3.3.2. Мероприятия по уменьшению сварочных деформаций, осуществляемые в процессе сварки. Правка конструкций
В процессе сварки конструкций осуществляют следующие мероприятия по предупреждению и устранению сварочных деформаций.
Регулирование теплового состояния металла сварного соединения при сварке, которого можно достичь путем интенсивного теплоотвода из зоны шва. Например, подачей воды при контактной сварке, обдувом газо-водяной смесью (при некоторых других способах сварки), использованием охлаждаемых подкладок и накладок в зажимных приспособлениях. Регулирование теплового состояния при сварке возможно также применением сварки с высококонцентрированными источниками нагрева.
Активное нагружение свариваемых элементов в процессе сварки, т.е. в зоне сварки с помощью приспособлений или специальных установок создают напряжения растяжения, обычно путём изгиба, чтобы уменьшить усадочную силу (при сварке балок).
Непосредственно после сварки создают пластические деформации удлинения путём проковки металла специальным инструментом при дуговой сварке или сварочным электродом при точечной контактной сварке.
Для правки конструкций применяют различные способы – механические и термические.
Механические способы основаны на создании пластических деформаций удлинения с целью компенсации пластических деформаций упрочнения, вызванных сваркой. Силовое воздействие на сварное соединение может быть осуществлено растяжением сварного соединения, прокаткой роликами зоны шва, гибкой, вибрационной или взрывной обработкой зоны шва.
Термические способы основаны на создании пластических деформаций необходимого знака. При местных нагревах (так называемая термическая правка) создают пластические деформации укорочения. Нагрев, как правило, должен производиться вне зоны пластических деформаций, возникших при сварке. Например, в изогнутых балках (рис. 3.5а) нагревают более длинную сторону и вызывают обычную усадку металла, как при сварке.
Усадочная сила после местного нагрева выпрямляет балку. В листах, потерявших устойчивость оси напряжений сжатия (рис. 3.5б), создают нагрев и усадку в зонах сжатия. Сокращение листа в результате нагрева и последующего остывания обеспечивает его выпрямление. Нагрев ведут пятнами или полосами. Необходимо стремиться к кратковременному и концентрированному нагреву, чтобы соседние зоны оставались не нагретыми и сопротивлялись расширению нагретого металла, вызывая в нём усадку. Углеродистые стали обычно нагревают горелками до 600–800 °С.
3.3.3. Термообработка сварных конструкций
Термообработка является распространённым способом снятия остаточных сварочных напряжений, применяется для конструкций, насыщенных сварными швами, доступ к которым затруднён, характеризуется большой жёсткостью и металлоёмкостью, требующих восстановления пластических свойств.
Одной из широко применяемых разновидностей термической обработки – отпуск. При отпуске температура нагрева конструкции не превышает температуру Ac для данной стали. Для конструкционных сталей температура лежит в пределах 250–650 °С. Процесс отпуска идёт в три стадии: первая стадия – нагрев изделия, обеспечивающий выравнивание температур по сечению изделия, вторая стадия – выдержка при постоянной температуре и третья стадия – медленное остывание изделия. Различают общий (всей конструкции) и местный отпуск. Процесс снижения напряжений при отпуске можно представить в виде графика.
Рис. 3.6. График процесса снижения напряжений при отпуске
Как видно из графика, значения напряжений падают более ощутимо на стадии нагрева, когда происходит переход упругой деформации в пластическую.
Местный отпуск отличается от общего тем, что нагреву подвергается часть изделия – шов и околошовная зона. Поскольку нагревается только часть конструкции, то напряжения полностью не снимаются, а перераспределяются.
Кроме отпуска применяют другие виды термообработки – предварительный и сопутствующий нагрев, нормализацию, закалку и отпуск, отжиг.
Выбор вида термообработки определяется составом металла, его теплофизическими свойствами, технологией сварки, видом сварного соединения и т.д.
Термообработка сварных соединений проводится на тех же режимах, что и основного металла. Её проводят либо сразу после сварки, либо по истечении нескольких часов, что зависит от химического состава металла. Для сталей, чувствительных к термическому циклу, термообработка обязательна.
Термообработка применяется и в тех случаях, когда сваренный узел подвергается после сварки механической обработке. Если такой узел не подвергнуть термообработке, то после снятия напряжённых слоёв металла в процессе механической обработки, форма и размеры узла могут значительно измениться.
Изделия из низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,25 % небольшой толщины термообработке, как правило, не подвергаются. При сварке больших толщин требуется предварительный или сопутствующий подогрев до 120–150 °С.
Предварительный или сопутствующий подогрев до 250–300 °С требуется при сварке изделий из среднеуглеродистых и низколегированных сталей.
Изделия из сталей с мартенситной или мартенситно-ферритной структурой, склонных к закалке, независимо от толщины изделий сваривают с подогревом (250–300 °С) и немедленным отпуском после сварки.
Изделия из сталей аустенитного класса для стабилизации аустенита следует либо закаливать, либо проводить отжиг (850–900 °С).
Изделия из среднелегированных сталей подвергают закалке с последующим высоким отпуском. Если изделие деформируется, то применяют только отпуск.
Термообработку проводят в стационарных печах или с помощью переносных нагревателей, форма которых соответствует форме изделия. Местный нагрев может производиться газовыми горелками, применяют также индукционный нагрев.
Необходимо помнить, что термообработка является дорогостоящей и трудоёмкой операцией и применяется тогда, когда это диктуется технологической необходимостью.