Снижение массы наплавленного металла. В сварных конструкциях это достигается правильным конструированием изделия, сокращением количества и размеров сварных швов, уменьшением сечения швов за счет изменения угла скоса кромок, использованием технологии сварки с глубоким проплавлением и сварки на форсированных режимах.
Правильная последовательность наложения швов. В технологических процессах производства сварных конструкций предусматривают способы сварки, обеспечивающие получение минимальных деформаций (см. рис. 6, б, в). Стыковые соединения с Х-образной подготовкой кромок следует сваривать попеременно с каждой стороны для уменьшения коробления свариваемых элементов.
Применение многослойных швов. Сварка многослойными швами позволяет уменьшить внутренние напряжения, улучшить структуру и качество наплавленного металла, выполнить послойную термическую обработку швов. Целесообразно использование тех марок электродов, которые обеспечивают получение наиболее пластичного металла шва.
Принудительное охлаждение. Уменьшение сварочных напряжений и деформаций при сварке низкоуглеродистых и не закаливающихся сталей достигается применением принудительного охлаждения (водой, с помощью теплоотводов из меди и др.).
3. Устранение напряжений и деформаций
Методы борьбы со сварочными деформациями. 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).
Несмотря на принимаемые меры, часто сварные конструкции приходится править после сварки. Обычно производят механическую или термическую правку.
Подогрев свариваемого металла. Если меры предотвращения образования сварочных напряжений и деформаций оказываются недостаточными, появляется необходимость в устранении (снятии) возникших напряжений и деформаций. Для частичного или полного устранения внутренних напряжений применяют предварительный подогрев металла перед сваркой, термическую обработку швов и околошовной зоны после окончания сварочных работ, иногда полную термическую обработку изделия. Предварительный или сопутствующий подогрев изделия снижает перепад температур в зонах сварных соединений, что приводит к уменьшению остаточных напряжений и деформаций.
Местный предварительный подогрев для уменьшения сварочных напряжений и деформаций используют при сварке сталей, чугуна, алюминиевых сплавов, бронзы. При этом алюминий подогревают до 300 °С, бронзу – до 400, сталь – до 400-600, чугун – до 500-800 °С.
Проковка швов. Сварочные напряжения можно снять почти полностью, если в шве и околошовной зоне создать дополнительные пластические деформации, что достигается проковкой швов. Проковка швов создает местную пластическую деформацию удлинения, обратную деформации укорочения при сварке, вследствие чего изделие может приобретать первоначальную форму и размеры.
Послойная проковка швов применяется при сварке металлов больших толщин и специальных жаропрочных сталей. Ее производят при остывания сварного шва (температура 450 °С и выше либо 150 °С и ниже). В интервале температур 400-300 °С в связи с пониженной пластичностью металла при его проковке возможно образование надрывов. Специального нагрева сварного соединения для выполнения проковки, как правило, не требуется. Проковку выполняют после наложения каждого слоя частыми легкими ударами пневматического зубила или вручную молотком массой 0,6- 1,2 кг с закругленным бойком.
Частота и интенсивность проковки зависят от толщины металла, состава стали, температуры нагрева, при которой ведется сварка, и ряда других факторов. Проковку ведут до сглаживания рисунка шва.
Проковка сварного шва способствует также повышению усталостной прочности конструкции.
Механическая правка металла. При механической правке свариваемым деталям придают новые деформации, снижающие первоначальные, возникшие в результате сварки. Деформацию деталей устраняют механической правкой с помощью прессов, домкратов, правильных вальцов, ударных приспособлений и др. (см. рис. 6, г). При толщине металла до 3 мм правку производят вручную молотком. При механической правке образуется местный наклеп, повышающий предел текучести металла. Вызываемая наклепом неоднородность механических свойств отрицательно сказывается на статической прочности конструкции и при эксплуатации ее под переменными нагрузками.
Термическая правка металла. Различные деформации, возникающие после сварки, исправляют термической правкой (см. рис. 6, д). Термическая правка производится путем воздействия местного источника теплоты на деформируемый участок. Она широко используется, так как проста, удобна, дешева, позволяет исправлять общие и местные деформации. Термической правке можно подвергать металлы, обладающие достаточной пластичностью и не меняющие своих свойств в интервалах температур правки.
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.
При правке деформированную поверхность нагревают до 750-850 °С со стороны выпуклой части. Нагретый участок стремится расшириться, однако окружающий его холодный металл ограничивает эту возможность, в результате чего возникают пластические деформации сжатия. В зависимости от величины деформации нагрев производят несколько раз, начиная с максимальной точки прогиба и постепенно переходя к краю исправляемого участка. После охлаждения линейные размеры нагретого участка уменьшаются, что приводит к снижению или полному устранению деформаций.
В случае деформации тонкого листа, приваренного к массивной раме, правку можно осуществлять путем нагрева металла в симметрично расположенных точках с выпуклой стороны листа. Нагрев следует начинать от центра выпуклости.
Деформации в листовых конструкциях успешно устраняются с помощью местного нагрева с одновременной правкой металлическим или деревянным молотком.
Термическая правка широко используется на производстве, поскольку она проста, удобна, дешева 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.
Термическая обработка сварных соединений. Термическую обработку применяют для снятия сварочных напряжений и улучшения структуры. Используют следующие основные виды термической обработки: высокий отпуск, нормализацию, аустенизацию.
Наиболее часто применяют высокий отпуск (нагрев до 650 °С, выдержка до 3 мин на каждый миллиметр толщины, медленное охлаждение на воздухе). Режим охлаждения в основном зависит от химического состава стали. Чем больше содержание элементов, способствующих закалке, тем меньше должна быть скорость охлаждения.
Отпуск после сварки, обычно применяемый для выравнивания структуры шва и зоны термического влияния, также снижает внутренние напряжения. Отпуск может быть общим, когда нагревается все изделие, и местным, когда нагревается лишь зона сварного соединения. Преимущество общего отпуска состоит в том, что снижение напряжений происходит во всей сварной конструкции независимо от ее сложности. Технологическая операция отпуска состоит из четырех стадий: нагрев; выравнивание температуры по длине и сечению изделия; выдержка при температуре отпуска; охлаждение.
Нормализацию применяют главным образом для сварных соединений труб из легированной стали диаметром до 100 мм и небольшой толщины. Она заключается в нагреве изделия до более высокой температуры, чем при высоком отпуске (для низколегированных сталей 900-950 °С), выдержке в течение нескольких минут и охлаждении на воздухе.
Аустенизацию применяют для получения в сварных соединениях из хромоникелевых нержавеющих сталей однородной структуры аустенита, улучшения механических свойств (пластичности) и снижения сварочных остаточных напряжений (на 70-80%).
После окончания термообработки проверяют ее качество путем измерения твердости наружной поверхности сварных соединений или контрольных соединений и образцов, вырезанных из конструкции.