слои с каждой стороны попеременно.
  • Перед началом работы можно выгнуть края заготовок в сторону противоположную направлению деформации. После остывания они вернутся в исходное положение.
  • Количество прихваток должно быть минимальным.
  • Небольшие заготовки и узлы приваривать с использованием кондукторов и шаблонов.

Временные и остаточные напряжения – методы устранения

Для снятия напряжений отлично подходят механическая обработка и отжиг. Температурное воздействие выполняется в случаях, когда возникает необходимость в точном соблюдении заданных размеров. Отжиг может быть местным или общим. Металл нагревается до температуры 550-680 °C. Работы выполняются в три приема: разогрев, выдержка при заданной температуре и охлаждение.

Механическое снятие напряжений включает обработку соединений проковкой, взрывом, вибрацией или прокаткой. Преследуемая цель – создание обратно направленной нагрузки.

Для проковки горячей или холодной чаще всего применяется пневматический молот. Для создания вибраций применяется специальное устройство, генерирующее колебания в диапазоне от 10 до 120 Гц.

Способ воздействия выбирается с учетом сложности конструкции, формы и размеров деталей.

Методы устранения деформаций

Существует несколько способов устранения дефектов геометрии конструкции: термический с местным или общим нагревом, чисто механический и комбинация этих двух способов – термомеханическое устранение дефектов. В случае применения термического способа правки с полным обжигом конструкцию изначально закрепляют в устройстве, которое будет создавать давление на деформированный участок. После этого ее нагревают в печи.

При локальном нагреве упор делается на сжимании металла при остывании. Для устранения изъяна участок прогревается с помощью сварочной дуги или газовой горелки. Поскольку соседние участки металла остаются холодными, то зона нагрева носит локальный характер и расширяется незначительно. После остывания дефективный участок выпрямляется, а его форма становится приемлемой.

Термическое воздействие является пригодным для исправления всех вариантов дефектов. Но при работе с тонкостенными листовыми материалами следует учитывать особенности:

  • нагрев очень быстро распространяется по большой площади тонкого листа. В силу этих причин силы сжатия бывает недостаточно для устранения деформации;
  • максимально допустимая температура локального нагрева составляет 600-650 °C. В противном случае буду образовываться новые дефективные участки и деталь станет непригодной для дальнейшей эксплуатации.

Исправление механическим путем подразумевает создание обратно направленных нагрузок на растянутые участки. Самые распространенные способы воздействия – вальцовка, изгибание, ковка, прокатка, растяжка.

Термомеханическая правка включает разогрев участка до 700-800 °C с последующим механическим воздействием. Участки с сильным деформированием исправляют следующим способом. Сначала делают обратные куполообразные выступы, после чего нагревают и резко охлаждают.

Способ устранения деформации выбирается в зависимости от сложности и размеров конструкции. При этом учитываются показатели трудозатрат, финансовые издержки и расход материалов.

Напряжения и деформации при сварке

Оцените, пожалуйста, статью

1 2 3 4 5

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *