3285

ЛЕКЦИЯ 6

в)

Рис. 6.11. Деформация в плоскости листа:

а — укорочение вдоль продольного шва; б — выпучина в зоне пересечения швов (деформация вне плоскости листа); в — грибовидность полок двутавровой балки;

г— угловая деформация

6.3.2.Уменьшение сварочных деформаций

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. Сюда относятся:

—уменьшение количества наплавленного металла, например, за счет уменьшения площади разделки кромок под сварку (рис. 6.12); рассредоточения швов равномерно всему изделию, устранение наличия перекрещивающихся швов и т. п.;

—назначение видов сварки с малой погонной энергией q/V (q — тепловая мощность дуги, V — скорость сварки),

—симметричное относительно центра тяжести сечения расположение швов и др.,

71

СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

—применение типов сварных соединений (например, внахлестку), позволяющих компенсировать усадку от других швов, за счет изменения величины нахлестки,

—удаление швов от напряженных зон, возникающих при эксплуатации объекта.

Рис. 6.12. Примеры разделки кромок металла под сварку: а и б — односторонняя разделка Fa = S2;

в, г и д — двухсторонняя разделка 2Fв = 2S2; 2Fг = 1,1S2

2.Назначение начальных размеров и формы заготовок, их взаимное расположение с учетом последующей усадки, например угловой излом (рис. 6.13,а) или перемещенный по длине шва зазор (рис. 6.13, в).

3.Создание предварительных растягивающих деформаций и напряжений в зоне сварного соединения путем изгиба или растяжения изделия в приспособлениях (рис. 6.13, б). Закрепления снимаются после завершения сварки и остывания.

Рис. 6.13. Примеры способов уменьшения сварочных деформаций

Мероприятия, используемые в процессе сварки:

1. Снижение погонной энергии — q\V, т. е. увеличение скоростей сварки и уменьшение тепловой мощности дуги. Это обеспечивает более узкую зону на-

72

ЛЕКЦИЯ 6

грева металла до температуры пластического состояния и, следовательно, уменьшает величину сварочных деформаций, однако повышает величину остаточных напряжений. Поэтому при назначении режимов сварки руководствуются требованиями, предъявляемыми к конструкции: если на первый план выступает требование высокой прочности при статических и переменных нагрузках, коррозионной стойкости, то используют мероприятия по снижению остаточных напряжений. Если от конструкции требуется точное соблюдение размеров и формы в соответствии с чертежами, то применяют мероприятия по уменьшению сварочных деформаций.

2. Уменьшение площади зоны пластических деформаций путем искусственного охлаждения, например водой, жидким азотом и др. (рис. 6.14).

2

1

а)

Рис. 6.14. Сварка листов с искусственным охлаждением.

а) схема процесса; б) распределение температуры в сварном соединении поперек шва; 1 — охлаждаемая медная подкладка; 2 — охлаждаемые медные прижимы;

3 и 4 — температура в сварном соединении при сварке без охлаждения и с охлаждением; В1 и В2 — ширина зоныпластических деформаций при сварке без охлаждения и с охлаждением

3.Применение сборочно-сварочных приспособлений, обеспечивающих фиксацию свариваемых элементов относительно друг друга и препятствующих их перемещению и деформациям. При этом следует помнить, что жесткое закрепление свариваемых элементов, хотя и способствует уменьшению сварочных деформаций, сварочные напряжения в этом случае будут иметь большую величину, чем при сварке без ограничения перемещения элементов. Поэтому при сварке менее пластичных среднеуглеродистых и легированных сталей из-за напряжений в зоне сварки при жестком закреплении свариваемых деталей могут возникнуть трещины.

4.Рациональная последовательность выполнения сварочных операций Укладка сварных швов должна производиться так, чтобы при наложении

каждого последующего шва создавались взаимно уравновешивающие деформации (рис. 6.15)

73

СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Если вначале укладывать нижние швы 1 и 2 (рис. 6.15, в) при сварке двутавровых балок с равной шириной полок, у которых центр тяжести сечения располагается симметрично, произойдет изгиб балки (рис. 6.16д), что затруднит сборку с верхней полкой и укладку швов 3 и 4. Поэтому рационально накладывать швы «крест-накрест» (рис. 6.15, г). Если сваривается несимметричная балка (рис. 6.15, е), то вначале сваривают тавр швами 1 и 2, расположенными ближе к центру тяжести 1-1, а затем швами 3 и 4.

в)

г)

Рис. 6.15. Последовательность наложения сварных швов: а, б — стыковые швы; в, г, д, е — тавровые швы; 1—1 центр тяжести сечения двутавровой балки

И с п р а в л е н и е д е ф о р м и р о в а н н ы х с в а р н ы х и з д е л и й

Устранение деформаций после сварки называется правкой сварной конструкции. Правка бывает механической и термической.

Механическая правка (рихтовка) бывает общей и местной и выполняется на правильных машинах, прессах и вручную.

Устранение грибовидности полок двутавровых балок производится домкратами, винтовыми стяжками и т. п. (рис. 6.16, а), деформации и остаточные напряжения в стыковых сварных соединениях хорошо устраняются на специальных приспособлениях для прокатки швов роликами (рис. 6.16б). При многослойной сварке после наложения каждого слоя проводят проковку еще горячего шва (при температуре 150—200 0С), что позволяет достичь большего эффекта снятия напряжений и уменьшения деформаций, чем при проковке остывшего шва.

Термическая правка заключается в местном нагреве сварного узла в зоне деформаций газовым пламенем, электрической дугой или электроконтактным

74

ЛЕКЦИЯ 6

нагревом. Металл в зоне деформации нагревается до пластического состояния (для стали — температура нагрева 750—850 0С). При этом нагретый участок расширяется в стесненных условиях.

При последующем охлаждении размеры нагретого участка уменьшаются (происходит усадка), что приводит к уменьшению или полному устранению деформаций.

Рис. 6.16. Устранение грибовидности полок двутавровой балки (а) и приспособление для прокатки швов роликами (б):

1 – динамометр; 2 – гидроприжим; 3 – ролики; 4 – свариваемая деталь; 5 – корпус

В зависимости от конструкции, условий сборки технологии встречаются деформации различных элементов и различной величины. Поэтому способы термической правки выбирают применительно к конкретным условиям.

Например, в тавровых балках с высокой вертикальной стенкой после сварки возможен изгиб этой стенки (рис. 6.17, а, б). В этом случае для устранения деформации рекомендуется местный нагрев вертикальной стенки с выпуклой стороны. Нагрев осуществляют либо газовым пламенем (рис.6.17б), либо сварочной дугой путем наплавки «фальшивого» (неработающего) валика

(рис. 6.17, а).

При деформации стенки в сторону полки (пояса) термическую правку проводят путем нагрева полки газовым пламенем полосками шириной 30—40 мм с шагом 500—600 мм. В случае сложной деформации балок, когда короблению подвергается и вертикальная стенка и полка, требуется нагрев как стенки, так и пояса (рис. 6.17, г).

При укрупнении листовых полотнищ с помощью сварки (например, при изготовлении нефте- и газохранилищ) в зоне пересечения швов часто возникают вздутия, называемые «хлопунами». В этом случае выпуклый участок нагревают в отдельных точках по концентрическим окружностям, начиная с центра «хлопуна».

75

СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Рис. 6.17. Термическая правка сварных балок таврового сечения

Контрольные вопросы

1.Как влияют сварочные напряжения и деформации на эксплуатационные и технологические характеристики сварных соединений и металлоконструкций в целом?

2.Перечислите принципы уменьшения сварочных напряжений и деформаций в сварных соединениях.

3.Назовите способы уменьшения сварочных напряжений в процессе изготовления сварных конструкций.

4.Перечислите способы уменьшения сварочных напряжений в готовых узлах и конструкциях и дайте им характеристику.

5.Какие механические методы уменьшения остаточных сварочных напряжений Вы знаете?

6.Перечислите виды сварочных деформаций.

7.Назовите способы уменьшения сварочных деформаций, применяемые перед сваркой.

8.Какие мероприятия по уменьшению сварочных деформаций осуществляют в процессе сварки?

9.Назовите способы исправления деформированных изделий после сварки.

76

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Азот повышает прочностные свойства железа (пределы прочности σΒ и текучести σΤ ), но резко снижает его пластичность (ударную вязкость ан и относительное удлинение σ ), см. рис. 7.1, б.

Поэтому при сварке плавлением для получения металла шва с высокими прочностными и пластическими показателями необходима защита столба дуги

исварочной ванны от взаимодействия с воздухом. Это обеспечивается применением специальных электродных покрытий (при ручной дуговой сварке), сварочных флюсов (при автоматической и полуавтоматической сварке) и защитных газов. Однако вещества, входящие в состав электродной обмазки, флюсов,

инекоторые защитные газы не являются нейтральными по отношению к металлу и вступают с ними в химическое взаимодействие (рис. 7.2 и 7.3).

Рис. 7.2. Взаимодействие металла с окружающей средой при автоматической сварке под флюсом (стрелками показаны реакции химического взаимодействия электродного

и свариваемого металлов с жидким шлаком и газовой фазой в дуге)

Флюсы, содержащие оксиды и влагу, в зоне горения дуги плавятся, образуя жидкие шлаки. Последние взаимодействуют с электродным и свариваемым металлами. Защитные газы также содержат кислород, азот, влагу и другие примеси. В состав электродной обмазки, наряду с влагой, входят органические добавки (крахмал, целлюлоза, декстрин и др.), содержащие водород, а также кар-

78

ЛЕКЦИЯ 7

бонаты (СаСО3, MgСО3), которые, разлагаясь при высокой температуре, выделяют свободный кислород.

Рис. 7.3. Источники свободного кислорода в столбе дуги

Поэтому практически при всех способах сварки плавлением в высокотемпературной зоне присутствуют газы, активно взаимодействующие с жидким металлом электрода и сварочной ванны – О2, N2, H2, CO, CO2, H2O и др.

7.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛА С КИСЛОРОДОМ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Одним из характерных процессов, протекающих при сварке плавлением, является окисление металла. Источниками окисления металла при сварке являются (рис. 7.3):

•свободный кислород в газовой фазе (в столбе дуги);

•оксиды, находящиеся на расплавленных кромках свариваемого металла и на присадочном (электродном) металле;

•оксиды, находящиеся в шлаке и растворимые в металле;

•химически активные шлаки, отдающие кислород металлу в результате обменных окислительно-восстановительных реакций.

Все металлы по отношению к кислороду можно разделить на две группы:

•металлы, практически не растворяющие кислород ни в твердом, ни в жидком состоянии (Al, Mg). При окислении этих элементов образуется обособленная фаза либо в виде поверхностных оксидных пленок, либо в виде частиц, взвешенных в жидком металле.

79

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

• металлы, обладающие способностью растворять то или иное количество кислорода (медь, железо, никель, титан). Причем растворимость кислорода в этих металлах в жидкой фазе больше, чем в твердой, и возрастает с повышением температуры.

Если сваривают не чистые металлы, а сплавы, содержащие легирующие элементы и примеси, то кроме основы сплава могут окисляться и эти элементы. Вероятность и степень окисления определяются их сродством к кислороду, концентрацией их в сплаве и зависят от температурных условий.

7.2.1.Окисление металла свободным кислородом

Встолбе дуги (в газовой фазе) всегда присутствует свободный кислород, источником которого является воздух, продукты разложения (диссоциации) оксидов и солей, входящих в состав обмазки и флюсов, продуктов диссоциации

сложных газов – СО2, Н2О и др. (рис 7.3).

Скорость и полнота реакции того или иного элемента зависит от химического сродства его с кислородом.

Химическое сродство металла с кислородом

Все металлы, кроме благородных, вступают в химическую реакцию с кислородом, образуя окислы (оксиды)

Эта реакция обратимая, т.е. протекает в двух направлениях: слева направо – процесс окисления, справа налево – процесс разложения (диссоциации) окисла. Направление реакции зависит от давления кислорода в газовой фазе РО2 и температуры Т. При этом активность металлов по отношению к кислороду при равных условиях РО2 и Т зависит от строения атома металла.

Например, если в зоне окисления находятся два металла, то в первую очередь окисляется металл, обладающий большим химическим сродством с кислородом, чем второй. Только после полного окисления этого металла начнет окисляться второй.

Это подобно горению дров, политых бензином: сначала загорается (энергично окисляется) бензин, а когда он выгорит, начинается горение дров. Химическое сродство металла с кислородом измеряется так называемой упругостью диссоциации оксида РО2.

Представим себе, что интересующий нас металл Ме помещен в герметичную камеру, наполненную кислородом при атмосферном давлении (т.е. давление кислорода в камере РО2 = 1 атм) и температуре Т (рис 7.4).

1) В столбе дуги под действием высокой температуры часть молекул кислорода диссоциирует на атомы: О2 = 2О. Атомарный кислород является более активным окислителем и

окисляет металл по реакции Ме + О = МеО.

80