Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§ 43. Основные мероприятия по уменьшению напряжений и деформаций при сварке

Величину собственных напряжений и связанных с ними деформаций, возникающих при сварке изделия, можно значительно уменьшить, но для этого необходимо выполнять следующие требования:

1. Правильно выбирать конструкцию сварного изделия.

2. Рационально располагать сварные швы на изделии.

3. Применять соответствующие методы сборки и сварки изделий и использовать приспособления.

4. Правильно выбирать тепловой режим сварки.

5. В правильной последовательности выполнять сварные швы.

6. Использовать предварительный и сопутствующий подогрев при сварке.

7. Подвергать механической или термической правке изделия.

8. Подвергать термической обработке изделия после сварки.

Выполнение перечисленных требований позволит или полностью уничтожить в изделии собственные напряжения и деформации, или уменьшить их настолько, что они станут уже неопасными для прочности конструкции в целом.

С целью уменьшения деформаций и напряжений при сварке можно руководствоваться следующими общими рекомендациями:

1. Применять для сварных конструкций такие марки основного металла и электродов, которые не склонны к закалке при остывании на воздухе и дают достаточно пластичный (нехрупкий) металл шва.

2. Не создавать в конструкции, особенно работающей при ударах и вибрациях, скоплений большого количества сварных швов и их пересечений друг с другом, а также избегать применения коротких швов замкнутого контура, так как в подобных местах неизбежно происходит концентрация собственных напряжений.

3. Использовать, если это возможно, симметричное расположение ребер жесткости в конструкциях.

4. Ограничивать применение накладок и косынок.

5. Применять по возможности стыковые швы, так как они дают наименьшую концентрацию напряжений.

6. Внедрять секционное изготовление конструкций с последующей сваркой готовых узлов, а также использовать штампованные и литые детали для узлов сложной конфигурации. В этом случае уменьшается неблагоприятное влияние жестких связей между отдельными деталями, образуемых сварными швами.

7. Преимущественно применять швы с глубоким проплавлением, а также методы полуавтоматической и автоматической сварки под флюсом, дающие большую скорость сварки, требующие малых зазоров между листами и обусловливающие более равномерное остывание шва.

При полуавтоматической и автоматической сварке величина напряжений и деформаций меньше, чем при ручной.

8. Пользоваться сборочно-сварочными приспособлениями и кондукторами, способствующими осуществлению заданной точности сборки, получению швов равномерного сечения и соблюдению нужной последовательности сварки. Если зажимы кондукторов допускают перемещение деталей от усадки при сварке, то это снижает напряжения. При жестком закреплении свариваемых деталей остаточные напряжения после сварки и снятия детали с кондуктора снижаются вследствие того, что в процессе сварки металл шва получает необходимую пластическую деформацию при остывании.

9. Правильно выбирать тепловой режим нагрева основного металла при сварке. Если при сварке допускается свободное перемещение детали или основной металл склонен к закалке, то следует применять более мощный тепловой режим. Этим увеличивается объем разогреваемого металла и замедляется остывание.

Чтобы уменьшить скорость охлаждения после сварки и разность температур между нагретыми и холодными частями изделий, при сварке закаливающихся сталей или металла больших толщин, а также сварке при низких окружающих температурах следует применять предварительный или сопутствующий подогрев изделия в целом или околошовной зоны его.

Температура подогрева определяется свойствами металла и составляет: для стали 500—600°, чугуна 700—800°, алюминия 250—270°, бронзы 300—400°. Низкотемпературный подогрев до 100—200° применяется в случае сварки стали при низких окружающих температурах.

При сварке в стык жестко закрепленных деталей нужно использовать менее мощные тепловые режимы и применять электроды, дающие пластичный наплавленный металл.

10. В правильной последовательности накладывать швы. Последовательность наложения швов должна быть такой, чтобы в свариваемых элементах, например листах, допускалась свободная деформация. Так, например, при сварке нескольких листов продольными и поперечными швами сначала накладывают все поперечные швы, соединяющие отдельные листы в полосы. После этого можно сваривать продольные швы, соединяющие эти полосы между собой. В этом случае свариваемые части листов не будут жестко закреплены между собой и смогут свободно деформироваться при сварке. На рис. 57 цифрами показана правильная последовательность наложения швов при сварке листов настила (рис. 57, а) и двутавровой балки (рис. 57, б).

Сварку швов нужно производить на проход или от середины шва к его концам. В этом случае в середине шва будут возникать поперечные напряжения сжатия (рис. 58. а). Если же вести сварку шва от его концов к середине, то в середине появятся поперечные напряжения растяжения (рис. 58, б), отчего в шве или околошовной зоне может образоваться трещина.

11. Применять многослойную дуговую сварку швов больших толщин (свыше 20—25 мм). В этих случаях швы накладывают горкой

(рис. 59, а) или каскадом (рис. 59, б). При сварке горкой первый слой шва имеет небольшую длину порядка 200—300 мм. Второй слой перекрывает первый и имеет длину в два раза большую. Третий слой длиннее второго на 200—300 мм и т. д.

Заполнив горку, сварку ведут в обе стороны от нее короткими валиками тем же способом. При этом зона сварки все время поддерживается в нагретом состоянии, что обеспечивает более равномерное распределение тепла в металле и уменьшает напряжения.

12. Производить в случае необходимости легкую проковку каждого слоя многослойного шва ударами пневмозубила. Последний слой проковке не подвергается. Однако способ этот весьма трудоемкий, требует наличия пневмоинструмента, создает шум в цехе и поэтому может быть рекомендован только в отдельных случаях, когда нельзя пользоваться другим методом.

13. С целью уменьшения коробления свариваемых деталей накладывать швы в обратно-ступенчатом порядке. Чем короче шов, тем меньше деформируется изделие. Длинные швы делят на участки длиной 150—200 мм с таким расчетом, чтобы каждый участок мог быть сварен одним электродом или целым числом электродов. Сварку ведут в порядке, указанном на рис. 60, начиная от начала шва или его середины. Каждый последующий слой накладывают в обратном направлении по отношению к предыдущему. В этом случае деформации, возникающие при наложении двух соседних коротких участков шва, будут иметь противоположное направление. Стыки участков разных слоев должны располагаться вразбежку, а не совпадать друг с другом. Уменьшение деформаций при обратно-ступенчатом способе наложения шва объясняется тем, что

в этом случае нагрев металла распределяется более равномерно. Весь шов получает равномерные деформации, как это схематически показано на рис. 60 (внизу).

14. Уравновешивать деформации, для чего порядок наложения швов выбирается такой, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные тем, которые возникли при наложении предыдущего шва. На рис. 61, а показан порядок наложения швов при сварке балки двутаврового сечения. Деформации шва 2 действуют в направлении, противоположном деформациям шва 1, выпрямляя балку, покоробившуюся при сварке шва 1. То же имеет место при наложении швов 3 и 4. Можно также сваривать швы балки без искривления, в таком порядке: 1,4,3 и 2. На рис. 61, б цифрами показан порядок наложения валиков при продольной наплавке круглого стержня. Валики следует накладывать с разных сторон стержня на небольшой его ширине. Не следует наплавлять сначала одну половину стержня, а затем вторую, так как в этом случае первоначальные деформации могут полностью не уничтожиться.

15. Использовать обратные деформации. В детали искусственно перед сваркой вызывают деформацию, обратную тем, которые она должна получить при сварке. На рис. 62 показаны примеры применения обратных деформаций. Обратные деформации обычно используются в конструкциях, у которых сварные швы расположены только с одной стороны от оси изделия или на разных расстояниях от нее.

16. Применять искусственное охлаждение детали в процессе сварки, что уменьшает зону нагрева металла и деформацию изделия. Для охлаждения изделие погружают в воду, оставляя на поверхности только место сварки, или кладут под шов толстую подкладку из красной меди, которая вследствие своей высокой теплопроводности хорошо отводит тепло. Использование медных подкладок дает хороший результат при сварке тонколистового

материала, нержавеющей стали, когда необходимо обеспечить хороший отвод тепла, во избежание сильного перегрева и короблении изделия. Иногда медные подкладки дополнительно охлаждают водой, пропуская ее по каналам, сделанным в подкладке.

17. Применять отжиг или нормализацию изделия после сварки. Отжиг или нормализация полностью устраняют внутренние напряжения в изделии, возникающие при сварке.

18. Применять метод холодной или горячей правки изделий после сварки. Холодная правка производится домкратами, прессом, ударами молота или кувалды со стороны наибольшего выгиба изделия, которое стремится деформировать в обратном направлении. Этот способ довольно дорогой, трудоемкий и может привести к появлению трещин и разрывов в швах и основном металле.

При горячей правке осуществляется местный нагрев сварочными горелками до температуры пластического состояния участка металла на выпуклой стороне изделия. При остывании на этом участке возникают напряжения растяжения, выпрямляющие изделие. Этот метод прост и эффективен. Для устранения остаточных напряжений после холодной или горячей правки, если это требуется по условиям работы конструкции, производят термообработку сварного изделия.

вверх страницы