Методы уменьшения деформаций и перемещений от сварки

Меры по уменьшению деформаций и перемещений от сварки предусматриваются на всех этапах проектирования и изготовле­ния большинства сварных конструкций.

На стадии разработки проекта нужно принимать такие конструктивные решения, которые бы позволили технологу избежать значительных искажений сварной конструкции и орга­низовать при необходимости правку.

1. Назначают минимальные объемы наплавляемого металла; сечения угловых швов следует принимать по расчету на прочность или в соответствии с рекомендациями о минимальных катетах швов. Площадь поперечного сечения и погонная энергия при одно­проходной сварке, усадочная сила и поперечная усадка обратно пропорциональны квадрату катета шва k².

2. Используют способы сварки с минимальным тепловложением, например контактной вместо дуговой, многопроходной вместо однопроходной. При назначении вида сварки следует иметь в виду допустимые скорости охлаждения металла и не превышать их.

3. Балочные конструкции проектируют с таким поперечным сечением и расположением швов, чтобы моменты, создаваемые уса­дочными силами, были уравновешены, а углы излома  от попереч­ных швов взаимно компенсировали прогибы. Это обеспечивает минимальный изгиб балок. Сварные швы необходимо располагать как можно ближе к осям, проходящим через центр тяжести сечения, для уравновешивания деформаций. Каждую пару параллельных швов располагают симметрично относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения, для уравновешивания деформаций.

4. Следует стремиться к таким последовательностям сборочно-сварочных операций, при которых моменты инерции и площади поперечных сечений во время выполнения тех или иных швов были по возможности максимальными. Например, последовательное наращивание элементов в сложных конструкциях дает большие искажения размеров, чем сборка всей конструкции на прихватках, а затем сварка.

5. В некоторых случаях целесообразно обеспечить свободное сокращение элементов от усадки, чтобы не вызывать искажений конструкции в целом. Например, нахлесточное, еще не сваренное соединение позволяет смещаться листам, не передавая остальной части конструкции усадку. Стыковое соединение листов выполняют до прикрепления их к другим частям конструкции, обеспечивая возможность беспрепятственной поперечной усадки швов.

6. Необходимо предусматривать в кондукторах зажимы, обеспечивающие свободное перемещение детали в их плоскости по направлению поперечной усадки, и задерживающие повороты деталей.

7. В конструкциях с тонкостенными элементами швы распола­гают либо на жестких элементах, либо вблизи них.

8. Во всех случаях, когда есть опасение, что возникнут неже­лательные искажения размеров и формы конструкции, проектиро­вание ведут так, чтобы обеспечить возможность последующей правки.

При разработке технологии и осуществлении свар­ки используют следующие мероприятия.

1. Применяют рациональную последовательность сборочно-сварочных операций, которая либо предусмотрена проектом конструк­ции, либо выбрана технологом в пределах имеющихся у него воз­можностей. Например, конструкцию расчленяют на отдельные узлы, которые могут быть по отдельности легко выправлены, а за­тем сварены между собой с минимальными отклонениями. Опре­деленной последовательностью наращивания элементов сложной балочной конструкции также можно уменьшить искажения. Сборку целесообразно вести от наиболее жесткого элемента.

Наложение швов производят в таком порядке, чтобы деформации от пре­дыдущего шва ликвидировались обратными деформациями после наложе­ния последующего шва. Этот способ может быть использован при симметричном расположении швов (рис. 41).

Рисунок 41. Уравновешивание деформа­ций:

а - при изготовлении сварной двутавровой балки, б - при выполнении сварного стыкового многослойного шва, в - при наплавке валика продольными швами; 1-6 - последо­вательность наложения швов

В случае сварки симметричной двутавровой балки (рис. 42) при выполнении первыми поясных швов 1-2, соединяющих вертикальную стенку с нижним поясом, деформации будут такие же, что и при сварке тавровых балок. Вертикальная стенка балки изогнется в плоскости, нижний пояс получит вогнутость, а верхний - выпу­клость. Максимальный прогиб, допустим, определится отрезком 1. После кантовки выполнение швов 3-4, соеди­няющих стенку с верхним поясом, приведет к некоторому уменьшению стрелки прогиба f, полученной от первых двух швов. Но полного устранения прогиба произойти не может, так как жесткость системы после наложения швов 1-2 станет больше. Поэтому останется прогиб такого же знака, что и полученный от швов 1-2 (отре­зок 3). Следовательно, сваренный в указанной последовательности двутавр будет иметь прогиб с вогнутостью того пояса, который приваривался первым. Меньшие де­формации можно получить, если чередовать сварку отдель­ных участков швов то с одной, то с другой стороны стенки.

Рисунок 42. Деформация сварной двутавровой балки

При автоматической сварке двутавровой балки (рис. 42) для получения прямой балки можно рекомендовать следую­щее: швы 1-2 выполнять на большой скорости при мень­шем, чем требуется по чертежу, сечении швов, затем выполнить швы 3-4 полным сечением и после вторичной кантовки перекрыть швы 1-2 до требуемого размера.

Избежать изгиба двутавровой балки в вертикальной плоскости можно, выполняя одновременно оба поясных шва с одной стороны стенки (например, швы 1-3) при горизонтальном положении балки, затем швы с другой стороны стенки (2-4).

После сварки швов 1-3 возникнет незначительная деформация балки в горизонтальной плоскости в напра­влении от швов 2-4 вправо, а после сварки швов 2-4 эта деформация несколько уменьшится. Остаточная дефор­мация в горизонтальной плоскости будет небольшой, так как первые и вторые швы располагаются почти по оси балки.

При ручной и механизированной сварке швы большой протяженности рекомендуется выполнять обратноступенчатым спосо­бом, так как внутренние усилия, порождаемые усадкой на участках шва, действуют на сравнительно небольшие области металла, и на соседних участках они направлены в противоположные стороны.

Сварные конструкции следует изготовлять так, чтобы замыкающие швы, создающие жесткий контур, заваривались в последнюю оче­редь. Сварку нужно вести от середины конструкции к ее краям. Каждый последующий шов при многослойной сварке рекомендуется накла­дывать в направлении, обратном направлению предыдущего шва. При сварке полотнищ из отдельных листов (рис. 43, а) в пер­вую очередь нужно выполнять поперечные швы отдельных поясов, чтобы обеспечить их свободную усадку, а затем сваривать пояса между собой продольными швами. В противном случае возможно образование трещин в местах пересечения поперечных и продоль­ных швов. При сварке двутавровых балок (рис. 43, 6) в первую очередь выполняют стыковые соединения стенок и полок, а затем — угловые поясные швы. При сварке цилиндрических сосудов из нескольких обечаек (рис. 43, в) сначала выполняют продольные швы обечаек, а затем обечайки сваривают между собой кольцевы­ми швами.

Рисунок 43. Последовательность наложения швов (1 - 8) при сварке:

а - полотнищ из отдельных листов, б - двутавровой балки,

в - цилиндрическо­го сосуда

2. Назначают экономичные способы и режимы сварки с мини­мальным тепловложением и таким характером искажений, который безвреден для качества конструкции. Например, если недопустим излом длинной трубы в зоне кольцевого шва, то применяют много­проходную сварку. Регулированием скорости охлаждения и хими­ческого состава металла шва изменяют характер структурных пре­вращений и усадочную силу.

3. Производят сварку деталей в закрепленном положении и в кондукторах. Применяют соответствующую оснастку и приспособления для сборки и закрепления свариваемых элементов. Они особенно эффек­тивны для ликвидации временных перемещений, которые значи­тельны по размеру, но не сопровождаются большими усадочными силами, например прижатие тонких листов при сварке стыковых соединений, закрепление ребер и диафрагм при выполнении угло­вых швов, удержание листа в плоскости при контактной точечной и шовной сварке, фиксация элементов рамы при сварке ее в углах и пересечениях.

Жесткое закрепление обеспечивается прикре­плением балок перед сваркой к плите, стеллажам (рис. 44, а) или временным соединением свариваемых балок свободными кромками на прихватках (рис. 44, б).

Рисунок 44. Закрепление тавровых балок для предупреждения остаточных деформаций: а — предварительный упругий вы­гиб; б — жесткое закрепление при помощи прихваток

Вследствие жесткого закрепления увеличивается пла­стическая деформация в зоне шва, а это может значительно снизить остаточный прогиб и довести его до таких разме­ров, что последующее исправление балок не потребуется.

4. Назначают размеры заготовок с учетом последующей усадки, например выставление переменного по длине зазора при электро­шлаковой сварке (рис. 45, а), компенсация угла при сварке сты­ковых соединений (рис. 45, б), создание предварительной кривизны балки (рис. 45, в) путем выкраивания стенки с кривизной, натя­жение  (рис. 45, г) или термическое удлинение _т стенки двутавра (рис. 45, д), чтобы она при последующей усадке не потеряла устой­чивости.

Рисунок 45. Создание перемещений, противоположных сварочным

5. Предварительной пластической деформацией заготовок перед сваркой создают перемещения, противоположные ожидаемым при сварке (метод обратного выгиба). Например, изгибают полки, чтобы уменьшить грибовидность от укладки продольных швов в балке, раскатывают края обечаек перед сваркой кольцевых швов, изгибают в штампах края отверстий в оболочках, чтобы компенсировать последующее пере­мещение соединения к оси оболочки.

Рисунок 46. Обратные деформации:

а — при сварке тавровой балки; б — при приварке полки балки; в — при свар­ке листов встык; а₁, б₁, в₁, — состояние элементов после сварки

Обратный выгиб свариваемых кромок широко приме­няется для борьбы с угловыми деформациями стыковых соединений. Так, в случае сварки двух листов небольшой ширины с V-образной подготовкой кромок, для предо­твращения угловых деформаций свариваемые листы перед сваркой располагают под некоторым углом относительно друг друга. При этом угол предварительного выгиба берется равным углу , т. е. ожидаемой угловой деформа­ции (рис. 47), но с противоположным знаком. Предвари­тельный выгиб определяется опытным путем или расчетом. После сварки, когда произойдут угловые деформации, равные углу , листы окажутся в одной плоскости.

Рисунок 47. Обратный выгиб свобод­ных и закрепленных листов:

не­большой ширины (а); большой ширины (б)

При сварке встык с V-образным швом листов большой ширины, когда уложить их, как показано на рис. 47, а, не представляется возможным, листы можно уложить на плиту, осуществив предварительный выгиб сваривае­мой кромки посредством подкладок под стык (рис. 47, б).

Для предотвращения деформаций из плоскости поясов тавровых или двутавровых сечений применяют приспо­собления, при помощи которых производится упругая или пластическая деформация пояса. При упругом выгибе пояса приспособления устанавливаются на расстоянии 500-600 мм друг от друга, и после осуществления выгиба остаются на изделии во время сварки до полного охла­ждения шва (рис. 48, а). При пластической деформа­ции пояса приспособление ис­пользуется только для осуществления выгиба (рис. 48, б), после чего оно снимается и производится сварка балки.

Рисунок 48. Предупреждение дефор­маций из плоскости поясов ба­лок:

а - упругий выгиб; б - пла­стический выгиб

Наряду с упругим выгибом тавровых балок (рис. 48, а) применяется пластический обратный выгиб, заключающийся в том, что вертикальной стенке при заго­товке в плоскости стенки по всей ее длине придают выгиб в сторону, обратную ожидаемым деформациям. Затем вертикальная стенка прихватывается к поясу и произво­дится сварка. Предварительный выгиб определяется опыт­ным путем или расчетом.

При сборке деталей следует избегать прихваток, которые создают жесткое закрепление деталей и способствуют возникновению зна­чительных остаточных напряжений. Лучше применять сборочные приспособления, допускающие некоторое перемещение деталей при усадке металла.

6. Искусственным охлаждением — подачей воды при контакт­ной сварке, обдувом газоводяной смесью при некоторых других способах сварки, использованием охлаждаемых подкладок и на­кладок в зажимных приспособлениях — уменьшают зону пласти­ческих деформаций.

Характер распределения тем­ператур при искусственном охлаждении стыкового шва водой во время сварки показан на рис. 49 (кривая 1). По кривой видно, что при интенсивном охлаждении уча­сток пластической деформации соединения значительно уменьшается по сравнению с участком пластических деформаций соединения, выполненного без охлаждения (кривая 2).

Рисунок 49. Распределение температуры и размеры участков пластических де­формаций при искусствен­ном охлаждении и без ох­лаждения

Искусственное охлаждение для уменьшения остаточных деформаций может быть применено только при сварке низкоуглеродистых незакаливающихся ста­лей. При сварке закаливающихся сталей применение искусственного охлаждения для уменьшения остаточных деформаций недопустимо.

7. Создают в зоне сварки с помощью приспособлений или спе­циальных установок напряжения растяжения (обычно путем из­гиба, реже растяжением), чтобы уменьшить усадочную силу. Такой прием используют при сварке балок. При сварке по растянутому ме­таллу (см. рис. 50) возникает меньшая усадочная сила. Если прикладываемые начальные напряжения в зоне сварки близки к пре­делу текучести металла, усадочная сила, а, следовательно, и вызывае­мые ею деформации будут незначительны. При сварке тонкого ме­талла ограничиваются растяжением лишь в зоне шва, упруго изги­бая лист в двух направлениях.

Рисунок 50. Предварительный изгиб балки

8. Создают непосредственно после сварки пластические дефор­мации удлинения проковкой металла специальным инструментом или сварочным электро­дом при точечной кон­тактной сварке. Метод эффективен для пластичных металлов.

Когда деформации сварных изделий выходят за пределы допустимых, возникает необходимость их исправления правкой. Для правки конст­рукций после сварки используют различные механические и терми­ческие способы.

Механические спосо­бы основаны на созда­нии пластических деформаций удлинения с целью компенсации пластических деформаций укорочения, вызванных сваркой, и включают гибку, растяже­ние, проковку, статическое осаживание металла по толщине под прессом для его удлинения в плоскости, вибрацию, прокатку. При этом не стремятся к тому, чтобы обеспечить равномерное уменьше­ние пластических деформаций и остаточных напряжений в зоне сварного соединения. Необходимо, чтобы усадочная сила стала близкой к нулю.

Иногда при механической правке используют молоты, дом­краты, винтовые прессы или другие устройства, при этом создается ударная или статическая нагрузка, которую обычно прилагают со стороны наибольшего выгиба изделия (рис. 51). Эта правка довольно трудоемка, а неправильное ее выполнение может привести к обра­зованию трещин и надрывов.

Рисунок 51. Механическая правка сварной тавровой балки

приложением стати­ческой нагрузки

Деформации в тонколистовых сварных конструкциях устраняют прокаткой зоны сварного соединения цилиндрическими роликами. Прокатка создает пластическую деформацию металла по толщине и приводит в основном к удлинению металла в продольном и отчасти в поперечном направ­лении. В подавляющем большинстве случаев остаточные пластиче­ские деформации, вызванные сваркой, сосредоточены только в шве и околошовной зоне, т. е. на участке сравнительно небольшой ширины 2b_п. В остальных частях сварной конструкции деформа­ции упругие. Чтобы устранить деформации во всем изделии, доста­точно создать при прокатке пластические деформации, равные по значению, но противоположные по знаку сварочным только в пре­делах зоны 2b_п.

Прокатка производится стальными роликами шириной 5-15 мм. Поскольку удлинение металла в поперечном направлении невелико, то устраняются деформации, вызванные продольной усадкой. После прокатки в разных режимах растягивающие напряжения могут понизиться, оказаться близкими к нулю или даже перейти в сжимающие.

Оста­точное напряжение в прокатанной зоне зависит от многих факторов. Экспериментально и расчетным путем показано, что для каж­дого металла при заданных размерах роликов и толщине металла в зоне прокатки существует определенное усилие на ролики Ро, при котором остаточные напряжения, примерно равные до про­катки пределу текучести, снижаются после прокатки до нуля. Уто­нение металла при этом составляет около 0,5-1 %.

где Ро — усилие на ролики; d — диаметр роликов; b — ширина рабочего пояска роликов; s — толщина металла в зоне прокатки; _т — предел текучести металла в зоне прокатки; Е — модуль упру­гости.

Вычисленное по этой формуле усилие на ролики Ро должно уточ­няться при правке конкретного изделия.

В случае невозможности прокатать шов и околошовную зону за один проход ролика, прокатку осуществляют более уз­ким роликом, начиная со шва, с переходом на околошовную зону. Если шов или часть околошовной зоны недоступны для про­катки, то можно добиться устранения усадки шва за счет уве­личения усилия прокатки доступной части. При этом в прока­танной части создаются напряжения сжатия, а в непрокатанной части сохраняются растягивающие напряжения.

Если прокатка не дает достаточного исправления, то ее можно повторить. Повторная прокатка по одному и тому же месту при не­изменном усилии вызывает затухающую пластическую деформа­цию, составляющую не более 10-15 % от деформации предыдущего пропуска. Для получения большей пластической деформации при повторных прокатках следует повысить усилие. Механическая правка прокаткой требует высокого качества сборки перед свар­кой и определенной очередности сборки, сварки и правки. Если сварка одного из швов не ухудшает качества сборки второго, то исправление может выполняться после сварки обоих швов.

Устранение деформаций прокаткой осуществляется на элементах толщиной до 8-12 мм, но возможно и на больших толщинах. Для получения равномерной пластической деформации металла по тол­щине отношение d/s не следует принимать менее 15-20. Прокатка может применяться на изделиях из сталей, титановых и алюминиевых сплавов. Не рекомендуется применять прокатку для конструк­ций из малопластичных материалов. При наличии коррозионной среды требуется проверка влияния прокатки на коррозионную стойкость сварных соединений.

Механическая правка применяется для листов, имеющих деформацию в пло­скости (серповидный прогиб, рис. 52, а). В этой детали сжатой окажется кромка с вогнутостью, поэтому при ручной ее правке деталь размещается на плите, и ударами через гладилку осуществляется пластическая деформация растяжения сжатой части детали до тех пор, пока деталь не примет требуемую форму. При механической правке такой детали на вальцах между верхними валками и сжатой частью детали располагают полосу, через которую передается усилие для растяжения сжатой части.

Рисунок 52. Механическая и термическая правка листовых деталей

При необходимости правки листа с деформацией из плоскости (выпучина в середине листа, рис. 52, б), начиная проколачивание от краев и перемещаясь к месту расположения выпучины, постепенно растягивают сжатые волокна. Применение последовательности правки, указанной на рис. 52, б, обеспечивает постепенное растяжение средней сжатой части листа и устранение выпучины.

Термические способы также основаны на создании пластических деформаций необходимого знака. При местных нагревах (так на­зываемая термическая правка) создают пластические деформации укорочения. Это означает, что нагрев, как правило, должен проводиться вне зон пластических деформаций, возникших при сварке. Например, в изогнутых балках нагревают более длинную сторону (рис. 53, а) и вызывают обычную усадку металла, как при сварке. Усадочная сила после местного нагрева выпрямляет балку. В ли­стах, потерявших устойчивость от напряжений сжатия (рис. 53, б), создают нагревы и усадку в зонах сжатия. Сокращение листа в результате термической правки и последующего остывания обес­печивает его выпрямление. Углеродистые стали обычно нагревают газовым пламенем до 600-800 °С. Нагрев ведут пятнами или по­лосами. Необходимо стремиться к кратковременному и концентри­рованному нагреву, чтобы соседние зоны оставались ненагретыми и сопротивлялись расширению нагретого металла, вызывая в нем усадку.

Рисунок 53. Использование местного нагрева для создания усадки металла

Для устранения деформаций листов (рис. 52, а) достаточно произвести местный нагрев нескольких участков от се­редины растянутой зоны выше температуры пластических деформаций. В связи с тем, что нагреваемые участки не могут свободно удлиняться, в них произойдет пласти­ческая деформация сжатия и укорочение длины нагревае­мого участка, за счет чего по завершении термического цикла нагретая кромка укоротится, и деформации в плоскости будут ликвидированы. Предпочтителен нагрев горелкой, поль­зуясь которой легче обеспечить нужную температуру (в пределах 700-800 °С) и форму нагрева.

При термической правке детали, показанной на рис. 52, б, имеющей выпучину, нагрев производится в виде окружностей диаметром 30-60 мм, желательно со стороны выпучин. Нагрев производится в шахматном порядке. При правке тонколистовых деталей сразу же после нагрева окружность проколачи­вается деревянным мо­лотком при наличии с другой стороны листа поддержки, чем дости­гается большое укоро­чение в зоне нагрева.

После охлаждения размер нагретой окруж­ности по диаметру уменьшается, в ней воз­никают напряжения растяжения, которые совместно с укороче­нием и приводят к лик­видации выпучины.

Исправление деформации сварной тавровой балки (рис. 54, а) производят нагревом выпуклой части вертикальной стенки. Поло­сы нагрева шириной 20-30 мм сходятся под углом 30°. При прав­ке сварного швеллера (рис. 54, 6) помимо треугольных участков, располагаемых на обеих полках, производят нагрев нескольких полос на его стенке. Схема правки сварной рамы из швеллеров показана на рис. 54, в, а двутав­ровой балки (правка угловых де­формаций) - на рис. 54, г. Нагре­вать нужно ту поверхность, по­следующее сжатие которой при­даст изделию правильную форму.

Рисунок 54. Расположение участков нагрева при термической правке:

1 - зона нагрева

Листовые элементы иногда после нагрева осаживают молотками на плоскость. Так как нагретый металл имеет низкий предел текучести, то он легко осаживается, и в нем при этом возникают пластические деформации укорочения.

Термическая правка путем общего нагрева детали при отпуске без использования приспособлений невозможна, так как напряжения снижаются как в зонах растяжения, так и в зонах сжатия. Равно­весие сил почти не нарушается, а следовательно, перемещения сохраняются. Если детали с помощью жесткого приспособления придать нужную форму, а затем поместить ее вместе с приспособ­лением в печь, то будет происходить релаксация напряжений до низкого уровня. При освобождении детали из приспособления после отпуска она не деформируется и сохраняет ту форму, которую ей придали. К этому, довольно дорогому способу правки прибегают в тех случаях, когда другими методами не удается добиться необхо­димого эффекта. Недостатком способа также является необходимость использования достаточно жестких зажимных приспособлений из жаростойких металлов и сплавов.

О результатах термической правки можно судить лишь после полного осты­вания конструкции. Успех правки зависит от квалификации и опыта правщика, так как технологу трудно регламентировать и контролировать все пара­метры правки. Благодаря простоте, универсальности и маневрен­ности термическая правка нашла широкое применение в произ­водстве.

Термомеханическая правка заключается в сочетании местно­го нагрева с приложением стати­ческой нагрузки, изгибающей исправляемый элемент конструк­ции в нужном направлении (рис. 55). Эта нагрузка может создаваться домкратами, пресса­ми и другими устройствами. При­менение дополнительного усилия способствует более интенсивному воздействию нагрева. Такой способ обычно применяют для правки жестких сварных узлов.

Рисунок 55. Термомеханическая правка сварной балки с применением

домкрата: 1 - опоры, 2 - места нагрева, 3 - дом­крат

Однако правка всегда является вынужденной операцией. Необходимо путем анализа всех моментов изготовления конструкций заранее предусмотреть в технологическом процессе специальные мероприятия, позволяющие исключить или свести к минимуму возможность появления деформаций в сварных изделиях.