Prevence a redukce svařovacích napětí a deformací

Velikost a povaha svařovacích napětí a deformací je určena řadou faktorů. Podívejme se na dopad některých z nich.

Druh a způsob svařování. Míra koncentrace tepla má významný vliv na velikost deformací při svařování. Vysoká koncentrace tepla pomáhá zúžit oblast podléhající plastické deformaci a snížit strukturální deformace. To potvrzují zkušenosti s používáním automatického svařování pod tavidlem.

Při prakticky stejné lineární energii způsobuje svařování pod tavidlem díky vyšší rychlosti oblouku (izotermy jsou nataženy a posunuty do oblasti, již obloukem projde), menší zbytkovou deformaci než ruční obloukové svařování. Velikost zbytkových deformací lze také snížit nahrazením ručního obloukového svařování obalenými elektrodami automatickým nebo poloautomatickým svařováním oxidem uhličitým, argonem, plněným drátem nebo aktivovaným drátem bez dodatečné ochrany. Použití poloautomatického svařování v plynném oxidu uhličitém umožnilo zjednodušit technologii výroby řady tenkých plechových konstrukcí (karosérie dieselových lokomotiv, elektrické lokomotivy atd.) a snížit náklady na následné rovnání.

Vliv konfigurace švu. Velikost a povaha zbytkových deformací závisí do určité míry na konfiguraci švu. Všechny ostatní věci jsou stejné, příprava okraje ve tvaru X v důsledku symetrické polohy švu vzhledem k neutrální ose způsobuje menší úhlovou deformaci než ve tvaru Y. Aby se omezily deformace, je v některých případech vhodné použít oboustranné svařování. Při svařování pod tavidlem dochází k menší deformaci ve spojích bez zkosených hran. V případě elektrostruskového procesu, kde samotná svařovací technika předurčuje symetrickou polohu svaru vůči neutrální ose, jsou úhlové deformace velmi malé. Účinným opatřením pro snížení deformací je zmenšení průřezu svaru použitím svařovacích materiálů, které poskytují vyšší pevnost svarového kovu. Jak ukázaly studie, při svařování spoje koutovými svary lze zmenšit průřez až o 40 %.

Režim svařování. Velikost a povaha svařovacích napětí a zbytkových deformací jsou přímo závislé na lineární energii svařování, která je určena režimem svařování a závisí na průřezu švu nebo vrstvy. Zvětšení průřezu švu nebo vrstvy vede ke znatelnému zvýšení velikosti zbytkové deformace. Aby byla zajištěna minimální deformace svařované konstrukce, měly by být přiřazeny nejmenší (přípustné z pevnostních podmínek konstrukce) průřezy švů a jejich zvýšení by nemělo být povoleno během výrobního procesu konstrukce. Z hlediska zmenšení průřezu švu je nejracionálnější oboustranný skleněný řez (obr. 1). Metoda výpočtu pro stanovení zbytkových deformací je založena na vztahu mezi velikostí zbytkové deformace a režimem svařování (lineární energie).

Rýže. 1. Vztah mezi tloušťkou kovu, tvarem a průřezem řezu

Postup svařování a upevňování svařovaných dílů. Velikost zbytkových deformací a napětí, které vznikají při svařování, je výrazně ovlivněna pořadím nanášení švu po jeho délce a průřezu. Největší zbytkové deformace vznikají při průchozím svařování, tzn. při aplikaci stehu od začátku do konce bez dlouhých přestávek. Při ručním svařování, aby se snížilo množství deformace, jsou švy aplikovány od středu ke koncům. Tato metoda je účinná, když jsou k provedení svaru zapotřebí dva svářeči.

Při správné volbě délky kroku zpětné svařování dramaticky snižuje množství napětí a deformace. U této metody by měl být šev rozdělen na sekce tak, aby při zahájení svařování další sekce byla teplota kovu 200-300 º C. U jednovrstvého svařování je tento stav zajištěn, pokud je délka kroku rovna úseku vytvořenému roztavením jedné elektrody (s průřezem švu rovným 1,2 průřezu tyče elektrody). Snížení deformací a napětí při zpětném svařování je způsobeno tím, že se provádí přes zvětšenou mezeru. Během ochlazování se současně se zmenšováním šířky švu zmenšuje i dříve rozšířená mezera, což pomáhá snižovat reaktivní napětí a deformace.

Pro snížení množství zbytkového napětí a deformace při svařování víceprůchodových švů se používá metoda kaskádového svařování. Směr svařování jednotlivých švů má významný vliv na velikost napětí a zbytkové deformace. Účinným opatřením pro snížení zbytkových deformací je zajištění svařovaných dílů ve speciálních přípravcích.

Předběžné ohýbání dílů ke svařování. Ve výrobních podmínkách se často používá předběžné zpětné ohýbání svařovaných dílů k boji proti deformacím. Tato metoda se používá k boji proti úhlovým deformacím při svařování tupých a přeplátovaných spojů. Při svařování plechů malé šířky s přípravou okraje ve tvaru V se tyto umístí s předběžným ohybem ve směru opačném k očekávané deformaci (obr. 2). Plechy velké šířky lze pokládat s předběžným ohnutím svařovaných hran (obr. 3). Montážní spoje se doporučuje svařovat pevnými plechy s předem zahnutými hranami, čehož se dosahuje pomocí zvedáků nebo speciálních zařízení (obr. 4). Pro zamezení deformací z roviny T- nebo I-profilů se provádí elastická nebo plastická deformace pásu (obr. 5). Pro eliminaci podélných deformací v rovině při svařování T nosníků se používají zařízení, která ohýbají nosník v opačném směru, než je předpokládaná deformace (obr. 6).

Rýže. 2. Rozložení svařovaných dílů, aby se zabránilo úhlové deformaci při spojování na tupo

Rýže. 3. Zpětné ohýbání svařovaných dílů, aby se zabránilo úhlové deformaci při spojování na tupo

Rýže. 4. Zpětné ohýbání svařovaných hran v montážních spojích

Rýže. 5. Opačný ohyb řemene pro

zabraňuje deformaci hub

Předběžný zpětný ohyb lze vytvořit opracováním okrajů a stojiny nosníků za studena nebo zahřátím na teplotu 700–750 ºC (obr. 7). Účinným opatřením k zamezení vyboulení stojiny v I-nosnících způsobeného svařováním příruby je použití předpjaté sestavy stojiny. K napnutí stěny se používají montážní stojany se zvedacím zařízením. Tuhost tenkých plechů ve svařovaných konstrukcích lze zvýšit, aby se omezily deformace zvlněním. Pomocí lisů jsou vzory tuhosti nebo zvlnění předem vylisovány na tenké plechy. Opatřením ke snížení namáhání při svařování může být předběžné roztažení nebo stlačení prvku pomocí podélné tlakové síly.

Rýže. 6. Zpětný ohyb nosníku

Rýže. 7. Místo ohřevu (nebo zpevňování) okraje svislé stěny T nosníku pro vytvoření zpětného ohybu 1 – topná plocha nebo na javoru

Rýže. 8. Charakter rozložení teplot při svařování natupo: a – s umělým chlazením, b – bez chlazení

Rychlé chlazení svařovaných dílů. Při rychlém ochlazení svarového spoje se oblast zahřátá při svařování, ve které dochází k plastickým deformacím, zužuje, což vede ke snížení zbytkových deformací a pnutí. Na Obr. 8 schematicky znázorňuje charakter rozložení teplot a velikosti oblastí plastické deformace s umělým chlazením a bez něj. Během chlazení je oblast plastické deformace výrazně kratší než při svařování za normálních podmínek.

Umělé chlazení je však použitelné pouze při svařování nízkouhlíkových ocelí. Pro snížení zbytkových deformací a pnutí při svařování ocelí s vysokým obsahem uhlíku a legovaných kalených ocelí není metoda umělého chlazení použitelná, protože může vést ke vzniku nízkoplastických kalících struktur. Počáteční teplota výrobku má také určitý vliv na velikost deformací při svařování. Při svařování za přirozených podmínek nízké teploty se deformace sníží jen velmi málo.

Vliv předehřevu svařovaných dílů. Předehřev nebo doprovodný ohřev snižuje teplotní rozdíl mezi sekcemi svarového spoje, čímž se poněkud snižuje napětí. Bylo zjištěno, že při zahřátí na teplotu 200 °C se zbytková napětí sníží o 30 % ve srovnání se svařováním bez ohřevu. Při vyšší teplotě ohřevu se dosáhne ještě příznivějších výsledků.

Nemalý vliv má i doprovodné zahřívání. Během svařování lze provádět obecné i místní přídavné vytápění. Obecný ohřev se používá při svařování malých dílů nebo netvárných materiálů, jako je litina. Při lokálním ohřevu se na obou stranách švu ohřeje plocha o šířce minimálně 40–50 mm. Zahřívání pouze okrajů, které mají být svařeny, nevyvolává znatelný efekt. Při svařování s předběžným nebo doprovodným ohřevem se ve většině případů nevyžaduje následné tepelné zpracování (popouštění) konstrukce. Ohřev lze provádět indukcí, plynovým plamenem a elektrickými přímotopy.

Teplota předehřívání závisí na chemickém složení a tloušťce kovu a také na tuhosti konstrukce. Se zvyšujícím se obsahem uhlíku a slitin se tloušťka kovu zvyšuje a struktura se stává tužší, je nutné zahřátí na vyšší teploty.

Při výrobě zvláště kritických konstrukcí z nízkouhlíkových ocelí s tloušťkou kovu větší než 40 mm se někdy používá předehřev na teplotu 100-120 °C při svařování středně uhlíkových a nízkolegovaných konstrukčních ocelí je vhodné použít předehřev na teplotu 150-200 °C s tloušťkou kovu větší než 30 mm.

Rýže. 23. Označení svařovacích technik, které pomáhají snižovat svářecí napětí a deformace: a, b, e – správný sled provádění švů; g, d – metoda zpětného kroku vytváření švů; e — sled provádění oboustranných vícevrstvých švů; zh, z, i, k — formy aplikovaných předběžných zpětných ohybů svařovaných prvků a výrobků pro snížení svařovacích napětí a deformací; l – metoda vícevrstvého svařování „slide“; m – kaskádová metoda vícevrstvého svařování.

V některých případech, při svařování se speciálními technologickými opatřeními snižují svářečská napětí a deformace. Patří mezi ně následující:

1. Zajištění svařovaných prvků v montážních a svařovacích přípravcích, výrazně snižuje deformaci dílů. Zároveň se ale zvyšuje zbytková napětí ve svařovaných dílech. Napětí se sníží, pokud svorky v přípravku umožňují určitý pohyb dílů (prokluzování pod svorkou) při působení namáhání při svařování.

2. Omezení množství uloženého kovu.

3. Správné pořadí šití (obr. 23). Při svařování I-nosníků se nejprve svaří tupé spoje polic a stojiny a poté rohové spoje stojiny s policemi (obr. 23, a). Při svařování válcových nádob z několika plášťů se nejprve vytvoří podélné švy a poté prstencové (obr. 23, b).

V I-nosníku s výztuhami by měly být výztuhy přivařeny po částech ke svislé stěně, poté police ke stěně a žebra k policím (obr. 23, c). V tomto případě je nutné svařovat sekce (články) střídavě, nejprve na jedné straně nosníku, poté na druhé. Na jedné straně nosníku jsou obvykle svařeny 2-3 sekce, na druhé straně 3-4 sekce atd.

Při specifikovaném pořadí svařování je nutné paprsek mnohokrát převrátit. K tomuto účelu se používají speciální sklápěče.

Při absenci naklápěčů je postup svařování mírně upraven. V tomto případě je přivařování polic ke stěně ak výztuhám v každé sekci prováděno dvěma svářeči současně na obou stranách nosníku se stěnou umístěnou svisle. V tomto pořadí mohou být švy aplikovány ručním i poloautomatickým svařováním.

4. Tenké plechy (do 3 mm) se doporučuje svařovat na měděné podložce, která snižuje jejich zahřívání a deformaci. Minimální deformace tenkých plechů se dosahuje svařováním v oxidu uhličitém elektrodovým drátem o průměru do 1,2 mm. Pro ruční a poloautomatické svařování tenkých plechů by měla být použita metoda obráceného kroku (obr. 23, g). Nezačínejte svařovat od okraje plechu.

5. Plechy do tloušťky 6 mm se svařují s předběžným ohnutím svařovaných hran (obr. 23, g), což je zvláště užitečné pro automatické svařování.

6. Plechy do tloušťky 20 mm se svařují v několika průchodech (vrstev) metodou zpětného kroku při ručním a poloautomatickém svařování (obr. 23, d). Plechy o tloušťce větší než 20 mm se svařují vícevrstvými švy metodou „kaskády“ nebo „skluzu“ (obr. 23, l, m) s kováním každé vrstvy kromě vrchní. V tomto případě, pokud má spoj oboustrannou přípravu okraje, pak se jednotlivé vrstvy švu provádějí střídavě na obou stranách spoje (obr. 23, e).

Úhel rozevření okraje a průřez svaru by neměly být zvětšeny nad hodnoty uvedené na výkresu.

7. Pásky po celé délce svařte a přivařte záplaty s předběžným ohnutím (obr. 23, 23, i). Tato metoda se nazývá metoda zpětné deformace. Úspěšně se také používá při automatickém svařování zboží (obr. XNUMX, k). Ohybová šipka je zvolena tak, aby po svaření výrobek získal správný tvar a zároveň se vytvořila drobná zbytková pnutí.

8. Při svařování masivních dílů a kalení ocelí se používá předběžný a doprovodný ohřev a také následné vysoké popouštění výrobků. Teplota předehřevu a následného popouštění se volí v závislosti na tloušťce svařovaných prvků a jakosti svařované oceli.