Холодная сварка
Холодная (прессовая) сварка высокопластичных металлов (алюминия, меди, серебра, титана и др.) производится без подогрева под большим давлением, что сопровождается их пластической деформацией; при этом атомы соединяемых деталей сближаются на такое же расстояние, на котором они находились внутри металла. Холодная сварка применяется обычно для получения соединений встык и внахлестку. Удельное давление на рабочую поверхность пуансона составляет 30…100 кг/мм2 (300…1000 МПа).
При сварке листов толщиной 0,2…15 мм из высокопластичных металлов свариваемые поверхности должны быть тщательно очищены и обезжирены. Холодная сварка применяется главным образом для сварки листов, тонкостенных труб, оболочек, проводов и др.
Форма пуансонов подбирается в зависимости от вида соединения. При точечной сварке используют цилиндрические, прямоугольные и фасонные пуансоны. При шовной сварке применяют ролики диаметром 506 (б – толщина листа). Необходимое давление обеспечивается винтовыми, гидравлическими, рычажными и эксцентриковыми прессами.
Рис. 15.3. Схема холодной сварки: а – внахлестку; б – стыковая
На рис. 15.3 приведена схема холодной сварки. Пуансон 2 под действием пресса погружается в свариваемые алюминиевые детали 1 на глубину 70–80% толщины детали. Пуансон перемещается в стальных направляющих стаканах 3, которые своим давлением устраняют выпучивание металла. В местах соприкосновения пуансона с металлом происходит значительная деформация, и детали в плоскости А-А свариваются.
При сварке встык (рис. 15.3, б) стержни 1 зажимают стальными губками 2, имеющими насечки во избежание проскальзывания стержней. При сдавливании стержней происходит сварка; образовавшийся грат 3 легко удаляется.
Сварочные напряжения и деформации.
Высокотемпературный нагрев элементов конструкций при сварке вызывает появление в них напряжений и деформаций, которые существенно затрудняют производство сварных конструкций и ухудшают их качество. С целью снижения сварочных напряжений и деформаций используются специальные приемы, соответствующим образом строится процесс сборки и сварки конструкций.
Остаточные напряжения и деформации разной степени возникают также при структурных превращениях металла в зоне термического влияния сварного соединения. Возникновение такого состояния обусловлено тем, что в металле появляются участки с ярко выраженными измененными объемами, например мартенситное превращение сопровождается значительным увеличением объема. Такое местное изменение объема металла при сохранении объемов рядом расположенных участков и приводит к возникновению внутренних структурных напряжений.
Величина и распределение напряжений и деформаций зависят от многих факторов, в том числе от жесткости свариваемой конструкции и толщины металла. При сварке тонкого листа (до 5…6 мм) проявляются преимущественно большие деформации, а напряжения малы. Сварка металла средней толщины (до 16…20 мм) сопровождается также существенными деформациями, при этом с увеличением толщины в большей степени начинают проявляться сварочные напряжения. При сварке толстого металла (более 16…20 мм) основным фактором является возникновение значительных напряжений, деформации при этом невелики.
Влияние сварочных напряжений и деформаций на качество конструкций.
В подавляющем большинстве случаев возникающие при сварке напряжения и деформации отрицательно влияют на технологический процесс изготовления и монтажа сварных конструкций, а также на их качество и работоспособность. Влияние напряжений и деформаций обычно рассматривается совместно.
1. В процессе механической обработки при съеме металла, имеющего остаточные напряжения, происходит перераспределение сил внутри детали. В результате возникают деформация ранее обработанных поверхностей и искажение формы.
2. Остаточные напряжения растяжения могут значительно уменьшить сопротивляемость сварной конструкции хрупким разрушениям. Это один из наиболее существенных случаев отрицательного влияния сварки на хладоломкость сварного соединения. Происходит снижение деформационной способности, смещение критических температур хрупкости в области более высоких температур.
3. Остаточные напряжения растяжения снижают прочность сварных соединений при действии переменных нагрузок.
4. Остаточные напряжения растяжения и пластические Деформации могут приводить к интенсификации процессов коррозии и коррозионного растрескивания.
5. Возникающие непосредственно в процессе сварки напряжения и деформации способны вызвать в высокотемпературной зоне сварного соединения, включая металл шва, зрячие трещины.
6. Остаточные напряжения растяжения являются одной из основных причин образования холодных и ламелярных трещин в сварных соединениях.
7. Остаточные деформации, искажая форму и размеры стыкуемых элементов, затрудняют сборку и монтаж сварных конструкций, делая их в ряде случаев невозможными. В этом случае требуются правка, подгонка, применение специальных сборочных приспособлений и использование других мер, обеспечивающих качественное выполнение сборочно-сварочных операций.
8. Деформации металла в зоне нагрева могут существенно влиять на качественное ведение процесса сварки, например, когда кромки свариваемых деталей начинают сходиться, уменьшая зазор до недопустимых значений.
9. Остаточные деформации после сварки могут превосходить заданные чертежами допуски на отклонения проектных размеров готовых конструкций. Устранение возникших деформаций требует значительных дополнительных затрат.
10. Искажения формы и размеров приводят к неудовлетворительному внешнему виду и ухудшению эксплуатационных характеристик сварных конструкций.
Приведенные и другие факторы негативного влияния сварочных напряжений и деформаций должны приниматься во внимание при проектировании сварных конструкций, а также при разработке технологии их изготовления.
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 необходимо отметить меры, направленные на уменьшение массы (объема) наплавленного металла. В результате снижающихся в этом случае сечений стыковых и угловых сварных швов и величин погонных энергий сварки 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 У- образных обеспечивает сокращение массы наплавленного металла на 30–70%. Дополнительное снижение наплавленного металла может быть достигнуто применением разделок с минимально возможными углами скоса кромок и зазорами между свариваемыми элементами. Следует заметить, что использование Х- и К- образных разделок кромок, особенно с уменьшенными углами разделки, позволяет практически полностью исключить угловые деформации в готовых сварных конструкциях.
Пластические деформации, приводящие к искажению форм сварной конструкции, в целом могут быть снижены путем принятия таких решений, которые бы позволяли отдельным элементам конструкций беспрепятственно перемещаться в процессе сварки. Одно из таких решений связано с применением нахлесточных соединений, у которых смещение свариваемых элементов происходит свободно, изменяя лишь размер нахлестки. Коробление конструкций с тонкостенными элементами дополнительно уменьшается при расположении швов на жестких каркасах.
Если появление недопустимых искажений форм и размеров, а также высоких остаточных напряжений от сварки неизбежно, в проекте должна быть предусмотрена возможность обработки и правки конструкций и ее отдельных элементов тем или иным способом. При этом должен быть обеспечен доступ для выполнения указанных работ.
Приемы рационального конструирования разнообразны и не исчерпываются перечисленными способами.
Большие возможности для регулирования и уменьшения остаточных напряжений и деформаций представляют мероприятия, используемые на стадии сборки и сварки конструкций.
Сборка. Сборку элементов свариваемых конструкций необходимо выполнять с помощью прихваток или жестких сборочно-стяжных приспособлений. Оба способа закрепления собираемых под сварку деталей правомерны и выбор того или иного способа определяется типом и размерами конструкций, предъявляемыми к ней требованиями и условиями ее изготовления или монтажа. Сборку элементов из тонколистового металла (3…5 мм), а также нахлесточных соединений независимо от каких-либо факторов всегда выполняют 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 существенно пластические деформации и напряжения, которые целесообразно в последующем снижать соответствующими технологическими приемами.
Сборка конструкций с помощью жестких сборочно-стяжных приспособлений обеспечивает более "мягкое" закрепление кромок сопредельных элементов, не препятствующее их перемещению, обусловленному нагревом и расширением металла в процессе сварки и усадки металла шва. Такое перемещение элементов способствует снижении остаточных напряжений и деформаций 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 позволяет выдержать требуемую геометрию сварной конструкции в целом.
При 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. 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. При электрошлаковой сварке стальных конструкций величина сборочного зазора увеличивается по длине стыка в среднем на 0,5…0,6 мм на 1 м шва.
Сварка. Основными средствами, используемыми при сварке для снижения возникающих напряжений и деформаций, являются: рациональная последовательность наложения швов и слоев, уменьшение погонной энергии, применение оптимальных способов выполнения швов, проковка металла, подогрев перед сваркой.
Последовательность сварки отдельных швов конструкций должна устанавливаться 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. При сварке в указанной последовательности, остаточные деформации и напряжения будут уменьшенными, поскольку свариваемые листы в зоне шва могут достаточно свободно перемещаться при поперечной усадке.
Правильно выбранная последовательность сварки швов позволяет в значительной степени снизить суммарные деформации сварных стержневых конструкций или конструкций с симметричным сечением, например двутавровых балок. Эффект в этом случае достигается за счет применения такого порядка наложения продольных швов, при котором каждый последующий шов вызывает деформации обратного знака по отношению к деформациям, полученным при сварке предыдущего шва. Происходит взаимное уравновешивание деформаций относительно центра тяжести сечения свариваемой конструкции. Метод уравновешивания деформаций применяется также при сварке сварных соединений с двусторонней разделкой кромок.
Уменьшение погонной энергии сварки снижает величину усадочной силы и деформаций, возникающих при сварке. Поэтому следует назначать и использовать способы и режимы сварки, обеспечивающие минимальные тепловложения на один проход шва. Поскольку погонная энергия примерно пропорциональна сечению швов, то сварку следует выполнять на режимах, формирующих валики с возможно малыми поперечными сечениями. Многопроходная сварка в этом отношении имеет преимущество перед однопроходной. Следует, однако, при определении технологии сварки иметь в виду и другие требования, предъявляемые к процессу и качеству сварных соединений, например относящиеся к скорости охлаждения, производительности и т.д.
Выбор рационального способа выполнения швов, определяемый маркой и толщиной стали, а также протяженностью соединения, позволяет улучшить термический цикл сварки и существенно снизить остаточные напряжения и деформации. Весьма показательным в этом отношении является обратноступенчатый способ, рекомендуемый для ручной и механизированной сварки швов большой протяженности. Обратноступенчатая сварка, особенного тонкого металла, способна резко уменьшить остаточные напряжения и деформации. Эффективность снижения при этом будет тем выше, чем короче участки (ступени), выполняемые вразброс, и с чем большими временными интервалами выполняются смежные участки шва. При сварке толстолистовых конструкций благоприятное влияние на снижение напряжений и деформаций оказывают способы сварки секциями, каскадом, горкой. Эти способы обеспечивают более равномерный нагрев металла по толщине свариваемого элемента и снижают вероятность появления нежелательных структурных превращений при охлаждении. Такое же влияние оказывает и предварительный, и сопутствующий подогревы при сварке. Температура подогрева может колебаться от 70 до 400°С в зависимости от марки стали, типа сварного соединения, способа и условий сварки.
Проковка металла шва и околошовной зоны 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 проковка осуществляется послойно, за исключением первого слоя из-за вероятности образования в последнем 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 и определяется температурой 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. Температуры отпуска, обеспечивающие значительное снижение остаточных напряжений при сварке стальных конструкций составляют: для углеродистых, низко- и среднелегированных сталей – 500…680 °С, для высоколегированных сталей аустенитного класса – 850…1050 °С.
Отпуск бывает местный и общий. При общем отпуске нагревается вся сварная конструкция и остаточные напряжения снижаются во всех ее точках независимо от сложности формы. В строительстве такой отпуск применяется очень редко. Гораздо чаще, особенно при сварке технологических трубопроводов, применяется местный отпуск, при котором нагреву подвергаются только шов и металл околошовной зоны.
Обработка взрывом сварных соединений позволяет создавать по аналогии с проковкой металла напряжения сжатия в металле шва и околошовной зоне и является эффективным средством снижения остаточных напряжений.
Правка конструкций производится при местных или общих деформациях сварных конструкций и изделий, выходящих за пределы требований проектной документации. Она осуществляется механическим или термическим методами.
При механической правке с помощью статических или ударных воздействий создаются пластические деформации в зонах, где металл испытал усадку. Это могут быть гибка, растяжение, проковка, прокатка и т.п. При этом в подвергаемых правке зонах стремятся получить результирующую сумму остаточных пластических деформаций, равную нулю. Правку выполняют в холодном или, что чаще, горячем состоянии металла.
