22 .Способы уменьшения сварочных напряжений и деформа­ций.

Существует много способов и приемов регулирования и уменьшения напряжений и деформаций, возникающих при свар­ке. Они могут быть использованы: на стадии проектирования сварной конструкции; на стадии, предшествующей сварке, и не­посредственно во время сварки; после завершения сварки и пол­ного остывания конструкции.

Из мероприятий, используемых на стадии проектирования сварной конструкции, прежде всего необхо­димо отметить меры, направленные на уменьшение массы (объе­ма) наплавленного металла. В результате снижения в этом случае количества и сечений стыковых и угловых сварных швов резко уменьшаются усадочная сила, сварочные пластические деформа­ции и напряжения. Снижение массы наплавленного металла в стыковых сварных соединениях можно получить за счет примене­ния рациональных форм и параметров разделки кромок. Так, ис­пользование Х- и К-образных разделок кромок вместо V-образных обеспечивает сокращение массы наплавленного металла.

Сборку элементов свариваемых конструкций необходимо выполнять с помощью прихваток или жестких сбо­рочных приспособлений и устройств. Оба способа закрепления собираемых под сварку деталей правомерны, и выбор того или иного способа определяют тип и размер конструкции, предъявля­емыми к ней требованиями и условиями ее изготовления. Сбор­ку элементов из тонколистового металла (3-5 мм), а также нахлесточных соединений независимо от каких-либо факторов практически всегда производят с использованием прихваток.

Сборка конструкций на прихватках позволяет значительно уменьшить наблюдаемые деформации и перемещения элементов конструкций в зоне сварки, что является важным фактором при изготовлении изделий сложной геометрической формы. Вместе с тем, при таком жестком закреплении кромок свариваемых эле­ментов в сварном соединении развиваются существенные напря­жения, которые целесообразно в последующем снижать соответ­ствующими технологическими приемами.

Сборка конструкций с помощью сборочных приспособлений и устройств обеспечивает более «мягкое» закрепление кромок со­предельных элементов, не препятствующее их перемещению, обусловленному нагревом и расширением металла в процессе сварки и усадкой металла шва. Такое перемещение элементов способствует снижению остаточных напряжений в конструкциях. Однако это приводит к усадке и закрытию зазора по мере про­движения сварочной дуги, что вызывает необходимость в прове­дении дополнительных операций по его восстановлению. Кроме того, не всегда применение сборочных приспособлений и уст­ройств позволяет выдержать требуемую геометрию сварной кон­струкции в целом.

П ри подготовке и сборке конструкций под сварку широкое распространение получил способ обратной деформации, который заключается в следующем. При сборке конструкций или элемен­тов искусственно создаются деформации, обратные по знаку ожидаемым при сварке. Примеры использования способа обрат­ных деформаций показаны на рис. 78. К этим же мероприятиям можно отнести и сборку стыковых соединений свариваемых эле­ментов с переменным по длине шва зазором с учетом его после­дующей усадки при сварке.

П оследовательность сварки отдельных швов конструкций необ­ходимо устанавливать таким образом, чтобы она не создавала жест­ких контуров и в максимальной степени обеспечивала возможность перемещения свариваемых элементов при усадке после сварочного нагрева (естественно, не вызывая заметного искажения формы). Исходя из этого, при сварке листовых конструкций в первую оче­редь выполняют поперечные швы отдельных поясов, а затем соеди­няют сваренные пояса между собой (рис. 79).

Уменьшение погонной энергии сварки снижает усадочную силу и деформацию, возникающие при сварке. Поэтому следует назна­чать и использовать способы и режимы сварки, обеспечивающие минимальные тепловложенния на один проход. По­скольку эффективная по­гонная энергия пропорцио­нальна сечению валика , то сварку не­обходимо выполнять на ре­жимах, формирующих ва­лики с возможно малыми поперечными сечениями. Многопроходная сварка в этом отношении имеет пре­имущество перед однопро­ходной.

Предварительный и сопутствующий подогревы свариваемых элементов уменьшают перепад температур между участками сварного соединения, что приводит к снижению возникающих напряжений. При подогреве до температуры 100—200°С остаточ­ные напряжения уменьшаются на 20-30% по сравнению со свар­кой без подогрева. Подогрев может быть общим, когда подогрева­ется все изделие, и местным. При местном подогреве нагревают участки металла шириной не менее 40-50 мм по обе стороны шва. Температура подогрева при ручной дуговой сварке толсто­листового металла ориентировочно составляет 100-120°С для конструкций из низкоуглеродистых сталей, и 150-200Х — из среднеуглеродистых и низколегированных сталей.

Резкое охлаждение свариваемых элементов сужает до воз­можного минимума ширину участка сварного соединения, нагре­ваемого в процессе сварки до температур, при которых возникают пластические деформации. Это приводит к снижению оста­точных деформаций в сварном соединении в целом. Разумеется, что искусственное охлаждение применимо только при сварке ста­лей, не склонных к образованию хрупких закалочных структур (низкоуглеродистых сталей, некоторых марок высоколегирован­ных сталей и сплавов).

Проковка металла шва и околошовных участков способствует значительному снижению остаточных сварочных напряжений растяжения. При проковке имеет место осадка металла в направ­лении его толщины, что вызывает расширение металла в перпен­дикулярном направлении, создавая напряжение сжатия. Проков­ку стали можно проводить по горячему металлу сразу после сварки (температура не менее 450°С) или после его остывания (температура не более 150°С). При многослойной сварке проков­ку осуществляют послойно, за исключением первого слоя из-за вероятности образования в нем трещин. Для проковки могут быть использованы пневматические молотки и зубила.

К мероприятиям по снижению напряжений и деформаций, выполняемым после завершения сварки и остыва­ния конструкций, можно отнести отпуск сварных конструкций, обра­ботку взрывом, правку.

Отпуск сварных конструкций применяют для изменения структуры и свойств металла, а также для эффективного сниже­ния остаточных напряжений. При отпуске различают стадии: по­догрева, выравнивания температур, выдержки при заданных тем­пературах, остывания. Наибольшее снижение напряжений проис­ходит на стадии нагрева, его определяет температура отпуска: чем выше температура отпуска, тем полнее устраняются остаточ­ные напряжения. Однако при этом могут наблюдаться процессы, приводящие к нежелательному изменению механических свойств сварных соединений. Тогда принимается компромиссное реше­ние.

Обработка взрывом сварных соединений позволяет создавать по аналогии с проковкой металла напряжения сжатия в металле шва и околошовных участках и является эффективным средст­вом снижения остаточных напряжений.

Правку конструкций производят в случае местных или общих деформаций сварных конструкций и изделий, выходящих за пре­делы требований проектной документации. Ее осуществляют ме­ханическим или термическим методами.