Методы уменьшения сварочных деформаций

Размещено на http:www.allbest.ru/

Методы уменьшения сварочных деформаций, напряжений и перемещений

Методы уменьшения сварочных деформаций, напряжений и перемещений могут быть разделены на две группы в зависимости от того, предназначены ли они для уменьшения остаточных напряжений или для уменьшения перемещений при сварке. Деление это условно и зависит от основного назначения метода. Уменьшение остаточных напряжений влияет на изменение перемещений и наоборот.

Термическая правка

Благодаря простоте, универсальности и маневренности термическая правка нашла в производстве широкое применение. Она основана на создании усадки металла путем его нагрева. Процессы образования усадки аналогичны процессам, происходящим при сварке. Углеродистые стали обычно нагревают газовым пламенем до 600--800° С. Нагреву подвергают такие места в конструкции, усадка которых устраняет нежелательные перемещения, возникшие при сварке.

По типу нагреваемых зон конструкции, подвергаемые термической правке, могут быть условно разделены на две группы:

1) конструкции, в которых необходимо править листовые элементы, потерявшие устойчивость от напряжений сжатия;

2) прочие конструкции, главным образом, балочного и рамного типа, в которых после сварки появился изгиб. сварка прокатка термический

Избыток площади в листах, потерявших устойчивость, устраняют путем местного нагрева листа пятнами, расположенными в различных местах и имеющими форму кругов или полос (рис. 20, а). В процессе правки необходимо стремиться к энергичному и концентрированному нагреву, чтобы окружающий металл был по возможности менее нагрет и оказывал сопротивление расширению нагреваемой зоны. Тогда в ней возникнут пластические деформации, а после остывания -- усадка металла.

Оптимальные режимы нагрева листовых элементов газовыми горелками при термической правке, по данным Г. А. Бельчука, следующие:

Толщина металла в мм................................. 2 3 4 5 6

№ наконечника .......................................3 4 5 6 6

Расход ацетилена в л/ч............................. 500 750 1200 1700 1700

Расход кислорода в л/ч.............................550 820 1300 1850 1850

Скорость нагрева в см/мин..........................42 36 27 24 18

Нагрев очередных пятен можно производить, не ожидая остывания ранее нагретых. О результатах правки можно судить лишь после полного остывания листа. Если исправление недостаточно, правку можно продолжить, нагревая соседние участки.

Для повышения производительности термическую правку сочетают с механическим (силовым) воздействием, осаживая ударами молотка нагретый лист в плоскость, из которой он переместился, потеряв устойчивость.

Для устранения изгиба балочных и рамных конструкций изогнутый элемент нагревают с выпуклой стороны. Зона нагрева может располагаться как вдоль элемента, так и поперек его (рис. 20, б, в), а также иметь клиновидную форму. Поперечные зоны нагрева располагают в нескольких местах по длине балки. Определение мест нагрева должно производиться с учетом расположения их относительно главных центральных осей 1--1 и 2--2 (рис. 20, г). Структура формулы для определения изгиба относительно осей 1--1 и 2--2 следующая:

построить векторную диаграмму. Положение суммарного вектора определит положение плоскости изгиба.

Применяют правку балок, сочетая местный или общий нагрев балки с изгибом ее на прессе.

Прокатка зоны сварных соединений, проковка, растяжение

Прокатка зоны сварных соединений, проковка, растяжение. В процессе сварки в зоне соединений образуются остаточные деформации укорочения. Путем прокатки, проковки, растяжения создают пластические деформации удлинения. Так как остаточные перемещения элементов сварных конструкций обусловлены наличием деформаций укорочения, образованных только в шве и прилегающих участках основного металла, то деформации удлинения также необходимо создавать только в этих зонах.

При прокатке цилиндрическими роликами создается пластическая деформация металла по толщине, которая приводит к удлинению металла в зоне прокатки в продольном и поперечном направлениях. Прокатка в основном устраняет деформации, вызванные продольной усадкой, удлинение металла в поперечном направлении невелико и не компенсирует поперечную усадку от сварки. Остаточные продольные растягивающие напряжения могут понизиться, оказаться близкими к нулю или даже перейти в напряжения сжатия. На величину остаточных напряжений в прокатанной зоне влияют следующие факторы:

1) давление при прокатке на ролики Р в кГ;

2) диаметры роликов и ширина рабочего цилиндрического пояска роликов d и s в см;

3) толщина металла в зоне проката в см;

4) предел текучести и модуль упругости Е в кГ/см2;

5) начальные остаточные напряжения в металле перед прокаткой о_нач в кГ/см2;

6) жесткость прокатываемого изделия или узла:

Существует определенное давление на ролики Р₀ при котором остаточные напряжения снижаются после прокатки до нуля. Для случая, когда онач о_нач~ о_т, из формулы (7) имеем

Вычисленное по формуле (8) давление на ролики Р0 должно уточняться при исправлении конкретного изделия.



Если имеются данные по оптимальным режимам прокатки конкретных сварных соединений из определенного материала, то при переходе на ролики другого диаметра с d₁ на d₂, или изменении толщины металла можно определять давления по следующим формулам:

Прокатка швов и околошовных зон производится стальными роликами шириной 5--15 мм. Если ширина зоны пластических деформаций от сварки больше ширины роликов, то околошовную зону необходимо прокатывать последовательно (рис. 18, а). В случае невозможности прокатать всю зону пластических деформаций, необходимо создать перекат в зоне, доступной для прокатки, назначая Р > Р₀ с том, чтобы собственные напряжения были уравновешены в пределах зоны термического влияния и не передавали сжимающие усилия на остальную часть конструкции (рис. 18, б).
Если в шве нежелательно снижать пластические свойства металла, то прокатывают при повышенных давлениях только околошовную зону (рис. 18, в). Прокатка может применяться на нахлесточных роликовых и точечных соединениях, тогда б_расч= 26. Повторная прокатка при неизменном давлении вызывает пластическую деформацию, составляющую не более 10--15% от деформации первого пропуска.

Устранение деформаций прокаткой производилось на соединениях толщиной металла до 12 мм.

Процесс может применяться и на больших толщинах, при этом отношение d/б
не следует принимать менее 15--20.

Основные требования к оборудованию для прокатки швов:

1) давление на ролики должно быть неизменным в процессе прокатки, например создаваться пневматическим или гидравлическим способом;

2) привод движения в случае прокатки дуговых швов, имеющих неровности, должен осуществляться на оба ролика:

3) поверхность роликов должна иметь прямолинейную образующую с закруглением на краях и достаточную твердость. Оси роликов должны быть параллельны.

Проковку (обжатие) сварных точек применяют с целью устранения усадки, вызванной сваркой. Обжатие может осуществляться либо непосредственно в контактной сварочной машине вслед за сваркой в период остывания точки, либо отдельно на специальной установке (прессе) после остывания изделия (рис. 19, а). Некоторое утонение металла по толщине порядка 1--2% устраняет усадку в плоскости листов.

В круговых швах перемещения вызваны главным образом поперечной усадкой. Эффективным приемом устранения сварочных деформаций в пластичных металлах является осадка на прессе пояска, специально предусмотренного при изготовлении фланца (рис. 19, б). Удлинение металла при этом идет в основном в радиальном направлении и устраняет поперечную усадку.

Деформирование и закрепление свариваемых деталей

Как указывалось выше, имеется несколько способов уменьшения перемещений, которые применяют до сварки и в процессе сварки и которые основаны на механическом принципе изменения или сохранения формы изделия.

Следует различать три группы приемов:

а) закрепление изделий в приспособлениях, которые являются дополнительной жесткостью. Приспособления не используются для деформирования деталей, например для растяжения, изгиба и т. п.;

б) предварительная деформация изделия, вызывающая в зоне сварки напряжения, которые способствуют уменьшению фиктивной усадочной силы и поперечной усадки. Такая деформация воздействует на процессы, происходящие в зоне пластических деформаций во время сварки;

в) пластическое деформирование деталей или сборка, при которых еще до сварки создаются перемещения, противоположные тем, которые возникнут после полного остывания детали.

Группа а. Пассивные зажимные приспособления временно увеличивают жесткость изделия. Основное назначение таких приспособлений -- зафиксировать проектное положение деталей и сохранить его во время постановки прихваток. В процессе сварки жесткие приспособления устраняют чрезмерные временные перемещения и не позволяют отдельным элементам изделия смещаться относительно друг друга. Зажимные приспособления эффективны при сварке встык листов толщиной до 6--8 мм, когда приспособление не позволяет изделиям перемещаться в плоскости, предотвращает значительные угловые деформации и не дает возможности листам в процессе сварки терять устойчивость. Последнее достигается на листах толщиной 1--3 мм, если усилие прижима одной кромки составляет 15--30 кГ на 1 см длины.

Неэффективно применение зажимных приспособлений для уменьшения остаточного прогиба балок или остаточных деформаций потери устойчивости листов, когда изделие с этой целыо остывает в приспособлении. Ниже приведены прогибы листов из нержавеющей стали толщиной 1,5 мм, длиной 1000 мм и шириной 250 мм после автоматической сварки с С02:

Прогиб в мм после остывания в свободном состоянии..........104 111,5 107 112 112

Прогиб в мм после зажатия этих образцов в приспособлении .......... 77,5 86,5 84 88 9

Хотя среднее уменьшение прогиба составляет 22%, однако практически является недостаточным.

Кривизна балок Спр, сваренных продольными швами в абсолютно жестком зажимном приспособлении (Jпр-->бесконечн.), связана с кривизной балок С, сваренных без приспособления, формулой

Так как обычно в балках Jб значительно больше Jп, то коэффициент при С близок к единице. Следовательно, уменьшение прогиба будет незначительным.

Группа б. Приспособлениями могут быть созданы в зоне сварки растягивающие напряжения, например распорным кольцом в зоне кольцевого шва оболочки, путем изгиба балки перед сваркой продольных швов и т. п. В этом случае фиктивная усадочная сила Р' уменьшается пропорционально растягивающим напряжениям. Для изделий с развитым поперечным сечением, когда площадь зоны пластических деформаций в несколько раз меньше площади поперечного сечения, эта зависимость приближенно выражена формулой (10) в главе IV.

Если изгиб балок вызывается поперечными швами, то растягивающие напряжения, действующие поперек швов, также способствуют значительному уменьшению прогибов.

Группа в. Детали перед сваркой занимают положение, обеспечивающее компенсацию перемещений, которые должны возникнуть в процессе сварки и остывания (рис. 12).

Пластический изгиб детали перед сваркой, когда ей придается форма с учетом последующей усадки, выполняет ту же роль, что и сборка с припуском на деформации от сварки, например, пластический изгиб оболочек перед вваркой фланцев (рис. 13, б), раскатка края оболочки в зоне кольцевого шва (рис. 13, а), изгиб листа для уменьшения грибовидности.



Возможно упругое деформирование некоторых элементов, например пояса тавровой балки перед сборкой его со стенкой, имеющей кривизну, равную кривизне от сварки (рис.12 в), но с обратным знаком. Напряжения изгиба в поясе существенного влияния на изменение фиктивной усадочной силы не оказывают. Величина предварительно созданных перемещений в рассматриваемых случаях должна быть примерно равна перемещениям от сварки, но иметь противоположный знак.

Методы уменьшения перемещений от сварки, используемые после сварки

1. Создание пластических деформаций удлинения в зоне сварного соединения с целью получения перемещений, противоположных по знаку сварочным. Так как фиктивная усадочная сила Рус выражается интегралом от остаточных пластических деформаций, которые в большинстве случаев являются деформациями укорочения, то удлинение металла приводит к уменьшению силы Рус. Пластические деформации удлинения создают путем изгиба детали, ее растяжения, проковки, прокатки роликами, осадки металла по толщине под прессом и т. п. Перечисленными приемами остаточные деформации и перемещения можно устранить полностью.

2. Создание пластических деформаций укорочения путем местного нагрева тех зон, усадка которых приводит к устранению нежелательных остаточных перемещений, вызванных сваркой. Данный метод получил название термическом правки.

Зонами нагрева могут быть:

1) участки, испытывающие остаточные напряжения сжатия и потерявшие устойчивость (рис. 17, а). Необходимо получить укорочение, по величине равное усадке сварных швов;

2) участки, сокращение которых вызывает изгиб противоположного знака (рис. 17, б) по сравнению со знаком сварочных перемещений. Используется прием компенсации деформаций.

Эффективность и применение данного метода в производстве весьма значительны.

3. Устранение деформаций и перемещений путем высокого отпуска деталей в зажимных приспособлениях, где им придается необходимая форма. В процессе отпуска упругие деформации переходят в пластические и деталь после отпуска сохраняет ту форму, которую имела в приспособлении.

Методы уменьшения перемещений от сварки, используемые в процессе сварки

1. Рациональная последовательность выполнения сборочно-сварочных операций. На рис. 15 дан пример последовательности сварки двутавровой несимметричной балки, когда вначале собирают и сваривают тавр швами 1 и 2, ближе расположенными к центру тяжести сечения, а затем выполняют швы 3 и 4.



При изготовлении балок с продольными швами положительный эффект достигается за счет, использования различных моментов инерции J частей балки, различных расстояний е от центра тяжести сечения до швов, т. е. различных Мус = Русе, и за счет компенсации противоположно направленных изгибов. В простейших случаях рациональная последовательность устанавливается путем расчета сварочных перемещений. Если существенны перемещения от поперечной усадки, то обычно стремятся к тому, чтобы выбрать последовательность сборки и сварки, обеспечивающую беспрепятственное сокращение отдельных частей конструкции. Например, в балке на рис. 11 целесообразно вначале приварить уголки к полосе, идущей на верхний пояс, а затем уже собрать балку и заварить продольные швы. Рациональная последовательность нередко является единственным способом избежать значительных перемещений при сварке.

2. Снижение погонной энергии сварки за счет применения более экономичных режимов или способов сварки, например автоматической сварки тонколистового металла взамен ручной. В некоторых случаях, если необходимо увеличение деформаций с целью компенсации деформаций противоположного знака, погонную энергию сварки увеличивают. Например, в балке на рис. 15, если ее вначале собирают на прихватках, швы 1 и 2 целесообразно варить на больших погонных энергиях, чем швы 3 и 4.

3. Уменьшение площади зоны пластических деформаций путем искусственного охлаждения металла в процессе сварки. При контактной сварке может применяться душирование, при дуговой -- охлаждаемые прижимы.

4. Закрепление изделий в приспособлениях. Эффективно лишь в отношении временных перемещений, возникающих во время постановки прихваток, когда связь между деталями незначительна, а также при сварке без прихваток. Положительный результат достигается за счет использования жесткости приспособления. Частными случаями являются: а) скрепление деталей скобами или сухарями при электрошлаковой сварке для уменьшения временных и частично остаточных перемещений; б) прижатие кромок оболочек при сварке кольцевых швов с целью уменьшения их перемещений в радиальном направлении. Остаточные перемещения изгиба в балках при закреплении их в приспособлениях уменьшаются незначительно.

5. Создание непосредственно вслед за сваркой пластических деформаций удлинения металла путем его проковки. При электродуговых способах сварки применяют проковку молотком вручную, при точечной сварке прикладывают ковочное усилие. Этим достигается уменьшение усадочной силы.

6. Создание в процессе точечной или роликовой сварки направленного смещения свариваемых элементов для компенсации возникающих при остывании перемещений. Например, потеря устойчивости тонкого листа (рис. 16) может быть предотвращена путем его сдвига относительно каркаса непосредственно в процессе точечной сварки.



7. Регулирование величины фиктивной усадочной силы в материалах, испытывающих структурные превращения:

а) изменением погонной энергии сварки, влияющей на соотношение площадей зон с растягивающими и сжимающими остаточными напряжениями;

б) введением различных присадочных проволок и изменением величины остаточных напряжений в шве;

в) предварительной термической обработкой основного металла (или только свариваемой кромки) для изменения предела текучести металла. Предел текучести влияет на ширину зоны пластических деформаций и, следовательно, на фиктивную усадочную силу.

В ряде случаев удается получить фиктивную усадочную силу, близкую к нулю, и предотвратить перемещения от сварки.

Методы уменьшения перемещений от сварки, используемые до сварки

1. Рациональное конструирование:

а) назначение минимальных получающихся по расчету сечений швов; это приводит к уменьшению количества наплавленного и расплавленного металла, тепловложения и почти всех видов деформаций и видов перемещений. Особенно целесообразно уменьшение катетов швов К, так как при этом площадь поперечного сечения шва и погонная энергия сварки сокращаются пропорционально К²;

б) использование сварных соединений и тех видов сварки, которые осуществляются с малыми погонными энергиями, например контактных взамен электро-дуговых;

в) конструирование элементов балочного типа с таким поперечным сечением балки и расположением продольных сварных швов, чтобы сумма моментов усадочных сил относительно центра тяжести площади поперечного сечения была близка к нулю. При этом изгиб балочных элементов уменьшается или устраняется вовсе. Не рекомендуется одностороннее расположение поперечных швов в балках, так как это приводит к значительным изгибам, к искривлению оси х -- х (рис. 11);

г) возможность компенсации возникающих сокращений за счет беспрепятственного перемещения свариваемых элементов, например использование нахлесточных соединений, допускающих такие перемещения;

д) при наличии в конструкции тонколистовых элементов, подверженных потере устойчивости, назначение мест расположения швов на жестких каркасах с целью уменьшения напряжений сжатия в тонких листах.

Приемы рационального конструирования многообразны и не исчерпываются перечисленными основными способами.

2. Сборка заготовок и назначение их размеров с учетом последующих деформаций и перемещений. Например, использование углового излома (рис. 12, а) или сборка с переменным зазором по длине (рис. 12, б) для компенсации угловых перемещений; назначение увеличенной длины труб для компенсации поперечной усадки от кольцевых швов, раскрой стенки тавра с начальной кривизной (рис. 12, в). Сюда же относятся натяжение листов перед сваркой, которые могут потерять устойчивость вследствие деформаций укорочения, вызываемых усадкой (рис. 12, г), или подогрев листов с целью их удлинения перед сборкой на прихватках (рис. 12, д).



3. Создание деформаций и перемещений, обратных сварочным, путем пластического деформирования заготовок. Например, раскатка края цилиндрической обечайки (рис. 13, я), выштамповка сферической оболочки перед вваркой штуцера (рис. 13, б), предварительный пластический изгиб балки перед сваркой и т. п.

4. Создание напряжений растяжения в зоне сварного соединения путем изгиба или растяжения детали в приспособлении (рис. 14, а). При сварке по напряженному металлу возникает меньшая усадочная сила Рус. При начальных напряжениях в зоне сварки, примерно равных пределу текучести металла, усадочная сила будет близка к нулю. На тонком металле можно ограничиться растяжением лишь в зоне сварки, упруго изгибая лист в двух направлениях, как показано на рис. 14, б.



Сварка по кромке, отрезанной газом, также приводит к образованию меньших деформаций, так как наличие растягивающих напряжений в металле после резки способствует уменьшению остаточной усадочной силы, вызываемой сваркой.

Отпуск сварных конструкций

Отпуск сварных конструкций применяют для изменения структуры и свойств металла и снижения остаточных напряжений. Применение отпуска для снижения остаточных напряжений целесообразно, если предъявляются повышенные требования в отношении точности сварных конструкций, а также, когда необходимо повысить  сопротивляемость хрупким разрушениям при низких температурах. В ряде случаев применение отпуска не оправдано.

Основное преимущество общего отпуска в том, что снижение напряжений происходит во всей сварной конструкции независимо от ее сложности. Степень

снятия напряжений при высоких температурах отпуска достигает 80--90% от исходного уровня и более. Одновременно с напряжениями первого рода снижаются напряжения второго и третьего рода. Отпуск сварных конструкций но объему своего применения значительно превосходит все остальные методы снижения напряжений.

Различают общий отпуск, когда изделие нагревают полностью и равномерно, местный -- нагревают лишь часть конструкции в зоне сварного соединения, и поэлементный -- термической обработке подвергают узлы сварной конструкции, а затем сваривают их между собой. Более распространен высокий отпуск при 550--680° С.

Отпуск заметно повышает стоимость изготовления сварных конструкций, поэтому режимы его должны быть наиболее экономичными. Операция отпуска состоит из четырех стадий (рис. 9): нагрева, выравнивания температур по длине и сечению детали, выдержки и охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от мощности печи и допустимой скорости подъема температуры. Для пластичных металлов, в которых практически исключено появление разрушений при нагреве, скорость его может достигать нескольких сотен градусов в 1 ч. Продолжительность выравнивания температур зависит от размеров сечения деталей, продолжительность выдержки -- как от необходимой степени полноты протекания структурных превращений, так и от необходимой степени снижения остаточных напряжений. При температуре отпуска 650--680° С пластичность низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей, утраченная в результате деформационного старения, восстанавливается через 2--3 ч. Снижение остаточных напряжений при температурах отпуска 550--680° С в основном происходит в процессе нагрева (см. табл. 1). В большинстве конструкционных сталей наблюдается линейная зависимость снижения одноосных напряжений в процессе нагрева

Закономерность (4) не соблюдается при напряжениях о0, близких к пределу текучести или малых значениях. Напряжения, равные пределу текучести, снижаются в большей степени, а близкие к нулю -- в меньшей.

Степень снижения напряжений при нагреве не зависит от скорости нагрева (исследован диапазон от 120 до 300 град/ч), а полностью определяется маркой стали и достигнутой температурой.

В процессе выдержки напряжения снижаются медленно. Этот процесс описывается формулой



Значения коэффициента В для некоторых случаев приведены в табл. 2.

Добиваться значительного снижения напряжений путем увеличения продолжительности выдержки нецелесообразно. Больший эффект достигается при повышении температуры отпуска на несколько десятков градусов.

Снижение одноосных напряжений в процессе отпуска весьма близко к снижению напряжений при простой релаксации (рис. 10). Трехосные растягивающие напряжения снижаются в меньшей степени, чем одноосные и двухосные, но закономерность снижения остается примерно такой же, как и одноосных напряжений (рис. 10).

Точное определение величины трехосных и двухосных напряжений в процессе отпуска может быть выполнено расчетно-экспериментальным путем [4]. Заводская практика выработала нормативы назначения продолжительности выдержки при отпуске, исходя из толщины металла, например 1 ч на 25--50 и толщины. Такой подход приводит к неоправданно завышенной продолжительности периода выдержки и стоимости отпуска. Независимо от толщины металла достаточно после выравнивания температур по всему сечению дать выдержку около 3 ч, после чего начать охлаждение.

При местном отпуске необходимо добиваться более плавного изменения температур на участке перехода от ненагретой к нагретой части детали. Это создает меньшие остаточные напряжения после полного остывания. После поэлементного отпуска сварные узлы целесообразно соединять стыковыми швами при высоком качестве технологического процесса.

При остывании в сварных соединениях из металлов с различными коэффициентами линейного расширения вновь образуются остаточные напряжения, величина которых зависит от разности температурной деформации.

Прочие методы. Некоторое распространение получили различные приемы регулирования остаточных напряжений путем изменения погонной энергии сварки, порядка наложения швов, выбора присадочного металла, предварительной термообработки основного металла и др.

Методы уменьшения остаточных напряжений и пластических деформаций металла при сварке

Имеются три принципиально возможных пути влияния на сварочные деформации и напряжения, которые используются в различных методах снижения остаточных напряжений, пластических деформаций и перемещений от сварки.

Первый путь заключается в уменьшении величины пластической деформации металла в стадии его нагрева, а также в уменьшении объема металла, участвующего в пластической деформации. Обычно на стадии нагрева стремятся уменьшить пластические деформации укорочения, так как они в основном являются причиной образования усадки после полного остывания детали.

Второй путь состоит в увеличении пластической деформации удлинения металла на стадии остывания или после полного охлаждения в тех зонах, где при нагреве возникли пластические деформации укорочения. Если удлинение по величине будет равно возникшему при нагреве укорочению, то остаточные деформации окажутся равными нулю.

Третий путь заключается в компенсации возникающих деформаций за счет симметричного расположения швов, предварительных обратных деформаций и т. п. В некоторых методах одновременно используют разные принципы.

Существует несколько методов уменьшения остаточных напряжений.

Предварительный и сопутствующий подогревы при сварке. Они уменьшают пластические деформации укорочения металла. В некоторых случаях, если вследствие подогрева сварка выполняется на пониженных погонных энергиях, уменьшается объем зоны пластически деформированного металла. С увеличением температуры подогрева эффект снижения остаточных напряжений усиливается. Подогрев до высоких температур вообще исключает образование значительных остаточных напряжений. Подогрев оказывает заметное влияние на остаточные напряжения, вызванные структурными превращениями, и на величину предела текучести металла вследствие уменьшения скорости охлаждения. Замедление скорости охлаждения снижает остаточные напряжения. Одновременно с уменьшением величины максимальных напряжений подогрев в ряде случаев благоприятно влияет на структуру металла сварных соединений.

Проковка металла. Выполняется непосредственно после сварки по горячему металлу или после полного остывания. Благодаря осадке металла в направлении удара происходит его раздача в перпендикулярных направлениях, что снижает растягивающие напряжения или даже вызывает сжатие. Глубина распространения эффекта проковки обычно находится в пределах менее 10 мм и зависит от формы инструмента и мощности ударов. Известны случаи отрицательного влияния проковки в мало-пластичных металлах вследствие чрезмерного наклепа. Проковка имеет преимущество перед другими методами в отношении маневренности и простоты оборудования.

Прокатка зоны сварных соединений или обкатка поверхностей роликами.

Уменьшает растягивающие напряжения, а при значительных давлениях может создавать сжимающие напряжения вплоть до величины, близкой к пределу текучести металла. Имеет преимущество перед проковкой благодаря большей равномерности деформации, статическому характеру приложения давления и возможности плавного регулирования усилия. Более подробные данные о прокатке швов приведены ниже.

Приложение нагрузок к элементам сварных конструкций. Возможно приложение нагрузок в процессе выполнения сварки или после полного остывания. Первый прием применяют крайне редко. Методы статического нагружения используют растяжение или изгиб с образованием растягивающих напряжений в зонах, где остаточные напряжения максимальны. При сложении напряжений и достижении ат возникают пластические деформации. Полное снятие остаточных напряжений может быть достигнуто, если нагрузка при растяжении вызовет текучесть всего сечения элемента, однако такие условия практически трудно обеспечить.

Частным случаем является динамическое приложение нагрузок путем вибрации сварных конструкций. Заметное снижение напряжений происходит при напряжениях, превышающих предел выносливости металла. Возможно введение ультразвуковых колебаний для снижения напряжений, однако этот метод мало исследован.

Термомеханический метод снижения остаточных напряжений. Движущимися горелками или индукторами создаются два пятна нагрева до 150--200° С (рис. 8, а). Расширение нагретых зон металла в направлении вдоль шва (вдоль оси х -- х) создает дополнительное растяжение в зоне остаточных растягивающих напряжений и сжатие в перпендикулярном направлении у -- у. Такая схема действия сил (рис. 8, б) благоприятна в отношении развития пластических деформаций. Непосредственно за нагретыми пятнами движутся душевые водяные охладители.
Данный метод позволяет понизить напряжения в зонах, где они максимальны. Полного снятия напряжений не достигается.
Перераспределение напряжений местным нагревом. В центральной части зоны нагрева после остывания образуются остаточные напряжения растяжения. Вблизи зоны нагрева действуют уравновешивающие напряжения сжатия, которые могут быть использованы как средство повышения вибрационной прочности, если сжимающие напряжения действуют в зоне опасного концентратора.

Влияние сварочных деформаций, напряжений и перемещений на качество сварных конструкций

Методы уменьшения сварочных деформаций, напряжений и перемещений могут быть разделены на две группы в зависимости от того, предназначены ли они для уменьшения остаточных напряжений или для уменьшения перемещений при сварке. Деление это условно и зависит от основного назначения метода. Уменьшение остаточных напряжений влияет на изменение перемещений и наоборот.

Пластические деформации металла в сочетании с термическим воздействием сварки вызывают главным образом изменение свойств металла. Влияние остаточных напряжений и перемещений элементов сварных конструкций многообразно и проявляется как при их изготовлении, так и в процессе эксплуатации.

Влияние пластических деформаций и остаточных напряжений обычно рассматривают совместно. Основные случаи их неблагоприятного проявления следующие:

1. Изменение геометрических размеров и нарушение точности в результате механической обработки деталей, имеющих остаточные напряжения.

Встречаются в основном два случая влияния механической обработки на точность деталей:

съем напряженного металла вызывает перераспределение остаточных напряжений, однако оно не обнаруживается в процессе обработки, так как перемещения детали невозможны ввиду ее закрепления. После освобождения обработанной детали и снятия ее со станка она деформируется и теряет точность, которая была достигнута при обработке. Например, деталь, показанная на рис. 1, а, при съеме с нее металла, испытывающего растягивающие напряжения, должна была бы изогнуться под действием появляющихся касательных сил Рт. Однако искривление обработанной плоскости А произойдет после освобождения детали от закреплений. Рассмотренный случай характерен для нежестких деталей при обработке их плоскостей;

съем напряженного металла вызывает деформирование детали непосредственно в процессе обработки. При этом теряется ранее достигнутая точность. Например, при расточке отверстия 1 (рис. 1, б) вследствие перераспределения остаточных напряжений нарушается точность отверстия II, обработанного ранее.

2. Суммирование остаточных напряжений с напряжениями от нагрузок, в результате чего протекают пластические деформации, жесткость детали оказывается меньше расчетной, после снятия нагрузки изменяются геометрические размеры и точность элементов конструкции.

Наиболее значительным по своему влиянию является первое нагружение конструкции. В тех зонах, где рабочие напряжения по своему знаку совпадают с остаточными, которые имеют после сварки величину предела текучести или достигают ее при суммировании с работами напряжениями, будут протекать пластические деформации. Участок 2, где при первом нагружении протекают пластические деформации, как бы «выключается» из работы сечения (рис. 2, в), так как напряжения в нем, примерно равные пределу текучести, по мере роста нагрузки увеличиваются незначительно. Это уменьшает характеристики жесткости сечения EF и EJ. Перемещения -- прогибы, углы поворота, удлинения, вызванные нагрузкой, превышают расчетные значения. Например, в балке на рис. 2, а, испытывающей изгиб, в работе участвует лишь сечение, показанное штриховкой на рис. 2, в.

После снятия нагрузки деталь, испытавшая пластические деформации, не возвращается в прежнее положение. В станках для механической обработки и приборах это может привести к снижению точности, в механизмах -- к повышенным силам трения при работе их на холостом ходу и т. п.

Имеются формулы для расчета остаточных прогибов в сварных балках 17]. Например, для случая, представленного на рис. 2, остаточный прогиб focm, можно вычислить по формуле

При повторных нагружениях прирост пластических деформаций будет происходить в тех случаях, когда величины повторных нагрузок будут больше, чем при первом нагружении, а также при непродолжительном времени действия первого нагружения, когда пластические деформации не успевают произойти в полной мере. Вибрационные нагрузки могут вызывать пластические деформации в зонах с высокими остаточными напряжениями в течение более продолжительного периода.

3. Пластические деформации металла, его старение и остаточные напряжения в концентраторах, что вызывает снижение деформационной способности элементов сварных конструкций при статическом нагружении.

Пластические деформации металла при сварке наиболее значительны в зонах концентрации напряжений в пересечениях непроваренных элементов, трещинах, в зонах резкого изменения сечений и т. п. Вследствие деформационного старения существенно возрастают предел текучести металла, величина «зуба текучести», склонность металла к локализации пластических деформаций, уменьшается полная деформация до разрушения. Понижается работа при ударном изгибе образцов. Особенно заметны эти изменения при испытаниях в условиях низких температур. При высокой начальной пластичности металла снижение ее в результате указанных причин, а также под влиянием низких температур, может оказаться в некотором интервале температур не столь значительным (рис. 3), чтобы вызвать понижение прочности сварного соединения при статической нагрузке. Однако при дальнейшем понижении температуры обнаруживается также и снижение прочности.

Отрицательное влияние сварочных напряжений на прочность соединений проявляется в том случае, когда материал находится в хрупком состоянии. При пластичном состоянии материала сварочные напряжения не являются опасными с точки зрения возникновения разрушения.
4. Жесткая схема трехосных растягивающих остаточных напряжений, способная вызвать разрушение металла без существенной пластической деформации. Объясняется это тем, что пластическая деформация в металле начинается, когда эквивалентное напряжение достигает:

Если наибольший компонент главных напряжений ах достигнет значения разрушающего напряжения до того, как стj станет равным ат, разрушение возникнет без пластической деформации.

5. Понижение прочности сварных конструкций при переменных нагрузках под влиянием остаточных растягивающих напряжений. Теоретические исследования И. В. Кудрявцева [10] показали, что влияние остаточных напряжений на усталостную прочность может быть выражено специальной формулой.

В сварных соединениях в зависимости от свойств металла и концентрации напряжений степень влияния остаточных напряжений на усталостную прочность меняется в широких пределах и количественно окончательно не установлена. Проведены разнообразные исследования усталостной прочности сварных соединений с остаточными напряжениями [6, 7, 10]. Степень влияния остаточных напряжений на выносливость понижается с увеличением переменных напряжений и зависит также от формы сварных соединений.

6. Влияние остаточных напряжений на местную устойчивость тонкостенных элементов сварных конструкций. При действии сжимающих остаточных напряжений устойчивость понижается. В тонкостенных элементах, где сжимающие остаточные напряжения распределены равномерно, они могут быть просуммированы с рабочими при определении критических напряжений и запаса устойчивости. Нередко потеря устойчивости тонколистовых элементов возникает только от остаточных напряжений. Остаточные сжимающие напряжения влияют на общую устойчивость сварных стержней двутаврового, таврового, коробчатого и других профилей. Степень влияния остаточных напряжений зависит от гибкости колонн и расположения зон с растягивающими и сжимающими напряжениями. Количество исследований, посвященных данному вопросу, мало; точки зрения отдельных авторов не совпадают.

7. Интенсификация процессов коррозии и коррозионного растрескивания в зонах с остаточными растягивающими напряжениями и пластическими деформациями. В ряде случаев преобладающее влияние оказывают пластические деформации. Имеет место воздействие напряжений как первого рода, так и более высоких родов. Исследования по количественному влиянию остаточных напряжений на процессы в коррозионных средах малочисленны.

8. Накопление значительной потенциальной энергии в сварных конструкциях вследствие наличия объемов металла с большими остаточными напряжениями. Развитие начавшихся по разным причинам разрушений может происходить только за счет накопленной потенциальной энергии. Известны случаи самопроизвольных развитых разрушений, когда рабочие напряжения отсутствовали. Основное количество потенциальной энергии сосредоточено в зонах пластических деформаций сварных соединений, где остаточные напряжения наиболее значительны и нередко близки к пределу текучести. В зоне сжимающих напряжений, которые обычно невелики, количество запасенной энергии незначительно.

Это следует из формулы, выражающей количество энергии в единице объема при одноосном напряжении, где величина напряжений входит в квадрате:

9. Образование и развитие так называемых холодных трещин (см. гл. VI). Оно происходит в присутствии остаточных напряжений первого рода, которые в данном случае являются необходимым элементом действующего механизма разрушения. Так как замедленные разрушения возникают в период, непосредственно следующий за сваркой, когда рабочие напряжения отсутствуют, роль остаточных напряжений наряду с другими факторами структуры и состояния металла является решающей. Результаты испытаний на замедленные разрушения (см. гл. VI) позволяют судить о количественной стороне влияния остаточных напряжений.

Влияние перемещений, вызванных сваркой также многообразно и может проявляться в следующем:

1. Остаточные перемещения в значительном большинстве случаев затрудняют сборку элементов сварных конструкций, а в некоторых случаях делают ее даже невозможной. Например, после сварки тонких (менее 3--4 мм) листов в результате потери устойчивости коробление настолько значительно, что сваренные ранее пластины невозможно собрать между собой, не применив перед сваркой их правку. Отдельные элементы сложных балочных конструкций перед сборкой, как правило, должны подвергаться правке, так как они не могут быть собраны ввиду наличия больших зазоров от изгиба. На рис. 4 показаны поперечные сечения концов тонкостенных оболочек с шпангоутами, в которых различное окружное сокращение после сварки роликовых швов не позволило собрать оболочки под сварку, ввиду наличия «ступеньки» величиной около 1--1,5 мм. Практика производства сварных конструкций располагает многочисленными примерами необходимости устранения перемещений перед сборкой.

2. Остаточные перемещения могут ухудшить процесс и качество сварки. На рис. 5, а показаны тонкие листы, которые вначале были собраны на прихватках, а затем был заварен шов 1. Потеря устойчивости листов не позволяет произвести сварку шва 2, так как при зажатии их в приспособлении в зоне шва 2 появляются перемещения волнообразного характера, листы не прилегают к подкладке, ввиду чего сварка не может быть выполнена качественно. На рис. 5, б показан недостаточно хорошо выправленный лист 1, который точками собран с листом 2 под роликовую сварку. В процессе сварки происходит смятие листа 1, имеются смещения и вмятины.

Полка балки 1 на рис. 5, имеет грибовидность; в сопряжении между балкой 1 и 2, которое должно быть заварено, имеется зазор. Ввиду того, что угловой шов может оказаться неполноценным, необходимо устранение грибовидности.

3. Вследствие остаточных перемещений, вызванных сваркой, назначают завышенные припуски на механическую обработку деталей. Например, толщину стенок вала на рис. 6, а, который должен обрабатываться снаружи и внутри, необходимо перед сваркой назначать большей ввиду появления углового излома 0 в зоне кольцевого шва, выполняемого электрошлаковой сваркой. Аналогичные случаи имеют место и в протяженных сварных деталях другого типа (рис. 6, б). Пластины 1, поверхности которых обрабатываются, должны быть выполнены завышенной толщины.



4. Некоторые виды перемещений изменяют геометрические характеристики сечений, например, уменьшают момент инерции J, что, в свою очередь, может привести к неучтенному расчетом повышению рабочих напряжений. На рис. 5, в показано сечение сварной балки, полка которой имеет грибовидность. Приближение полки к центру тяжести балки вызывает уменьшение момента инерции Jx.

Сварочные перемещения могут привести к выключению из работы отдельных участков конструкции и к перегрузке за счет этого других участков, например при местной потере устойчивости листовых элементов.

5. Остаточные перемещения (изгиб, хлопуны) оказывают заметное влияние на устойчивость конструкций. Например, остаточные прогибы / в колоннах, работающих на сжатие, вызывают появление дополнительных изгибающих моментов (рис. 7, а). В тонкостенных оболочках, работающих на сжатие, устойчивость может быть понижена за счет корсетного сокращения от кольцевого шва 1 или за счет прогиба участка А оболочки в направлении к ее оси (рис. 7, б).



6. Остаточные перемещения, искажающие форму сварных конструкций, могут повлиять на эксплуатационные свойства изделий, например вызвать повышенные сопротивления потоку жидкости или газа. Сварные плоскости самолетов, выполненные с применением точечной сварки, могут иметь недостаточно ровную поверхность. Листовые элементы, испытывающие действие остаточных сжимающих напряжений, при движении в потоке газа или жидкости могут испытывать вибрацию. Отклонения сварных деталей от проектных размеров нередко вызывают в механизмах повышенные силы трения.

7. Вследствие значительных перемещений (сокращений, изгиба) размеры сварных деталей могут значительно отклоняться от проектных, не укладываясь в отведенное поле допуска. В таких случаях необходимо также устранять остаточные перемещения или учитывать их при заготовительных операциях.

8. В ряде изделий искажения формы от сварки приводят к неудовлетворительному внешнему виду,не отвечающему эстетическим требованиям (вагоны, автомобили, предметы бытового назначения и др.).

Обеспечение точности изготовления сварных конструкций

Точность собранной конструкции определяют как предыдущие операции технологического процесса (правка, резка деталей и заготовок, обработка кромок, гибка и др.), так и ряд факторов, проявляющихся непосредственно при выполнении сборочной операции. К таким факторам относят схему сборки-сварки, способ сборки, способы базирования и выбор базовых поверхностей, точность сборочных приспособлений, согласование допусков.

Схемы сборки. При последовательной сборке и сварке элементов требуемую точность изготовления сварной конструкции достигают, применяя промежуточные операции правки. Схему полной сборки конструкции с последующей сваркой обычно используют для сравнительно простых изделий или изделий средней сложности, состоящих из небольшого числа деталей с легкодоступными для выполнения соединениями. При этой схеме точность обеспечивают за счет создания жесткого контура собранной конструкции.

При параллельно-последовательной схеме сборки общие деформации всей конструкции заметно уменьшаются, так как жесткость узлов всегда больше жесткости отдельных деталей. В этом случае легче выполнить правку деформированных узлов, чем полностью сваренной конструкции. Кроме того, при такой схеме сборки и сварки проще реализовать активный технологический контроль точности на различных стадиях изготовления с соответствующими коррекциями согласно параметрам технологического процесса в зависимости от состояния конструкции.

Базирование. Важное значение для обеспечения точности сборки имеет соблюдение основных принципов базирования сварной конструкции. Для базирования любой детали достаточно иметь шесть опорных точек, лишающих деталь всех шести степеней свободы.

Из всего многообразия заготовок и деталей, собираемых в сварные изделия, наибольшее распространение имеют призматические заготовки, у которых в качестве установочных баз используют три взаимно перпендикулярные плоскости. Для повышения точности ориентации таких деталей в качестве установочной базы принимают поверхность с наибольшими размерами, позволяющими разместить три условные опорные точки. При этом в качестве направляющей базы принимают самую длинную деталь, а опорной базой может быть даже небольшая ровная поверхность с одной опорной точкой.

Способ сварки. Существуют следующие способы сборки под сварку:

* по предварительной разметке;

* по упорам-фиксаторам или по шаблонам;

* по контрольным отверстиям.

При сборке по разметке положение каждого элемента определяют по линиям, нанесенным на сопрягаемые элементы.

Сборку по упорам-фиксаторам производят в сборочно-сварочных приспособлениях или на стендовых плитах.

При сборке по контрольным отверстиям сопрягаемые элементы соединяют, совмещая эти отверстия (они являются технологическими сборочными базами). Последние два способа сборки обеспечивают более высокую точность взаимного положения деталей при сборке и более высокую производительность. Заданные размеры взаимного положения деталей при сборке этими способами получаются автоматически. Наибольшее распространение получил способ сборки в приспособлениях. Тип приспособления определяют серийностью производства, сложностью конструкции свариваемого узла, способом сварки и применяемым оборудованием.

Сборочные приспособления.

При единичном и мелкосерийном производствах применяют, преимущественно, универсальные приспособления. В серийном производстве наряду с универсальными приспособлениями используют переналаживаемые сборочные установки или стенды с быстродействующими прижимами.

В массовом производстве применяют специализированные установки и приспособления с высокой степенью механизации и автоматизации, в том числе и с программным управлением. Требования, предъявляемые к приспособлениям:

* достаточная жесткость корпуса, так как взаимное положение свариваемых деталей в процессе сборки под сварку должно оставаться неизменным. Допуски на линейные размеры v в сборочно-сварочных приспособлениях составляют 0,5-0,75 допуска на соответствующие размеры в собираемых изделиях;

* свободный доступ сварочного инструмента к местам сварки;

* быстрая установка деталей свариваемого изделия и их зажим, свободное снятие узла после прихватки;

* обеспечение безопасности при выполнении сборочных и сварочных работ.

В странах СНГ получили распространение универсально-сборные приспособления дтя сборочно-сварочных работ (УСПсв), включающие следующие группы элементов: базовые, корпусные, установочно-направляющие, прижимные крепежные и разные. Такое деление не предопределяет однозначного применения какого-либо элемента в приспособлениях, так как элементы универсальны, в разных компоновках могут выполнять различное назначение.

Рисунок. Компоновка УСПсв для сборки под сварку прямоугольного каркаса

Характеристика УСПсв в зависимости от ширины паза и размера резьбы основного крепежного болта приведена в таблице.

Таблица. Характеристика УСПсв

* Собирают на базовых кольцах с пазами 12 мм (ГОСТ 17841-72, ГОСТ 17843-72).

** При сборке изделий из разнотолщинных металлов, но катет шва не более 8 мм.

*** То же, но катет шва не более 16 мм.

В этих УСПсв в качестве базовых деталей используют плиты с сеткой Т-образных пазов шириной 8, 12 и 16 мм и шагом 60 мм. На боковых сторонах плит имеются продольные Т-образные пазы, с помощью которых можно нарастить плиту.

Для образования корпуса приспособления используют полосы, уголки, косынки угольники и др. В качестве прижимных деталей применяют шарнирные прихваты, рычажно-эксцентриковые и винтовые прижимы. На рисунке показано УСПсв для сборки под сварку прямоугольного корпуса.

Надежность и долговечность деталей и узлов УСПсв обеспечивают правильным выбором материалов, режимов термообработки и защитных покрытий.

Аналогичную описанной выше сборочную оснастку предлагает немецкая фирма «Forster GmbH». Фирма поставляет передвижные и стационарные сварочные столы различных размеров от 1000x1200 мм до 3000x1500 мм с поперечными пазами. В комплект входят также разнообразные упорные, фиксирующие и другие элементы.

Немецкая фирма «DEMMELER Mashinenbau GmbH» производит различные УСПсв, основой которых являются стационарные и передвижные сварочные столы различных размеров. Эти столы имеют базирующие отверстия диаметром 25 мм, выполненные с шагом 50 мм.

...