Лекции ТКМ (1) (816151), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Сварочные напряжения приводят к образованию дефектов в сварном соединении и снижают сопротивляемость сварных конструкций разрушению. Остаточные сварочные напряжения накладываются на рабочие напряжения, которые возникают в металле при эксплуатации сварного изделия. Образующиеся общие напряжения могут превысит допустимые для конкретного металла значения, что приведет к разрушению сварного изделия. Кроме того, при планировании последующей обработки резанием сварных конструкций с большими остаточными сварочными напряжениями следует учитывать, что механическая обработка может привести к нарушению взаимного равновесия внутренних сил (внутренние остаточные напряжения уравновешены). В результате снятие слоя металл происходит перераспределение остаточных напряжений в изделии и обработанная деталь может самопроизвольно деформироваться после ее извлечения из закрепляющих приспособлений.
Сварочные деформации вследствие изменения размеров и формы изделий существенно затрудняют их сборку, ухудшают внешний вид и эксплуатационные качества. Поэтому применяются различные способы, направленные на уменьшение или устранение сварочных деформаций и напряжений.
Явления образования остаточных напряжений и деформаций при сварке находятся во взаимной связи между собой, но проявляются во многих случаях в противоположных направлениях. В сварных конструкциях, изготовленных без заметных деформаций, остаточные напряжения достигают высоких значений. Наоборот, в сильно деформированных при сварке конструкциях величина остаточных напряжений мала. Вследствие этого некоторые мероприятия по уменьшению остаточных деформаций противоположны мероприятиям по уменьшению остаточных напряжений. Однако, в числе мероприятий по уменьшению остаточных напряжений есть такие, которые ведут и к уменьшению деформаций.
Все мероприятия по уменьшению сварочных напряжений и деформаций можно условно разделить на две группы: мероприятия, выполняемые на этапе конструирования сварного изделия (конструкционные мероприятия), и, выполняемые в процессе изготовления сварного изделия (технологические мероприятия).
| МЕРОПРИЯТИЯ ПО УМЕНЬШЕНИЮ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ | ||
| 1. Конструкционные мероприятия | ||
| 1.1. Мероприятия, направленные на уменьшение степени перегрева сварного изделия | ||
| В процессе конструирования сварных изделий необходимо стремиться: - к уменьшению общего количества наплавляемого электродного и расплавляемого основного металлов; - к снижению тепловложения при сварке в результате уменьшения сечений сварных швов, их длины и количества в сварной конструкции. | ||
|
Рис. 42С. Конструктивные мероприятия по уменьшению сварочных напряжений | Кроме того, следует: - не допускать в конструкциях чрезмерных скоплений и пересечений сварных швов (рис. 42С, а); - избегать назначения сварных швов в местах, претерпевших предварительную пластическую деформацию (рис. 42С, б). | |
| 2. Технологические мероприятия | ||
| 2.1. Предварительный, сопутствующий и последующий подогрев сварного изделия в процессе сварки Подогрев способствует уменьшению степени неравномерности распределения температур при сварке и снижению жесткости металла свариваемых элементов. | ||
| 2.2. Термический способ уменьшения остаточных напряжений после сварки | ||
| Отпуск после сварки является наиболее эффективным способом уменьшения остаточных напряжений, т.к. позволяет снизить остаточные напряжения на 85-90% от исходных значений и одновременно улучшить пластические свойства сварных соединений. Отпуск может быть общим, при котором нагревается все изделие, и местным, когда нагреву подвергают лишь его часть в зоне сварного шва. Преимущество общего отпуска состоит в том, что снижение напряжений происходит во всей сварной конструкции независимо от ее сложности. Наиболее часто применяют высокий отпуск при температуре нагрева 550 - 680°С. Операция отпуска выполняется в три стадии: нагрев, выдержка при температуре отпуска и охлаждение. Выдержка обычно составляет 2 - 4 ч, после чего производится естественное охлаждение на воздухе. | ||
| 2.3. Механические способы уменьшения остаточных напряжений после сварки Механические способы основаны на создании пластической деформации металла сварных соединений, вследствие чего происходит снижение остаточных напряжений. | ||
| 2.3.1. Проковка | ||
| Металл проковывают непосредственно после сварки по горячему металлу или после его остывания. Основное преимущество этого способа – простота применяемого оборудования, универсальность и оперативность. | ||
| 2.3.2. Прокатка | ||
| Рис. 43С. Прокатка сварного изделия с целью уменьшения остаточных напряжений 1 – сварной шов; 2 – накладка; 3 – стальные правящие ролики; Р – усилие прокатки. | Для уменьшения остаточных напряжений применяется прокатка сварных швов по принципу протяжки (рис. 43С). В этом случае шов, стремящийся сжаться, будет принудительно деформирован в направлении увеличения длины, что, соответственно, приведёт к уменьшению растягивающих его остаточных напряжений. | |
| ||
| Приложение нагрузки к сварным соединениям осуществляется растяжением или изгибом. Суммирование остаточных и приложенных напряжений вызывает пластические деформации удлинения и после снятия нагрузки уменьшение уровня остаточных напряжений. | ||
СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Свариваемость – способность металлов и сплавов под действием термодеформационного цикла сварки образовывать бездефектное сварное соединение, отвечающее необходимым эксплуатационным требованиям.
Свариваемость представляет комплексную характеристику, включающую чувствительность металла к окислению и порообразованию, соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным, реакцию на термические циклы, сопротивляемость образованию холодных и горячих трещин и т.д.
Из перечисленных параметров наиболее существенным при сварке и наплавке является сопротивляемость образованию трещин.
Горячие трещины чаще всего возникают при ослаблении деформационной способности металла. В интервале температур кристаллизации происходит миграция примесей и загрязнений в межзеренные пространства. Наличие в межзеренных пространствах жидкой фазы, примесей и загрязнений нарушает связь между зернами и, как следствие, снижает деформационную способность шва и околошовной зоны. Кроме того, причиной образования горячих трещин могут быть дефекты кристаллического строения, большие сварочные напряжения, а также не правильное конструктивное оформлением сварного соединения (например: неправильные формы и размеры сварных швов).
Вероятность появления при сварке или наплавке горячих трещин можно определить по показателю Уилкинсона (H.C.S), учитывающего химический состав свариваемых материалов:
Условия появления горячих трещин:
- для сталей с σ в < 700 МПа - Н.С.S. >4;
- для сталей с σ в ≥ 700 МПа - Н.С.S. >2.
Для предотвращения образования горячих трещин обеспечивают:
дополнительное легирование металла шва элементами, способствующими связыванию серы и фосфора в тугоплавкие соединения; создание равноосной дендритной структуры в результате легирования сварных швов редкоземельными и тугоплавкими элементами; снижение жесткости сварного соединения, уменьшение скопления сварных швов на небольшом участке, отсутствие пересечения сварных швов, назначение размеров сварных швов, обеспечивающих благоприятную форму и ориентацию кристаллитов в металле шва (рекомендуется избегать узких и глубоких сварных швов), проведение термообработки сварного соединения непосредственно после сварки .
Холодные трещин возникают вследствие образования закалочных структур (мартенсита), насыщения металла шва в процессе сварки водородом и повышенного уровня сварочных напряжений.
Закалочные структуры в зоне сварного соединения характеризуются пониженной пластичностью и являются очагами возникновения холодных трещин под воздействием сварочных напряжений. В образовании холодных трещин при сварке значительную роль играет водород. В начальный момент после сварки максимальная концентрация водорода наблюдается в металле шва, откуда он диффундирует в области с меньшей концентрацией: околошовную зону и далее в основной металл. При наличии в ОШЗ закалочных структур водород задерживается в ней, так как коэффициент диффузии его в мартенсите в несколько раз меньше, чем в ферритоперлитной структуре. Попадая в микронесплошности (поры, микротрещины), водород переходит в молекулярную форму, развивая постепенно в таких несплошностях высокие давления, которые, наряду со сварочными напряжениями, приводят к появлению холодных трещин.
Холодные трещины образуются в интервале температур мартенситного превращения (250 °С и ниже), а также после полного остывания сварного изделия, иногда спустя значительное время после сварки (через 24 – 48 ч). Склонность стали к образованию холодных трещин и ее свариваемости ориентировочно оценивается по коэффициенту эквивалентного содержания углерода, рассчитываемого по относительному содержанию легирующих элементов. Для этой оценки имеется ряд уравнений. Наиболее распространенным является следующее:
С э = C + Mn /6 + (Cr+Mo+V) /5 + (Ni+Cu) /15, %
Если оценка свариваемости по показателю Сэ указывает на склонность стали к появлению холодных трещин (при Сэ ˃ 0,45% стали склонны к образованию холодных трещин), то необходимо предусмотреть предварительный подогрев изделия. Температуру предварительного подогрева заготовок (температура подогрева перед сваркой), можно определить по формуле
Соб = С э×(1+0,005× S), где: Соб – общий эквивалент углерода, учитывающий химический состав материала и толщину свариваемых элементов; Тп - температура предварительного подогрева заготовок, С0; S – толщина свариваемых элементов, мм
Температура сопутствующего сварке или наплавке подогрева зависит от материала изделия и колеблется в среднем от 200 до 450° С.
Для предотвращения образования холодных трещин обеспечивают:
снижение скорости охлаждения (подогрев сварного соединения, назначение оптимальных режимов сварочного процесса); зачистку кромок сварного соединения и сварочной проволоки от загрязнений; прокалку электродов и флюса перед сваркой; просушку защитных газов; защиту зоны сварки от влияния атмосферы; снижение жесткости сварного соединения; уменьшение скопления сварных швов на небольшом участке; отсутствие пересечения сварных швов; проведение термообработки сварного соединения перед или непосредственно после сварки .
Термообработка до сварки зависит от марки стали, конструкции и метода получения детали. Для отливок рекомендуется отжиг. Детали машин из проката или поковок, не имеющих жестких контуров, можно сваривать в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск). Сварка при температуре окружающей среды ниже 0°С не рекомендуется. Сварку деталей с большим объемом наплавляемого металла рекомендуется проводить с промежуточной термообработкой (отжиг или высокий отпуск).
Термообработка после сварки также различна для различных марок сталей. Основные виды применяемой термообработки - это отжиг или высокий отпуск по режиму для данной марки стали.
ЛЕКЦИЯ 16. Технологичность сварных конструкций
Выбор формы свариваемых элементов и способов сварки
1. Выбор формы и размеров свариваемых элементов.
Сварные изделия, как правило, изготавливают из проката (листа, труб, профилей), а также литых, кованых и штампованных элементов. При выборе размеров и формы свариваемых элементов необходимо учитывать следующее:
- сечение, длина и количество сварных швов должны быть минимальными, что обеспечивает снижение тепловложения при сварке;
- предпочтение следует отдавать прямолинейным и непрерывным швам;
- при выборе формы и расположения свариваемых элементов следует учитывать, что стыковые швы являются наиболее прочными;
- форма и взаимное расположение соединяемых элементов должны обеспечивать удобство доступа сварочного инструмента в зону сварки;
- необходимо избегать скопления и пересечения сварных швов в одном узле;
- в зоне сварки не должно быть ступенчатых переходов по толщине (в противном случае возможно разрушение конструкции в результате концентрации напряжений)
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
