Сварочные напряжения и деформации

Силы, действующие на конструкцию, можно разделить на внешние и внутренние. Внешние силы возникают от внешней нагрузки (массы изделия, давления газа в сосуде, массы снега на крыше здания и т.п.). Внутренние силы возникают от изменения структуры металла под действием внешней нагрузки, вследствие сварки, от изменения температуры при эксплуатации конструкции и т.п.

Силу, отнесенную к площади поперечного сечения элемента изделия, называют напряжением. Различают напряжения трех родов: первого рода - действуют и уравновешиваются в объемах, соизмеримых с размерами конструкции или ее отдельных элементов; второго и третьего родов - действуют и уравновешиваются в пределах микрообъемов и отдельных зерен металла.

В зависимости от направления действия в пространстве различают линейные (одноосные) сварочные напряжения - действующие только по одной оси; плоскостные (двухосные) - действующие в двух взаимно перпендикулярных направлениях; объемные (трехосные) - действующие в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Деформацией называют изменение формы и размеров изделия под действием внешней или внутренней нагрузок. Деформации бывают упругими и пластическими. Если размеры и форма изделия восстанавливаются после прекращения действия силы, то такая деформация называется упругой. Если же деформация сохраняется и после снятия нагрузки, то такая деформация называется пластической.

Деформации, возникающие при сварке, можно разделить на следующие виды: временные, остаточные, местные, общие.

Деформации, которые возникают в некоторый момент времени при сварке, а после исчезают, называют временными.

Деформации, возникающие в конструкции к моменту ее полного охлаждения, называют остаточными. Величина и характер остаточных деформаций в значительной мере зависят от толщины и механических свойств основного материала, режимов сварки, формы сварных швов, последовательности их выполнения и конструкции свариваемых деталей.

Местные деформации возникают в отдельных участках конструкции. Деформации, в результате которых изменяются геометрические размеры всей конструкции, называют общими.

Различают рабочие и допускаемые напряжения. Рабочими являются напряжения, которым подвергается конструкция или изделие в процессе эксплуатации. Допускаемые напряжения определяют максимальные уровни нагрузок, которые может выдержать изделие (предел прочности, предел текучести, предел усталости и т.п.). Если рабочие напряжения в сварных конструкциях меньше допускаемых, то возможна их деформация, а если больше допускаемых, то разрушение.

Изменение температуры детали при сварке приводит к изменению ее размеров. При неравномерном нагреве металл на участках с высокой температурой не может свободно расширяться из-за сопротивления соседних более холодных участков, что вызывает появление внутренних напряжений и приводит к деформациям и перемещениям отдельных элементов сварных конструкций.

При выполнении сварочных работ невозможно полностью избежать остаточных деформаций свариваемых изделий - можно лишь свести их к некоторой минимальной величине. Закрепление свариваемых деталей в приспособлениях помогает уменьшить деформации, но в то же время в деталях возникают дополнительные напряжения, которые могут привести к появлению трещин.

Методы борьбы со сварочными деформациями можно разделить на конструктивные и технологические.

К конструктивным методам относят:

  • ? уменьшение количества вводимой при сварке теплоты в изделие за счет уменьшения количества сварных швов и объема наплавленного металла;
  • ? симметричное расположение сварных швов для уравновешивания деформаций;
  • ? симметричное расположение ребер жесткости в конструкции;
  • ? уменьшение использования накладок и косынок;
  • ? применение стыковых соединений вместо других, где это возможно.

Технологические методы борьбы со сварочными деформациями включают в себя следующие способы:

  • ? рациональную технологию сборки и сварки изделия;
  • ? жесткое закрепление свариваемых деталей;
  • ? предварительный или сопутствующий подогрев изделия;
  • ? проковку металла швов и околошовной зоны;
  • ? механическую или термическую правку деталей и конструкций после сварки;
  • ? термическую обработку;
  • ? правильный выбор вида (способа) сварки и последовательности наложения швов.

На величину деформаций влияют количество и размеры прихваток при сборке изделия под сварку (иногда изделие предварительно даже изгибают в сторону, обратную по отношению к изгибу, вызываемому сваркой).

Предварительный или сопутствующий подогрев изделия снижает перепад температур в зонах сварных соединений, что приводит к уменьшению остаточных напряжений и деформаций.

Проковка швов создает местную пластическую деформацию удлинения, обратную деформации укорочения при сварке, вследствие чего изделие может приобретать первоначальную форму и размеры.

Несмотря на принимаемые меры, часто сварные конструкции приходится править после сварки. Обычно производят механическую или термическую правку.

При механической правке свариваемым деталям придают новые деформации, снижающие первоначальные, возникшие в результате сварки. Механическую правку выполняют вручную с помощью тяжелого молотка, кувалды или домкрата, ударных приспособлений, а также на станках, прессах или правильных вальцах.

При термической правке выполняют местный нагрев деталей газовым пламенем или наплавкой валика. Местный нагрев расширяет металл, а соседние более холодные участки оказывают сопротивление расширению, в результате чего в горячем металле возникают напряжения сжатия. После охлаждения нагретого участка его размеры уменьшаются во всех направлениях, что приводит к уменьшению или полному исчезновению деформаций.

Термическая правка широко используется на производстве, поскольку она проста, удобна, экономична и позволяет исправлять как общие, так и местные деформации. Однако подвергать термической правке можно конструкции из металлов, которые обладают достаточно высокой пластичностью. Кроме того, при термической правке, протекающей с нагревом и охлаждением, металл детали в зоне правки пластически деформируется дважды, что может привести к ухудшению его механических свойств. Поэтому механическая правка более эффективна, чем термическая.

Снятие остаточных сварочных напряжений, возникших в сварных конструкциях, выполняют также путем их термообработки.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >