Все что нужно знать о сварочных деформациях, чтобы не сделать брак

Деформации при сварке весомо влияют на качество готового изделия. Изменение геометрии сваренной детали способно превратить её в брак.

О том как предотвратить эту ситуацию мы подробно описали в статье, подобрали фото и видео материалы, а также разобрали часто возникающие вопросы.

Определение

Сварочные деформации являют собой значительную проблему: из-за них готовое изделие самопроизвольно изменяется и перестаёт соответствовать исходным требованиям по качеству и функциональности.

Deformac svarki 1

Проблема состоит из 2-х основных компонентов:

  • сварочное напряжение: разнонаправленные усилия, возникающие при сварке в теле детали и измеряемые соотношением силы на рассматриваемую площадь;
  • сварочные деформации: изменение первоначальных форм и размеров деталей при сварке в результате сжимающих и изгибающих (в основном) усилий.

В результате их развития изделие из металла изменяется будто само по себе.

Полезная статья – Что входит в состав силумина

Классификация (виды)

Сварочные напряжения и деформации подразделяются по таким признакам:

  • участок: местное появление или общее (в масштабах всего изделия);
  • продолжительность существования: временные (самостоятельно нивелируются по остывании) и остаточные (сохраняются в охлаждённом металле);
  • критерий восстановления формы: упругие (конструкция возвращается к исходным размерам и форме после остывания) и пластичные (обратного изменения нет).

Влияют на их особенности и значения общий характер сварочного процесса, продолжительность сварки и некоторые другие факторы:

  • теплота нагрева: перегрев шва и околошовной зоны или основного металла (связано с его металлографической структурой);
  • направление развития: продольные и поперечные;
  • объём развития: сварочные напряжения и деформации проявляются в кристаллах, в группах зёрен или во всем объёме металла;
  • тип напряжения: линейные (развитие выполняется по вектору), плоскостное (векторы в одной плоскости) и объёмные.

Возникновение коробления способно произойти возле шва и на расстоянии от него.

Почему образуются

Сварочные деформации появляются из-за целого комплекса разных факторов – неизбежных и сопутствующих.

Основные причины

Факторы сварочных напряжений и деформаций, которые присутствуют всегда, после любого зажигания дуги:

  • развитие знакопеременных напряжений (особенно в легированных и высокоуглеродистых сталях) из-за крайне неравномерного нагрева металлических кромок;
  • проявление структурных изменений и колебания физических свойств материалов (местное изменение теплопроводности и теплового расширения);
  • усадка при кристаллизации, генерирующая трёхмерное напряжение.

Deformac svarki 2

Избежать их не удастся, поэтому важно представлять механизм развития данных феноменов и методы противодействия им.

Литейная усадка

Сварочная ванна представляет собой небольшую (до нескольких куб. см) массу расплавленного металла, который отличается повышенными текучестью и объёмом. В силу металлургических процессов возникает сцепление горячих присадочного и основного металлов.

В ходе сброса теплоты в окружающую среду временное расширение металла прекращается, начинается обратный процесс – объём теряется, отдельные зерна и кристаллы стягиваются к центру образующегося шва. По мере этого возникает растягивающее напряжение, которое нарастает и приводит к стягиванию основного металла.

Deformac svarki 3

Внутренние продольные напряжения вызывают коробление по длине, поперечные являются причиной угловых смещений. Их комбинированное действие в сложно оцениваемых пропорциях вызывает комплексные изменения формы деталей.

Полезная статья –Как новичку освоить ТИГ сварку

Нагревание и охлаждение производятся неравномерно

Сварочное напряжение в качестве основной причины своего появления имеет неравномерное прогревание основного металла. Суть сварки заключается в точечном (узко концентрированном) вводе теплоты на участок, где планируется плавление.

Электрический ток сосредоточенно разогревает поверхность металла, передавая в него энергию.

Между тем сплав обладает собственной теплопроводностью, теплоёмкостью, запасом пластичности и прочности. Вводимое тепло влияет на резкое увеличение или понижение этих характеристик – строго в зависимости от температуры нагрева. Так, высокая температура возле ванны делает теплопроводность близкой к нулю, что автоматически повышает напряжения.

Deformac svarki 4

Охлаждение, обратный процесс, не идёт строго в обратном порядке – возникают отклонения, неравномерность сброса и отвода теплоты (причём частично – из-за разницы температур, когда ванна остывает быстрее околошовной зоны), проявляются изменения в структуре – всё это сильно влияет на кристаллическую решётку сталей.

Изменения структуры материала

Деформации и напряжения в низкоуглеродистых и легированных сталях проявляются ввиду сложности с кристаллической решёткой. Введение теплоты вызывает повышенные растягивающие и сжимающие усилия, которые постепенно развиваются в значительные деформации. Их усиление проявляется в образовании трещин и изменении местного кристаллического состава стали.

Deformac svarki 5

Проблема усугубляется при соединении отличающихся по химическому составу материалов.

Косвенные причины

Деформация металла при сварке способна появляться не только из-за химического состава или количества вводимой теплоты. Есть факторы, которые считаются побочными и могут отсутствовать:

  • несоответствие фактически осуществляемого процесса параметрам технологии (к примеру, излишний объем наплавленного металла или завышенный сварочный ток, излишне нагревающий детали);
  • неточность планирования швов (малое расстояние, некорректный тип шва или его параметры);
  • недостаточность профессиональных знаний и практических умений сварщика.

Эти причины возникновения напряжений и деформаций проявляются в проявлении брака при сварке – от непровара и трещин до термического изгиба балки.

Как избежать деформации при сварке

Чтобы предотвратить появление деформации при сварке нужно обратить внимание при планировании на следующее:

  • швы оптимально проектировать симметричными к самым длинным осям образуемой детали и отдельных заготовок;
  • рекомендуется избегать пересечения швов (не более 1 пересечения в каждой точке);
  • обязательный соответствующий предварительный расчёт сварного соединения, что позволит корректно подготовить кромки, зазор между ними и припуски на временные деформации;
  • непосредственно перед розжигом дуги важно проверить фактическое соответствие положений элементов расчётным значениям;
  • выполнить предварительную деформацию – в направлении и по форме, прямо противоположным возникающей остаточной деформации, это приведет к нивелированию необратимых изменений;
  • сварочные напряжения и деформации во многом образуются из-за вводимого тепла – поэтому снятие так называемого «паразитного» тепла (избыточного) способно удержать состояние основного металла на приемлемом уровне, выполняется это с помощью медных или охлаждаемых водой накладок;
  • применять специальные техники и манипуляции, к примеру — варить обратноступенчатым способом, что даст остыть деталям и упростит ситуацию.

Эти моменты приводят к снижению напряжений, которыми и вызывается остаточная деформация металла при сварке.

Какие материалы вы чаще всего свариваете ?
Черные стали (конструкционные, углеродистые, низколегированные)
80.62%
Нержавейку
15.31%
Цветные металлы (алюминий, медь, титан и т.д.)
2.15%
Прочее
1.91%
Проголосовало: 418

Устранение сварочных напряжений

Деформация и напряжение при сварке опасны при отсутствии противодействия, поэтому важно запланировать проверенные способы борьбы с этими негативными явлениями. Простые и не слишком затратные по финансам и времени варианты помогут предотвратить брак или существенно снизить его масштаб.

Подогрев изделия: предварительный и/или сопроводительный

Среди методов подготовки есть так называемый подогрев свариваемых деталей. Он рассчитан как ответ на неравномерное расширение материала.

Deformac svarki 6

Выполняется подогрев:

  • предварительный: когда общее повышение температуры заготовок до расчётного значения заканчивается непосредственно перед сваркой, поэтому воздействие дуги не оказывается слишком негативным;
  • сопроводительный: когда параллельно дуге в свариваемые заготовки вводится тепло.

Метод устраняет основное количество деформаций и повышает прочность сварного шва. Он рассчитан в основном для сталей, склонных к закалке и образованию трещин.

Термическая обработка

Среди способов устранения деформаций при сварке приличной эффективностью отличается обработка готового соединения комбинацией нагрева и остывания при определённой продолжительности каждого из этапов. Назвать это можно термической обработкой.

Deformac svarki 7

Такое воздействие повышает прочностные свойства шва и околошовной зоны, упрощает структуру металла и качественно снижает уровень внутренних напряжений.

Основные варианты термообработки: отжиг, отпуск и нормализация (оптимальный способ для сталей с низким содержанием углерода).

Полезная статья — Сварка полуавтоматом для начинающих

Наложение швов в обратноступенчатом порядке

При длине сплошного сварочного шва более 80-100 см рекомендуется сварку вести обратноступенчатым способом: единоразовым проваром не более 10-15 см от конца общей длины к ее началу при общем продвижении вперед.

Это даёт постепенное остывание материала по мере сваривания в обратном направлении. Напряжения и деформации при такой сварке заметно снижаются.

Deformac svarki 13

Устранение деформации

Технически оптимальный вариант предотвратить развитие проблемы – выполнить предварительную подготовку зоны сварки и проковку после сварки. Поможет в этом расчет величины сварочных деформаций.

Жесткое крепление деталей

Деформации и напряжения при сварке возможно удержать механическим способом – закрепляя свариваемые заготовки (особенно их кромки) с большим усилием. При задействовании кондукторов, струбцин и прочих механических приспособлений металл удерживается от самопроизвольного смещения. Это работает против деформаций, но повышает риск образования значительных внутренних напряжений.

Deformac svarki 8

Снятие усилий прижатия допускается после остывания зоны шва. После этого рекомендуется провести проковку или термический отпуск.

Проковка швов

По завершении сварки возможно устранение внутренних напряжений методом проковки. Для этого готовое соединение и околошовную зону обрабатывают ударным способом – в ходе чего образуются усилия сжимающие и растягивающие в разные стороны от молота.

Как следствие механического воздействия возникает перераспределение напряжений – остаточные напряжения и деформации при сварке заметно снижаются.

Deformac svarki 9

Есть пара «минусов»: при завышенной силе ударов возможны трещины в сварных швах, а если сталь склонна к закаливанию, проковка не производится.

Создание уравновешивающих (выравнивающих) деформаций

Возможно технологическое решение в виде выполнения деформации, обратной предстоящей. При этом элементы заготовки размещаются в обратно симметричном виде, жёсткое закрепление может не проводиться.

Deformac svarki 10

 

Проводится такая подготовка с помощью обработки заготовок на прокатных станках, изгибом с зажатием струбцинами – в зависимости от толщины материала.

Расчет деформаций и испытания

Сварочные деформации сравнительно легко изучаются методом опытного тестирования. Работа производится визуальным, инструментальным и расчётным способами.

Проверка состояния сваренного изделия производится с помощью таких методов:

  • неразрушающий контроль – осмотр невооружённым глазом и с помощью увеличительных приборов, проведение линейных и угловых замеров возникающих деформаций, применение капиллярной технологии и других техник, направленных на выявление несплошности шва (к примеру, ультразвуковым аппаратом или специальным дефектоскопом);
  • разрушающий контроль – получение специальных проб из готового шва, которые изучаются на предмет физических и химических свойств.

Эти способы работают постфактум, а спрогнозировать уровень нагрузки и характер геометрических изменений позволяет расчет сварочных деформаций. Выполняется это с помощью численных методик на основе теоретических сведений.

Полезная статья – Что такое аргонная сварка

Частые вопросы

Возможно ли предотвратить или существенно снизить такие формообразования? Да, в ходе конструирования изделия – с помощью планирования сварных швов и их расположения:

  • ограничивать близкое расположение швов друг к другу;
  • избегать пересечения швов, особенно – разных типов (это способно существенно ухудшить ситуацию из-за несимметричности);
  • стараться уменьшить общее количество присадочного металла – снижать катет, понижать углы скоса обрабатываемых кромок, устанавливать минимально возможный зазор;
  • отдалять швы от мест вероятного возникновения механических нагрузок на деталь;
  • стараться размещать соединения симметрично;
  • задействовать максимально простые стыковые швы.

Возможно ли исправить эти возникшие отклонения? Наиболее простой способ нивелирования – термомеханическая обработка. Сваренную конструкцию подвергают обратной вальцовке, ковке, растягиванию – или тому же самому с добавлением нагрева сложного участка до 500 более градусов.

Что происходит в отношении механической прочности? Неоднократно исследовалось поведение подвергшихся послесварочным изменениям металлоконструкций на этот счёт.

Практика показывает: свойства конструкций и деталей изменяются, их возможности снижаются – в тем большей степени, чем значительнее деформации.

По этой причине необходимо стараться предотвратить их появление, иначе эксплуатационные параметры продукции оказываются под угрозой. Последнее выражается в падении устойчивости к статическим и динамическим воздействиям, а также вибрационным нагрузкам.

Какие сварочные деформации называют остаточными

Если по завершении сварочных работ собранная деталь изменила свою форму безвозвратно, такие деформации классифицируются как остаточные. Для их устранения необходимо прилагать усилия – или изделие останется деформированным.

Причина этого – неравномерность, несимметричность и отсутствие обратной компенсации объёмных расширений и сжатий раскалённого и нагретого металла. Неравномерная внутренняя распределённость напряжений и является причиной остаточных деформаций.

Когда появляются временные сварочные деформации

В ходе подготовки сварщиков проводится также обучение теории и освещение проблематики, это важно для представления сути происходящего. Обучение как правило закрепляется общим экзаменом, на котором специалисту приходится давать ответ на вопросы проверяющих.

Проблема сварочных деформаций имеет значительную важность ввиду затрат на их устранение. Опасность временных деформаций заключается в вероятности их неполного нивелирования. Поэтому специалист обязан знать базовые причины их образования:

  • высокий сосредоточенный нагрев околошовной зоны;
  • разнонаправленные изменения внутри шва;
  • фазовые превращения и образование зёрен с разной структурой в ограниченном объёме.

Хуже всего ситуация с легированными сталями. Здесь образуются структуры закалочного типа, которые приводят к появлению существенных линейных и объёмных расширений. Защититься от всех этих моментов возможно с помощью точного соответствия требованиям технологического процесса сварки.

От чего зависит величина деформации свариваемого металла

Основная причина деформации как несимметричного изменения формы и размеров детали – это значительная неравномерность местного нагрева.

Размер участка расплавленного металла измеряется в миллиметрах и нескольких сантиметрах (речь не об электрошлаковой сварке), но в них временно образуются сложные разнонаправленные напряжения.

Помогла ли Вам наша статья ?
Да
77.61%
Нет
22.39%
Проголосовало: 67

Если у Вас есть вопросы по теме сварки вы можете задать их нашему эксперту в комментариях.

Оцените автора
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Mrmetall.ru
Добавить комментарий

× Заказ техкарт
Adblock
detector