§ 3. Способы уменьшения сварочных деформаций и перемещений

Все мероприятия по уменьшению деформаций можно разде­лить на три группы в зависимости от того, применяются ли они до сварки, в процессе сварки или после нее.

Мероприятия, применяемые до сварки: 1) рациональное конструирование сварного изделия включа­ет уменьшение количества наплавленного металла, назначение видов сварки с малой погонной энергией, симметричное относи­тельно центра тяжести сечения расположение швов и др.

12 82а 17?

Применение типов сварных соединений (например, внахлестку), позволяющих компенсировать усадку от других швов;

2) назначение начальных размеров и формы заготовок, их взаимное расположение с учетом последующей усадки, напри­мер, угловой излом (рис 7-5, а) или переменный по длине шва зазор;

3) создание деформаций удлинения и напряжений растяже­ния в зоне сварного соединения путем изгиба или растяжения изделия в приспособлениях (рис. 7-5,6). Закрепления снимаются после завершения сварки и остывания;

4) создание деформаций и перемещений, обратных свароч­ным, путем пластического деформирования элементов. Сварка производится без приспособлений. Разновидностью этого приема является подогрев листов, которые затем собираются на при-

Q, $) б)

г 2

Рис, 7-5. Примеры использования способов, уменьшающих сварочные де­формации

хватках с холодным каркасом. Удлинение листов от нагрева компенсирует возникающие в дальнейшем при сварке деформа­ции укорочения и предотвращает потерю их устойчивости.

Мероприятия, используемые в процессе •сварки:

1) снижение погонной энергии сварки при назначении более экономичных режимов;

2) уменьшение площади зоны пластических деформаций пу­тем искусственного охлаждения, например водой;

3) закрепление изделий в приспособлениях. Положительный эффект достигается при использовании жесткости приспособ­лений;

4) рациональная последовательность выполнения сборочно-сварочных операций. На рис. 7-5, в приведен пример последова­тельности сварки двутавровой несимметричной балки, когда вначале сваривают тавр швами 1 и 2, ближе расположенными к центру тяжести сечения, а затем швами 3 и 4;

5) создание в процессе точечной или роликовой сварки на­правленного смещения элементов, уменьшающего деформации сварного изделия;

178

6) регулирование величины усадочной силы в материалах, -испытывающих структурные превращения, применением режи­мов с оптимальной погонной энергией сварки в сочетании со специфическими свойствами металла. Напряжения сжатия в зо­не структурных превращений уравновешивают напряжения растяжения в остальной части зоны пластических деформаций, в результате чего усадочная сила заметно уменьшается или даже оказывается равной нулю.

Мероприятия, используемые после сварки:

1) создание путем пластической деформации в зоне сварного соединения перемещений, обратных сварочным (изгиб, растяже­ние, проковка, прокатка роликами, осадка металла по толщине под прессом и т. п.);

2) создание пластических деформаций укорочения путем местного нагрева (термическая правка);

3) устранение деформаций при высоком отпуске деталей в за­жимных приспособлениях.

Ниже рассмотрены некоторые конкретные приемы умень­шения деформаций, нашедшие распространение в произ­водстве.

Уменьшение временных перемещений при элек­трошлаковой сварке пластин встык может быть выполнено лишь по отношению к угловым перемещениям в плоскости пластин.

Перемещения кромок от их нагрева непосредственно в зоне ванны можно уменьшить лишь частично, уменьшая погонную энергию сварки. Поступательные перемещения пластин практи­чески уменьшить не удается вследствие большого сопротивления заваренного участка шва растяжению.

Угловые перемещения можно устранить или уменьшить не­сколькими приемами, однако во всех вариантах положительный результат достигается созданием изгибающего момента в пло­скости свариваемых деталей, например путем использования веса деталей (рис. 7-6). До тех пор, пока момент от внутренних усадочных сил не превзойдет момента от веса детали G{t_u пово­рот происходить не будет. В случае необходимости внешний мо­мент может быть увеличен за счет балласта.

В практике широкое применение нашел способ скрепления деталей скобами 2, сухарями 1 или через притупления кромок. Благоприятным является то, что угловые перемещения наиболее значительны в начальный период сварки, когда длина заварен­ного шва h еще мала и противодействующие силы и моменты способны вызвать пластическую деформацию заваренного участ­ка. Приближенно необходимый момент для образования пласти­ческого шарнира в шве можно вычислить по формуле

179

где h — длина заваренного шва (рис. 7-6); s — толщина металла;

о —предел текучести металла при температуре нижней ча­сти шва, Коэффициент 2/3 перед о в формуле (7.3) приближенно учи­тывает понижение предела текучести металла в верхней части шва в области более высоких температур.

Применение зажимных приспособлений для уменьшения сварочных перемещений имеет разную эффектив­ность в зависимости от конкретных условий. На стадии сборки и прихватки элементов, когда перемещения могут быть значи­тельными, зажимные приспособления весьма эффективны. Они

фиксируют проектное по-'_ .2 ложение деталей. Вполне

оправдано использование зажимных приспособле­ний при сварке встык лис­тов толщиной до 6-^-8 мм. В этом случае приспособ­ление не позволяет ли­стам перемещаться в пло­скости, плотно прижима­ет кромки к подкладке и обеспечивает устойчи­вость. Последнее достига­ется на листах толщиной 1 — 3 мм, если усилие прижима одной кромки приспособлением составляет около 15—20 кГ на 1 см длины.

Нередко приспособления используют для уменьшения изгиба конструкций типа балочных, давая остывать балкам после свар­ки в приспособлении. Такое использование приспособлений неэф­фективно, так как уменьшение кривизны балки по сравнению со случаем сварки ее вне приспособления крайне мало. Даже при использовании абсолютно жесткого приспособления, момент инерции которого может считаться бесконечно большим, кривиз­на балки С_ир — -п при сварке ее в приспособлении составляет

значительную величину, по сравнению с кривизной С при сварке без приспособления

o_1Tp - J₆

Рис. 7-6. Пример использования веса де­тали и скоб для уменьшения деформа­ций при электрошлаксшой сварке

С.

(7.4)

где /_а —момент инерции поперечного сечения балки относитель­но оси изгиба; /_я — момент инерции площади зоны пластических деформа­ций относительно центра тяжести поперечного сечения балки.

180

Так как обычно в конструкциях /_б значительно больше /„, то коэффициент при С близок к единице.

Термическая правка сварных конструкций местным нагревом основана на использовании тех же явлений,- которые имеют место при сварке. Благодаря простоте, универсальности \\ маневренности термическая правка находит в производстве достаточное применение. Нагрев стальных изделий обычно осу­ществляют газовым пламенем. Температура нагрева для угле­родистых сталей составляет 600—800° С. Нагреву подвергаются

а)

^3^^^^^^=^^

г__I—t 7

Рнс. 7-7. Использование термической

правки путем нагрева для устранения

остаточных деформаций и перемещений

от сварки

такие места в конструкции, после усадки которых должны воз­никнуть перемещения, компенсирующие сварочные деформации. По типу нагреваемых зон конструкции, подвергаемые термиче­ской правке, могут быть условно разделены на две группы:

1) конструкции, в которых необходимо править листовые элементы, потерявшие устойчивость от напряжений сжатия;

2) прочие конструкции главным образом балочного и рам­ного типа, в которых появились деформации изгиба.

Избыток площади в листах, потерявших устойчивость, устра­няется путем местного нагрева листа пятнами, расположенными в различных местах (рис. 7-7, а). Пятна могут быть круглыми или в виде полосы в зависимости от характера усадки, которую необходимо получить. Во время нагрева пятна необходимо стре­миться к концентрированному разогреву, чтобы окружающий

181

металл был по возможности менее нагрет. Тогда он будет ока­зывать сопротивление расширению нагретой зоны, вызывая в ней пластические деформации. Нагрев остальных пятен можно про­изводить, не ожидая остывания листа. О результатах правки можно судить лишь после полного остывания листа.

Для устранения изгиба балочных и рамных конструкций изо­гнутый элемент нагревается с выпуклой стороны. Зона нагрева может располагаться как вдоль элемента, так и поперек его. (рис. 7-7,6, в). В первом случае используется эффект продоль­ной усадки, во втором— поперечной. Нагрев может выполняться и клиновидной формы (рис. 7-7,е). Поперечные нагревы выпол­няют в нескольких местах по длине балки. Объем нагреваемого металла устанавливают обычно непосредственно в процессе правки по результатам предыдущих нагревов.

Определение мест нагрева в поперечном сечении должно про­изводиться с учетом расположения их относительно главных центральных осей /—/ и 2—2 (рис. 7-7,г). В случае продольно­го нагрева, показанного на рис. 7-7, г темным пятном, изгиб

определяют по формуле, включающей отношение -j-,

f~ -g^p (7. 5

где е — расстояние от зоны нагрева до центра тяжести сечения; I— длина зоны нагрева; /—момент инерции сечения. Для определения плоскости изгиба необходимо найти значе­ния величин -у- и -f- и построить векторную диаграмму

(рис. 7-7,г). Положение суммарного вектора / sсовпадает с по­ложением плоскости изгиба.

Упругое предварительное деформирование деталей в приспособлениях производится так, чтобы зона сварки оказалась расположенной в зоне растягивающих напряжений. Сварка по напряженному металлу приводит к уменьшению вели­чины усадочной силы, действующей на конструкцию после свар­ки. Вследствие этого уменьшается величина изгиба и укороче­ния. На рис. 7-8, а показана эпюра остаточных пластических де­формаций укорочения в широкой пластине при сварке без растя­жения. Усадочная сила пропорциональна площади ABB'А'. При наличии предварительно созданных деформаций удлинения Де (рис. 7-8, б) остаточные пластические деформации укорочения будут выражаться площадью СВВ'С. Следовательно, усадочная сила будет заметно меньше. В случае Де —е_т усадочная сила равна нулю.

Прием предварительного деформирования в приспособлений' может использоваться н на цилиндрических оболочках при;

182

сварке кольцевого шва (рис. 7-8, б). Если с помощью распорного

кольца создать предварительные деформации удлинения е_гаах, близкие к е_т, в некоторой зоне шириной 2Ь, превышающей по ширине зону пластических деформаций при сварке 2£>_п, то после остывания остаточные пластические деформации укорочения будут близки к нулю и окружного сокращения оболочки не произойдет.

Устранение деформаций в тонколистовых конструкциях путем прокатки зоны сварного соединения цилиндрическими роликами основано на создании пластической деформации металла по толщине. Эта деформация приводит к удлинению металла в зоне прокатки в продольном и попсрсч-

0)

£тах ~ £т

Рис. 7-8. Примеры использования метода предварительного упругого де­формирования для уменьшения остаточных напряжений и перемещений

ном направлениях. В подавляющем большинстве случаев оста­точные пластические деформации, вызванные сваркой, сосредо­точены только в шве и околошовной зоне, т. е. на сравнительно небольшом участке шириной 2Ь_П. В остальных частях сварной конструкции деформации являются упругими. Поэтому доста­точно создать при прокатке пластические деформации, равные по величине, по противоположные по знаку сварочным только в зоне 2&_п, чтобы устранить деформации во всем изделии.

Прокатка шва и околошовных зон производится стальными роликами шириной 5~н15 мм. Она в основном устраняет дефор­мации, вызванные продольной усадкой; удлинение металла в по­перечном направлении невелико и не компенсирует поперечную усадку от сварки.

На рис. 7-9,о, б, в, г показано, что после прокатки остаточ­ные напряжения растяжения и_х могут понизиться, оказаться близкими к нулю или даже перейти в напряжения сжатия.

Величина остаточного напряжения о_кон в прокатанной зоне зависит от многих факторов. К основным из них относятся:

183

1) усилие при прокатке на ролики Р, кГ\

2) диаметры роликов и ширина рабочего пояска роликов' d и 6, см;

3) толщина металла в зоне прокатки s, см;

4) механические свойства металла в зоне прокатки (предел текучести а_т и модуль упругости Е), кГ/см²;

5) начальные остаточные напряжения в металле перед про­каткой а,,.,,,, кГ/см²;

6) жесткость прокатываемого изделия или узла.

Рис. 7-9. Изменение продольных напряжений а_х при различных приемах про­катки зоны сварного соединения

Связь между напряжениями в металле и параметрами режи­ма прокатки узкими роликами выражается следующей фор­мулой:

Р² 6,7 </$д_т (д_кон — д_т)з (а_иач — 1,5 а_кон + 0,5д_т) ₍₇ г\

ь- £(0,7=_т + о,;ь_нач) . ■ <^/д>'

При известных параметрах режима прокатки и сг_иач по фор­муле (7.6) можно определить остаточное напряжение после прокатки а_кт. Формула (7.6) справедлива, если о_кт 2>—0,7 <г_т.

Экспериментально и расчетным путем показано, что для каж­дого металла при заданных размерах роликов и толщине метал­ла в зоне прокатки существует определенное усилие на роли­ки Л), при котором остаточные напряжения, примерно равные до прокатки пределу текучести, снижаются после прокатки до нуля. Утонение металла по толщине при этом составляет око-

184

ло 0,5—1%. На основании формулы (7.6), если о_илх, ^а_г, я Скан^О, получена формула для определения Р₀

_Po._bym^l. ₍₇.₇₎

Вычисленное по формуле (7.7) усилие на ролики Р$ должно уточняться при исправлении конкретного изделия. Если имеются данные по оптимальным режимам прокатки конкретных сварных соединений из определенного материала, то при переходе с одно­го диаметра ролика d\ на другой d₂ или при изменении толщины металла можно определить усилие по следующим формулам:

^=*>■ Yb ⁽⁷-⁹⁾

где Ро, — оптимальное усилие прокатки но известному режиму.

Если ширина зоны пластических деформаций, вызванных сваркой, велика, а ролик узкий, то околошовную зону необходи­мо прокатывать последовательно (рис. 7-9, д). В случае невоз­можности прокатать всю зону пластических деформаций необ­ходимо создать перекат в зоне, доступной для прокатки, назна­чая Р>Ро, чтобы собственные напряжения были уравновешены в пределах узкой зоны и не передавали сжимающие усилия на остальную часть конструкции (рис. 7-9, е). Если в шве нежела­тельно снижать пластические свойства металла при прокатке, то тогда прокатывают при повышенных усилиях только околошов­ную зону, добиваясь устранения деформаций за счет напряже­ний сжатия в околошовпой зоне (рис. 7-9,ж). Для соединений внахлестку при $_рэсч =2.9 прокатка может применяться и для устранения деформаций от точечных сварных соединений.

У термообработанпых или наклепанных металлов после свар­ки предел текучести в зоне термического влияния может отли­чаться от исходного значения перед сваркой. Это обстоятель­ство необходимо учитывать при определении усилия прокатки.

Если прокатка по назначенному режиму не дает достаточно­го исправления, то можно производить повторную прокатку. 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 величины 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 нарушает качество

185

сборки второго, то исправление может выполняться после свар-ки обоих швов.

Устранение деформаций прокаткой может осуществляться на элементах толщиной до 8—12 мм и более. Для получения равно­мерной пластической деформации металла по толщине отноше­ние—г "е следует принимать менее 15 -г-20. Прокатка может

применяться на сталях различных классов, титановых и алюми­ниевых сплавах, а также па других материалах. Не рекоменду­ется применять прокатку конструкций из хрупких и малопла­стичных материалов. При наличии коррозионной среды требует­ся проверка влияния прокатки на коррозионную стойкость свар­ных соединений.

Устранение деформаций прокаткой зоны сварного соединения осуществляется на специализированном оборудовании, которое должно удовлетворять следующим основным требованиям;

1. Усилие на ролики должно быть неизменным в процессе прокатки. Это достигается использованием пневматических и гидравлических цилиндров давления,

2. Привод движения при прокатке дуговых швов, имеющих неровности, должен осуществляться на оба ролика. При прокат­ке только околошовных зон, а также роликовых и точечных со­единений внахлестку возможно применение механизмов с при­водом на один ролик.

3. Поверхности цилиндрических роликов должны иметь пря­молинейную образующую; края роликов на длине ~~1 мм закруг­лены, а оси их должны быть строго параллельны.