Мини- конспект "Деформации и напряжения, возникающие при сварке "

Міні-конспект

До теми №9: «Деформація і напруження при зварюванні»

Причини виникнення деформацій і напруг

Деформації і напруження виникають при газовій зварці внаслідок нерівномірного нагрівання зварюваного металу. При нагріванні метал починає розширюватися, розширенню перешкоджають більш холодні частини металу, в результаті перешкод розширенню виникають внутрішні напруження.

Вторинної причиною виникнення напружень і деформацій при зварюванні є усадка металу шва при переході з рідкого стану в твердий.

Усадкою називається зменшення об'єму металу при його охолодженні. Усадка металу викликає поздовжні і поперечні деформації.

При зварюванні металевих конструкцій в них виникають напруги, які на відміну від напруг, що викликаються зовнішніми робочими навантаженнями, носять назву внутрішніх або зварювальних. Зварювальні напруги і деформації підрозділяються на тимчасові, тобто існуючі в період здійснення зварювання, і залишкові, що зберігаються і після процесу зварювання.

Слід також розрізняти деформації в зоні зварних з'єднань і деформації зварної конструкції в цілому. Деформації у зварних конструкціях є результатом наявності внутрішніх напружень, які можуть викликатися різними причинами. Будь метал при нагріванні розширюється, а при охолодженні стискається. При зміні температури змінюється структура металу, відбувається перегрупування атомів з одного типу кристалічної решітки в іншій, збільшується або зменшується обсяг.

В результаті ливарної усадки наплавленого металу, нерівномірного нагрівання в процесі зварювання, зміни обсягу металу, викликаного зміною структури металу при зварюванні, виникають напруги. Затвердіння рідкого присадочного металу в зварювальній ванні і наступне охолодження призводять до зменшення його обсягу. При цьому твердіє метал вже міцно пов'язаний з основним металом, і усадка викликає поява внутрішніх напружень. Якщо нагрівається тіло зустрічає перешкоду своєму розширенню, то в ньому виникають напруги, спрямовані на подолання цієї перешкоди.

При зварюванні основний метал нагрівається в зоні плавлення до температури більш високою, ніж температура металу, навколишнього зварювальну ванну і віддаленого від неї. Нерівномірне нагрівання металу, викликаний зварюванням, призводить до появи стискаючих сил в зоні металу, прилеглої до шву, і розтягуючих сил далеко від зварного шва. У результаті відбувається жолоблення зварного з'єднання. Крім того, затвердіння й охолодження металу шва призводять до його усадки і деформації зварюється. Структурні напруги пов'язані із зміною розмірів кристалів і їх взаємного розташування і супроводжуються зміною обсягу тіла, що викликають внутрішні напруження. Внутрішні сили, що виникають в металі при зварюванні, можуть бути достатніми, щоб привести до утворення тріщин у швах або поруч з ними.

Напружений стан, викликаний зварюванням малопластичних матеріалів або матеріалів, схильних до загартування (чавуну, легованих і інструментальних сталей і ін), сприяє утворенню тріщин у звареному шві і основному металі.

Подання про причини виникнення теплових зварювальних деформацій і напруг дає ознайомлення з процесом нагрівання та охолодження стрижня при його різному закріпленні.

Якщо нагріти стрижень до температур, що викликають тільки пружне деформування, то при його охолодженні до вихідної температури в ньому не виникне ніяких напруг і залишкових деформацій і довжина його залишиться незмінною. Якщо ж температура нагріву стрижня перевищить величину, при якій напруження стиску перевищать межу текучості матеріалу, то в стержні з'являться пластичні деформації і він почне стискатися. Якщо після цього стиснення стрижень охолодити до початкової температури, то його довжина виявиться коротше на величину пластичного стиснення

Величина розширення металу і пов'язана з цим ступінь деформації залежать від температури нагріву і коефіцієнта лінійного розширення матеріалу. Чим більше коефіцієнт лінійного розширення і вище температура нагріву металу, тим більше деформації. Форма деталі, розміри і положення швів також впливають на величину деформацій при зварюванні. Чим складніше форма деталі, більше в ній несиметричних швів і жорсткіше конструкція, тим скоріше можна чекати появи деформацій і напружень при зварюванні.

Газове зварювання дає велику зону нагріву в порівнянні з іншими видами зварювання, тому вона викликає і великі деформації зварюваних виробів.

Для зменшення деформацій при газовому зварюванні необхідно прагнути до рівномірного розподілу обсягу наплавляемого металу, більш рівномірному нагріванню деталі при зварюванні, а також застосовувати певний порядок накладення швів. Важливо правильно вибрати режим зварювання. При складанні виробів під зварювання зазор повинен бути рівномірним по всій довжині шва. Прихоплювати деталі необхідно в меншому числі точок.

Для усунення деформацій при зварюванні встик застосовують обратноступінчастий і комбінований порядок накладання .В цьому випадку весь шов ділять на ділянки завдовжки 100-250 мм. Зварювання ведуть окремими ділянками в порядку, зазначеному цифрами, і напрямку, вказаному стрілками. При цих способах листи майже не будуть коробитися, оскільки забезпечується більш рівномірний розподіл тепла вздовж шва, ніж при безперервній зварюванні, а тому величина деформації зменшується.

Для зменшення деформацій застосовується також спосіб врівноваження деформацій, при якому має значення черговість накладення швів. Черговість накладення вибирають так, щоб наступний шов викликав деформації, зворотні деформацій, отриманим при накладенні попереднього шва.

Для зменшення деформацій застосовують і спосіб зворотних деформацій. Сутність цього способу полягає в тому, що деталі перед зварюванням розташовують так, щоб після зварювання вони прийняли потрібне взаємне розташування. У цьому випадку аркуші розміщують під деяким кутом відносно один одного. У процесі зварювання внаслідок усадки металу шва кромки зближаються, в результаті чого зменшується деформація.

Мал.1.Порядок накладення швів: а - обратноступенчатий, б, в - комбінований

Жорстке закріплення зварювальних деталей також застосовується для зменшення деформацій. Цей спосіб знаходить широке застосування в умовах масового і серійного виробництва при зварюванні деталей складної форми. Деталі закріплюють у спеціальних пристроях (кондукторах), в яких виробляють зварювання і виймають їх тільки після повного охолодження. Однак при цьому способі можуть виникнути внутрішні напруження, для зняття яких зварений вузол піддають подальшій термообробці.

Для зменшення деформацій застосовують також попередній підігрів зварюваної деталі. У цьому випадку різниця між температурою зварювальної ванни і температурою всієї деталі зменшується, і, отже, будуть зменшуватися деформації від нагрівання в процесі зварювання. Даний спосіб знайшов широке застосування при ремонті виробів з чавуну, алюмінію, бронзи, високовуглецевих і легованих сталей. Вироби підігрівають у спеціальних горнах, печах, індуктори.

У деяких випадках рекомендується проковувати шов. Проковку проводять як у гарячому, так і в холодному стані. Проковування металу шва покращує механічні властивості наплавленого металу і значною мірою зменшує усадку.

Крім того, для зняття виникли при зварюванні напруг і поліпшення структури металу шва і зони термічного впливу застосовується термічна обробка.

Внутрішні напруження і деформації, що виникають при зварюванні, залежать від виду зварювання. При газовому зварюванні виникають значно більші деформації, ніж при дуговому. По напрямку дії розрізняють поздовжні, розташовані паралельно осі шва, і поперечні, розташовані перпендикулярно осі шва, лінійні зварювальні напруги. Розподіл поздовжніх напружень в стиковому шві такий, що на його кінцях через можливість вільної усадки вони незначні, а в середній частині мають достатньо велику величину, досягаючи межі текучості. При зварюванні встик поздовжні скорочення шва викликають не тільки поздовжні, але й поперечні напруги, оскільки деформовані листи прагнуть розпрямитися. Тому в середній частині зварених листів виникають напруги розтягнення, а по краях - напруги стиснення. При розробці технологічного процесу зварювання обов'язково слід враховувати поперечну і поздовжню усадку шва.

Мал.2. Напруги в стиковому з'єднанні:

1 - поздовжні,

2 - поперечні

У зварних конструкціях, які мають тавровий перетин, під впливом поздовжніх і поперечних напружень стінка і пояс тавра деформуються. Величина таких деформацій залежить від співвідношення розмірів стінки і поясів, послідовності накладання зварних швів, умов закріплення таврового перерізу і т. д. Чим тонше пояс і більше ширина вертикальної стінки, тим більше поздовжні напруги зварного тавра.

Крім деформацій в площині з'єднувальних елементів виникають також і деформації зварюваних листів поза площиною, які, називаються кутовими деформаціями. На величину кутових деформацій впливають розмір листів, що зварюються, кут розкриття шва а (чим він менше, тим менше деформація), закріплення, кількість проходів і т. д

При зварюванні виробів неможливо повністю уникнути залишкових деформацій і напружень. Тому боротьбу з ними необхідно здійснювати на різних стадіях виготовлення зварної конструкції: до зварювання (на стадії проектування конструкції і технології виробництва), під час і після зварювання. Газове зварювання дає велику зону нагріву в порівнянні з іншими видами зварювання, тому вона викликає і великі деформації зварюваних виробів.

Для зменшення деформацій при зварюванні необхідно прагнути до рівномірного розподілу обсягу наплавляемого металу, більш рівномірному нагріванню деталі при зварюванні, а також застосовувати певний порядок накладення швів.

Мал.3.Способи зменшення деформацій:

а - урівноваження деформацій,

б - зворотна деформація;

1-4 - шви

.