Деформации при сварке — причины и методы борьбы

Содержание

• Что такое сварочные напряжения и деформации
• Какие бывают сварочные деформации конструкций
• Что приводит к появлению сварочных напряжений и деформаций
• Как уменьшить напряжения и деформации
• Какие бывают способы устранения деформаций после сварки

Во время любой сварки: ручной дуговой, аргонодуговой, полуавтоматической металл шва и околошовная зона нагреты до высоких температур. Это приводит к их расширению, а иногда при последующем остывании и к изменению структуры свариваемого материала — например, при работе с чугуном. В результате значительной разницы в температурах и плотности возникают временные напряжения, упругие и остаточные деформации.

Существенные остаточные деформации после сварки не только ухудшают вид готовых деталей: форму и размеры. Они затрудняют сборку сложных конструкций, снижают их прочность, надежность, несущую способность и сокращают срок эксплуатации.

Рассматриваем вместе с вами, отчего возникают напряжения и деформации в процессе сварки, какие они бывают, как их избежать и исправить.

Что такое сварочные напряжения и деформации

Сварочные напряжения — по сути, внутренние силы, которые стремятся растянуть или сжать металл. Эти силы могут действовать в одном, двух или трех направлениях. Если оценивать их по осям координат: вдоль, поперек и под прямым углом к шву.

Под влиянием этих сил и возникают сварочные деформации — изменения формы и размеров детали. Чем выше напряжение и приложенные силы, тем больше деформации.

Временные напряжения и деформации, которые появляются во время работы и не остаются в металле, не имеют значения. В этом случае после нагрева и расширения заготовки возвращают форму, длину, ширину и толщину после остывания и сжатия.

Остаточные напряжения и деформации остаются в металле и после охлаждения. Именно они ухудшают геометрию детали и снижают надежность конструкций.

На практике при стыковом шве это выглядит так:

• при нагреве металл околошовной зоны становится мягким и расширяется в разных направлениях;
• расширяться вдоль шва мешают холодные участки за околошовной зоной — временные напряжения сжатия возникают под действием продольно приложенных сил;
• расширяться поперек шва могут мешать прихватки, уже сформированный и частично остывший участок соединения, фиксирующие заготовку приспособления — временные напряжения сжатия возникают под действием поперечно приложенных сил;
• после окончания сварки и остывания деталь или возвращается к первоначальной геометрии, или получает поперечную и продольную деформацию — усадку.

Возникновение деформации при сварке, её характер и величина зависят от ряда факторов. Например, температуры нагрева, разницы в толщине свариваемых заготовок, наличия фиксации деталей.

Какие бывают сварочные деформации конструкций

Помимо того, что деформации бывают временными и остаточными, поперечными и продольными их различают и по другим признакам. Это:

• Причина

Деформации могут быть температурными и структурными, возникающими от неравномерного нагрева и изменения структуры металла. Последние часто возникают вместе с температурными — например, при работе с легированными сталями и чугуном.

• Характер

Общие деформации приводят к изменению геометрии всей конструкции, местные распространяются на её элементы или зоны — например, усадка трубы у кольцевого шва, коробление при деформации листов при сварке.

Что приводит к появлению сварочных напряжений и деформаций

Чтобы использовать какие-либо приемы для уменьшения деформаций, надо знать, что вызывает сварочные напряжения. 

Неравномерное местное нагревание

При локальном нагреве во время сварки и последующем остывании температура металла в районе шва и за околошовной зоне неравномерна. Из-за этого возникают растягивающие и сжимающие напряжения, которые действуют в одном или нескольких направлениях. Их величина зависит от физических свойств металла и режима сварки: значения сварочного тока и тепловложения в заготовку.

Изменения структуры

При нагреве выше допустимой температуры у некоторых металлов изменяется структура. Это характерно для сплавов, которые склонны к закалке. В результате в заготовке образуются участки с разной плотностью, твердостью и пластичностью. В них возникают растягивающие и сжимающие напряжения, приводящие к деформациям и трещинам.

Ошибки при выборе технологии и техники сварки

К таким ошибкам относят:

• неправильную разделку кромок и слишком широкие швы, приводящие к сильной усадке металла при охлаждении;
• выбор неподходящих электродов, которые не обеспечивают нужной пластичности наплавленного металла;
• сварку в один проход в том случае, когда необходимо делать многопроходные короткие швы, чтобы снизить скорость остывания и не допустить изменения структуры металла;
• выполнение швов с неправильной очередностью, усиливающая напряжения и коробление сложных деталей.

Деформации бывают, если варить на слишком высоком сварочном токе и на низкой скорости.

Как уменьшить напряжения и деформации

Для снижения деформаций используют несколько методов. При необходимости их комбинируют между собой.

Уменьшают тепловложение

На пониженных токах сваривают тонколистовую сталь толщиной до 2,5 мм, а также жестко зафиксированные детали. Это минимизирует зону нагрева, уменьшает риск коробления и появления трещин при усадке швов. Помогают обеспечить оптимальное тепловложение и аппараты с режимом импульсной аргоновой и полуавтоматической сварки, работа на подложке.

Выполняют многослойные швы

Толстые детали и заготовки из металлов, склонных к закалке и изменению структуры, сваривают в несколько проходов. Короткие многослойные швы уменьшают тепловложение и скорость отвердевания.

Нагревают детали перед сваркой

Предварительный и сопутствующий подогрев используют при сварке электродами и присадочной проволокой в среде защитных газов: при работе с алюминиевыми сплавами, чугуном, закаливающимися сталями. Сваренные детали медленно охлаждают, чтобы не допустить трещин.

Накладывают швы так, чтобы уравновесить напряжения

При такой сварке напряжения, возникающие при выполнении одного шва, компенсируют напряжения, которые появляются при наложении другого. Этот метод используют при сварке двутавров и деталей с Х-образной разделкой.

Располагают детали под сварку, учитывая деформации

Элементы конструкции специально располагают под другим углом по отношению друг к другу или с прогибом, учитывая направление напряжения и деформации. После сварки они принимают нужное положение.

Какие бывают способы устранения деформаций после сварки

Основных мер борьбы с деформациями при сварке три:

• Проковка остывающих швов. Её используют при сварке чугунов, жаропрочных сталей и особо толстых заготовок. Она уплотняет и сглаживает шов, уменьшает усадку и риск появления трещин.
• Правка после сварки. С помощью инструмента, прессовки или ударного воздействия создают обратные деформации, позволяющие изменить угол отклонения или плоскостность.
• Нагрев деформированной зоны. Это позволяет добиться локальных деформаций сжатия и устранить прогибы.

Внутренние напряжения всегда возникают в металле при сварке. Их невозможно избежать, но можно уменьшить, компенсировать и исправить.