Деформация и напряжение при сварке: виды, причины возникновения и способы устранения

виды, причины возникновения и способы устранения

Образование напряжений и деформаций при сварке обычно связано с несоблюдением технологических требований. Такие соединения ненадежны, так как на швах могут появиться трещины, снижающие прочность. После деформации при сварке геометрические параметры могут измениться настолько, что конструкция будет непригодна для эксплуатации.

Определение сварочных напряжений и деформаций

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению. По направленности они могут быть:

• растягивающего действия;
• изгибающего;
• крутящего;
• сжимающего;
• срезающего.

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил. Нарушения могут проявиться не сразу после завершения сварочных работ, а во время эксплуатации из-за увеличения нагрузки. В лучшем случае снизится антикоррозийная устойчивость, в худшем ― разрушится конструкция.

Наглядная картинка деформации сварного соединения при сварке и после остывания

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению.

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил.

Причины возникновения

Причины образования деформаций и напряжений при сварке подразделяются на основные и побочные категории. К первым относят те, которые возникают во время сварки, поэтому неизбежны. Вторые нужно предотвращать.

Основные причины возникают как следствие:

1. Неравномерного нагрева сварочной зоны и прилегающих участков. Более горячий металл расширяется больше чем холодный, поэтому между слоями с разной температурой начинает концентрироваться напряженность. Ее величина определяется степенью нагревания и коэффициентом теплового расширения. Чем больше эти значения, тем выше вероятность нарушения геометрии конструкций.
2. Усадки. Когда при охлаждении после сварки металл переходит из жидкой фазы в твердое состояние, объем уменьшается. Этот процесс сопровождается растягиванием прилегающих участков с образованием напряжений, направленных вдоль или поперек шва. Продольное воздействие изменяет длину соединения, а поперечное способствует образованию угловой деформации.
3. Структурных изменений. При сварке высокоуглеродистой или легированной стали с большим нагревом происходит процесс закаливания с изменением объема и коэффициента теплового расширения. Это явление создает напряжения, приводящие к образованию трещин внутри и на поверхности швов. У сталей, в составе которых углерода меньше 0,35%, структурные изменения настолько малы, что не оказывают существенного влияния на качество сварных соединений.

К побочным причинам причисляют:

• неправильный выбор электродов или режимов сварки, некачественная подготовка деталей перед сваркой, другие нарушения технологии;
• неверный выбор вида швов или малое расстояние между ними, большое количество точек пересечения соединений и прочие конструктивные ошибки;
• неопытность сварщиков.

Классификация напряжений и деформаций

В зависимости от причины образования напряжения называются тепловыми и структурными. Первые возникают во время нагрева/остывания, вторые возникают при структурной перестройке металла. При сварке легированных или высокоуглеродистых сортов стали они проявляются совместно.

По месту действия напряжения присутствуют в границах конструкции, зернах, кристаллической решетке металла. По виду напряженного состояния их называют:

• линейными, с односторонним действием;
• плоскостными, действующими по двум направлениям;
• объемными, распространяющиеся по трем осям.

По направленности продольные напряжения действуют вдоль сварного соединения, а поперечные перпендикулярно.

Деформацию конструкции, которая происходит в процессе сварки, называют общей, а если изменяются размеры и форма только одной или нескольких деталей ― местной. По продолжительности существования действие временных сварочных деформаций проявляется только в процессе соединения деталей. После охлаждения геометрические параметры восстанавливаются. Остаточной называют сварочную деформацию, которая остается неизменной после устранения причины появления. Если геометрические параметры восстанавливаются после завершения сварки, деформации называются упругими, если нет ― пластичными.

Как предотвратить возникновение

Для снижения величины сварочных напряжений и деформаций при подготовке к работе специалисты рекомендуют:

• при проектировании выполнять расчет деформаций для правильного формирования сечения сварочных швов, припусков для усадки;
• располагать швы симметрично по отношению к осям узлов;
• не проектировать соединения так, чтобы больше трех швов пересекались в одной точке;
• прежде чем приступить к сварке, проверить, нет ли отклонений величины зазоров на стыках от расчетных величин;
• не проводить швы через места концентрации напряжений.

Для уменьшения деформаций и напряжений во время работы применяют следующие приемы:

• создавать на соединениях очаги дополнительной деформации с действием, противоположным сварке;
• швы длиной больше 1 м разбивать на отрезки длиной 10 — 15 см и сваривать обратноступенчатым методом;
• подкладывать под стыки медные или графитовые прокладки для снижения температуры сварочной зоны;
• соседние швы сваривать так, чтобы деформации компенсировали друг друга;
• для сварки деталей из вязкого металла применять технологии, которые обеспечивают снижение величины остаточных явлений;
• делать размер швов меньше, если это допускается условиями эксплуатации;
• по возможности выполнять соединения с меньшим числом проходов;
• при наложении двухсторонних швов слои наплавлять попеременно с каждой стороны;
• предварительно выгибать края заготовок в направлении, противоположном действию деформации, когда сварка завершится, они вернутся в исходное положение;
• не делать много прихваток;
• для ускорения сборки и снижения величины деформаций небольшие узлы сваривать в кондукторах.

Методы устранения напряжений

Для снятия напряжений пользуются отжигом и механической обработкой. Первый способ применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую точность размеров. Местный или общий отжиг проводят при нагреве до 550 — 680⁰C в три стадии: нагревание, выдержка, охлаждение.

Для механического снятия напряжений используют обработку проковкой, прокаткой, вибрацией, взрывом, чтобы создать нагрузку с противоположным знаком. Для горячей и холодной проковки используют пневматический молот. Обработку вибрацией проводят устройством, которое генерирует колебания с частотой в диапазоне 10 — 120 Гц.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции.

Методы устранения деформаций

Дефекты устраняют термическим с местным или общим нагревом, холодным механическим, термомеханическим способами. Для правки термическим методом с полным отжигом конструкцию закрепляют в устройстве, которое создает давление на искривленный участок, затем нагревают в печи.

Способ локального нагрева основан на сжимании металла при остывании. Для исправления дефектов искривленное место греют горелкой или сварочной дугой. Так как прилегающие участки остаются холодными, зона нагрева не может значительно расшириться. После охлаждения растянутый участок выпрямляется.

Термическим способом выправляют любые виды деформаций, однако при работе с тонкостенным металлом следует учитывать его особенности:

• тепло при местном нагреве тонких стальных листов быстро распространяется по всей площади, поэтому величина усилия сжатия оказывается недостаточной для исправления дефекта;
• температура локального нагрева тонкостенного металла не должна превышать 600 — 650⁰C, поскольку при увеличении температуры начнется образование пластических деформаций даже при отсутствии напряжения.

При механической правке растянутые участки деформируются внешними нагрузками в обратном направлении. Дефекты устраняют применением изгибания, вальцовки, растяжения, ковкой, прокаткой роликами.

Термомеханическую правку проводят с подогревом растянутого участка до 700 — 800⁰C и внешнего воздействия. Для выправления участков с большим растяжением сначала из избытков металла холодной рихтовкой формируют выступы в форме куполов. Затем по отдельности нагревают и резко охлаждают.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции. При этом учитывают эффективность метода, трудоемкость, величину финансовых затрат.

Деформации и напряжения при сварке. Сварочные работы. Практический справочник

Деформации и напряжения при сварке

Процесс, при котором в результате воздействия силы форма и размер твердого тела изменяют свою форму, называется деформацией. Различаются следующие ее виды:

– упругая, при которой тело восстанавливает исходную форму, как только действие силы прекращается. Такая деформация, как правило, бывает незначительной, например для низкоуглеродистых сталей она составляет не более 0,2 %.

– остаточная (пластическая), возникающая в том случае, если тело после устранения воздействия не возвращается в первоначальное состояние. Этот вид деформации характерен для пластичных тел, а также отмечается при приложении к телу очень значительной силы. Для пластической деформации нагретого металла, в отличие от холодного, требуется меньше нагрузки.

Степень деформации зависит от величины приложенной силы, т. е. между ними прослеживается прямо пропорциональная зависимость: чем больше сила, тем сильнее деформация.

Силы, которые действуют на изделие, делятся на:

– внешние, к которым относятся собственно вес изделия, давление газа на стенки сосуда и пр. Такие нагрузки могут быть статическими (не изменяющимися по величине и направлению), динамическими (переменными) или ударными;

– внутренние, возникающие в результате изменения структуры металла, которое возможно под воздействием внешней нагрузки или, например, сварки и др. Рассчитывая прочность изделия, внутреннюю силу обычно называют усилием.

Величину усилия характеризует и напряжение, которое возникает в теле в результате этого усилия. Таким образом, между напряжением и деформацией имеется тесная связь.

Относительно сечения металла действующие на него силы могут иметь разное направление. В соответствии с этим возникает напряжение растяжения, сжатия, кручения, среза или изгиба (рис. 3).

Рис. 3. Виды напряжения, изменяющие форму металла и сплава (стрелки указывают направление уравновешивающих сил): а – растяжение; б – сжатие; в – кручение; г – срез; д – изгиб

Появление деформации в сварных конструкциях объясняется возникновением внутренних напряжений, причины которых могут быть разными и подразделяются на две группы.

К первой относятся неизбежные причины, которые обязательно возникают в ходе обработки изделия. При сварке это:

1. Кристаллизационная усадка наплавленного металла. Когда он переходит из жидкого состояния в твердое, его плотность возрастает, поэтому изменяется и его объем (это и называется усадкой), например уменьшение объема олова в таком случае может достигать 26 %. Данный процесс сопровождается растягивающими напряжениями, которые развиваются в соседних участках и влекут за собой соответствующие им напряжения и деформации. Усадка измеряется в процентах от первоначального линейного размера, а каждый металл или сплав имеет собственные показатели (табл. 1).

Таблица 1. ЛИНЕЙНАЯ УСАДКА НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Напряжения, причиной которых является усадка, увеличиваются до тех пор, пока не наступает момент перехода упругих деформаций в пластические. При низкой пластичности металла на наиболее слабом участке может образоваться трещина. Чаще всего таким местом бывает околошовная зона.

При сварке наблюдаются два вида усадки, которые вызывают соответствующие деформации:

а) продольная (рис. 4), которая приводит к уменьшению длины листов при выполнении продольных швов. При несовпадении центров тяжести поперечного сечения шва и сечения свариваемой детали усадка вызывает ее коробление;

Рис. 4. Продольная усадка и деформации при различном расположении шва по отношению к центру тяжести сечения элемента: а – при симметричном; б, в – при несимметричном; 1 – график напряжений; 2 – шов; ?L – деформация; b – ширина зоны нагрева; напряжение сжатия; + – напряжение растяжения; г – при несимметричном; 2 – шов

б) поперечная (рис. 5), следствием которой всегда является коробление листов в сторону более значительного объема наплавленного металла, т. е. листы коробятся вверх, в направлении утолщения шва. Фиксация детали воспрепятствует деформации от усадки, но станет причиной возникновения напряжений в закрепленных участках.

Рис. 5. Поперечная усадка и деформации: а – деформации до и после сварки; б – график распределения напряжения (О – центр тяжести поперечного сечения шва; напряжение сжатия; + – напряжение растяжения)

Величина деформаций при сварке зависит, во-первых, от размера зоны нагрева: чем больший объем металла подвергается нагреванию, тем значительнее деформации. Следует отметить, что для различных видов сварки характерны разные по размеру зоны нагрева и деформации, в частности при газовой сварке кислородно-ацетиленовым пламенем она больше, чем при дуговой сварке.

Во-вторых, имеют значение размер и положение сварного шва. Величина деформации тем существеннее, чем длиннее шов и больше его сечение, определенную роль играют также несимметричность шва и главной оси сечения свариваемого изделия.

В-третьих, если деталь сложна по своей форме, то швов на ней бывает больше, поэтому можно предположить, что напряжения и деформация обязательно проявятся.

2. Неравномерный нагрев свариваемых частей или деталей. Как известно, при нагревании тела расширяются, а при охлаждении – сужаются. При сварке используется сосредоточенный источник тепла, например сварочная дуга или сварочное пламя, который с определенной скоростью перемещается вдоль шва и поэтому неравномерно нагревает его. Если свободному расширению или сокращению мешают какие-либо препятствия, то в изделии развиваются внутренние напряжения. Более холодные соседние участки и становятся такой помехой, поскольку их расширение выражено в меньшей степени, чем у нагретых участков. Поскольку термические напряжения, ставшие следствием неравномерного нагревания, развиваются без внешнего воздействия, то они называются внутренними, или собственными. Наиболее важными являются те из них, которые возникают при охлаждении изделия, причем напряжения, действующие вдоль шва, менее опасны, поскольку не меняют прочности сварного соединения, в отличие от напряжений, перпендикулярных шву, которые приводят к образованию трещин в околошовной зоне;

3. Структурные трансформации, которые развиваются в околошовной зоне или металле шва. В процессе нагревания и охлаждения металла размер и расположение зерен относительно друг друга изменяются, что отражается на объеме металла и становится причиной возникновения внутренних напряжений со всеми вытекающими последствиями, представленными в первом пункте. В наибольшей степени этому подвержены легированные и высокоуглеродистые стали, предрасположенные к закалке; низкоуглеродистые – в меньшей. В последнем случае при изготовлении сварных конструкций это явление может не приниматься в расчет.

Вторую группу составляют сопутствующие причины, которые можно предупредить или устранить. К ним относятся:

– ошибочные конструктивные решения сварных швов, например небольшое расстояние между соседними швами, слишком частое пересечение сварных швов, ошибки в выборе типа соединения и др.;

– несоблюдение техники и технологии сварки, в частности плохая подготовка кромок металла, нарушение режима сварки, использование несоответствующего электрода и др.;

– низкая квалификация исполнителя.

Величина деформаций при сварке во многом определяется теплопроводностью металла. Между ними существует прямо пропорциональная зависимость: чем выше теплопроводность, тем более равномерно распространяется поток тепла по сечению металла, тем менее значительными будут деформации. Например, при сварке нержавеющей стали как менее теплопроводной возникают большие деформации, чем при сварке низкоуглеродистых сталей.

Напряжения и деформации, которые имеют место исключительно в ходе сварки, а по ее окончании исчезают, называются временными; а если они сохраняются после охлаждения шва – остаточными. Практическое значение последних особенно велико, поскольку они могут сказываться на работе детали, изделия, всей конструкции. Если деформации носят локальный характер (например, на отдельных участках появляются выпучины, волнистость и др.), то они называются местными; если в результате деформации терпят изменения геометрические оси и размеры изделия или конструкции в целом – общими.

Кроме того, деформации могут возникать как в плоскости изделия, так и вне ее (рис. 6).

Рис. 6. Некоторые виды деформации: а – в плоскости сварного соединения; б – вне плоскости сварного соединения; 1 – форма изделия до сварки; 2 – форма изделия после сварки

Для уменьшения деформаций и напряжений при сварке придерживаются следующих конструктивных и технологических рекомендаций:

1. При подборе материала для сварных конструкций руководствуются правилом: использовать такие марки основного металла и электродов, которые либо не имеют склонности к закалке, либо подвержены ей в наименьшей степени и способны давать пластичный металл шва.

2. Избегают закладывать в конструкциях (особенно в ответственных), тем более рассчитанных на работу при ударах или вибрации, многочисленные сварные швы и их пересечения, а также использовать короткие швы замкнутого контура, поскольку в этих зонах, как правило, концентрируются собственные напряжения. Чтобы снизить тепловложения в изделие или конструкцию, оптимальная длина катетов швов должна быть не более 16 мм.

3. Стараются симметрично располагать ребра жесткости в конструкциях и сводят их количество к минимуму. Симметричность необходима и при расположении сварных швов, так как это уравновешивает возникающие деформации (рис. 7), т. е. последующий слой должен вызывать деформации, противоположные тем, которые развились в предыдущем слое.

Рис. 7. Последовательность наложения сварных швов для уравновешивания деформаций

Эффективен и способ обратных деформаций (рис. 8). Перед сваркой в конструкции (как правило, швы в ней должны располагаться с одной стороны относительно оси либо на различных расстояниях от нее) вызывают деформацию, обратную той, что возникнет в ней при сварке.

Рис. 8. Сваривание гнутых профилей как пример применения обратной деформации

4. Ограничивают применение таких способов соединения, как косынки, накладки и др.

5. По возможности отдают предпочтение стыковым швам, для которых концентрация напряжений не столь характерна.

6. Предполагают минимальные зазоры на разных участках сварки.

7. В сопряжениях деталей предусматривают возможность свободной усадки металла шва при охлаждении в отсутствие жестких заделок.

8. Практикуют изготовление конструкций по секциям, чтобы потом сваривать готовые узлы. Если последние имеют сложную конфигурацию, то заготавливают литые и штампованные детали, чтобы снизить неблагоприятное воздействие жестких связей, которые дают сварные швы.

9. Выбирают технологически обоснованную последовательность (рис. 9) выполнения сварных швов, при которой допускается свободная деформация свариваемых деталей. Если, например, требуется соединить листы, то в первую очередь выполняют поперечные швы, в результате чего получают полосы, которые потом сваривают продольными швами. Такая очередность исключает жесткую фиксацию соединяемых частей листов и позволяет им свободно деформироваться при сварке.

Рис. 9. Оптимальная последовательность выполнения сварных швов при сварке листов: а – настила; б – двутавровой балки

Направление ведения сварного шва также имеет значение. Если вести его на проход либо от центра к концам, то в середине шва разовьются поперечные напряжения сжатия; если двигаться от краев к центру, то в середине шва не избежать появления поперечных напряжений растяжения, следствием которых будут трещины в околошовной зоне или самом шве (рис. 10).

Рис. 10. Напряжение в продольном сечении шва при сварке (– – напряжение сжатия; + – напряжение растяжения): а – на проход; б – от концов к центру

10. При соединении частей из металла значительной толщины (более 20–25 мм) применяют многослойную дуговую сварку, выполняя швы горкой или каскадом (рис. 11). Шов горкой накладывается следующим образом: первый слой имеет длину примерно 200–300 мм, второй длиннее первого в 2 раза, третий длиннее второго на 200–300 мм и т. д. Достигнув «горки», сварку продолжают в обе стороны от нее короткими валиками. Такой способ способствует поддержанию участка сварки в нагретом состоянии. В результате тепло распространяется по металлу более равномерно, что снижает напряжения.

Рис. 11. Очередность наложения швов при многослойной дуговой сварке (размеры указаны в миллиметрах): а – горкой; 1 – ось «горки»; 2 – толщина металла; б – каскадом

11. Помогает снизить коробление швов соединяемых конструкций и деталей выполнение швов в обратноступенчатом порядке (рис. 12). Для этого протяженные швы делят на части длиной 150–200 мм и сваривают их, ведя каждый последующий слой в направлении, обратном предыдущему слою, причем стыки следует размещать вразбежку. Причина таких действий заключается в том, что деформации в соседних участках будут противоположно направленными по отношению друг к другу и равномерными, поскольку металл будет прогреваться равномерно.

Рис. 12. Последовательность наложения обратнопоступательного шва

12. Рассчитывают адекватный тепловой режим сварки. Если при работе есть возможность перемещать изделие (деталь) или если основной металл предрасположен к закалке, тогда используют более сильный тепловой режим, благодаря чему объем разогреваемого материала возрастает, а сам он остывает медленнее. В определенных ситуациях (если сварка проводится при пониженной температуре воздуха, металл имеет большую толщину или является сталью, склонной к закалке, и др.) помогают предварительный или сопровождающий подогрев либо околошовной зоны, либо всего изделия. Температура, до которой следует довести металл, зависит от его свойств и составляет 300–400 °C для бронзы, 250-270 °C для алюминия, 500–600 °C для стали, 700–800 °C для чугуна и т. д.

Если сваривают жестко зафиксированные детали или конструкции, тогда применяют менее интенсивный тепловой режим и варят электродами, способными давать пластичный металл шва.

13. Осуществляют отжиг и нормализацию изделия или конструкции после окончания сварки (последнее полностью ликвидирует напряжения). При отжиге температуру стального изделия доводят до 820–930 °C, выдерживают (общее время составляет примерно 30 минут, длительная выдержка нежелательна, поскольку приводит к росту зерен) и постепенно охлаждают (на 50–75 °C в час), доводя температуру до 300 °C. Это дает ряд преимуществ: во-первых, шов приобретает мелкозернистую структуру с улучшенным сцеплением зерен, благодаря которой металл шва и околошовной зоны становится более пластичным, во-вторых, металл шва получается менее твердым, что имеет большое значение для последующей обработки резанием или давлением; в-третьих, это полностью снимает внутренние напряжения в изделии.

Основные отличия нормализации от полного отжига – более высокая скорость охлаждения, для чего температура, до которой нагревают изделие, на 20–30 °C превышает критическую, и то, что выдержка и охлаждение проводятся на воздухе.

14. Избегают планировать в изделиях и конструкциях сварные швы, неудобные для выполнения, например вертикальные, потолочные.

15. Обеспечивают минимальную погонную энергию, достижимую при высокой скорости сварки в сочетании с наименьшими поперечными сечениями швов.

16. Уменьшают число прихваток и их сечения.

17. Проковывают швы в холодном или горячем состоянии, что уменьшает внутренние напряжения и увеличивает прочность конструкции. Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Деформации и напряжения при сварке. Сварочные работы. Практический справочник

Деформации и напряжения при сварке

Процесс, при котором в результате воздействия силы форма и размер твердого тела изменяют свою форму, называется деформацией.

Различаются следующие ее виды:

? упругая, при которой тело восстанавливает исходную форму, как только действие силы прекращается. Такая деформация, как правило, бывает незначительной, например для низкоуглеродистых сталей она составляет не более 0,2 %.

? остаточная (пластическая), возникающая в том случае, если тело после устранения воздействия не возвращается в первоначальное состояние. Этот вид деформации характерен для пластичных тел, а также отмечается при приложении к телу очень значительной силы. Для пластической деформации нагретого металла, в отличие от холодного, требуется меньше нагрузки.

Степень деформации зависит от величины приложенной силы, т. е. между ними прослеживается прямо пропорциональная зависимость: чем больше сила, тем сильнее деформация.

Силы, которые действуют на изделие, делятся на:

? внешние, к которым относятся собственно вес изделия, давление

газа на стенки сосуда и проч. Такие нагрузки могут быть статическими (не изменяющимися по величине и направлению), динамическими (переменными) или ударными;

? внутренние, возникающие в результате изменения структуры металла, которое возможно под воздействием внешней нагрузки или, например, сварки и др. Рассчитывая прочность изделия, внутреннюю силу обычно называют усилием.

Величину усилия характеризует и напряжение, которое возникает в теле в результате этого усилия. Таким образом, между напряжением и деформацией имеется тесная связь.

Относительно сечения металла действующие на него силы могут иметь разное направление. В соответствии с этим возникает напряжение растяжения, сжатия, кручения, среза или изгиба (рис. 3).

Появление деформации в сварных конструкциях объясняется возникновением внутренних напряжений, причины которых могут быть разными и подразделяются на две группы.

Рис. 3. Виды напряжения, изменяющие форму металла и сплава (стрелки указывают направление уравновешивающих сил): а – растяжение; б – сжатие; в – кручение; г – срез; д – изгиб

К первой относятся неизбежные причины, которые обязательно возникают в ходе обработки изделия. При сварке это:

1. Кристаллизационная усадка наплавленного металла. Когда он переходит из жидкого состояния в твердое, его плотность возрастает, поэтому изменяется и его объем (это и называется усадкой), например уменьшение объема олова в таком случае может достигать 26 %. Данный процесс сопровождается растягивающими напряжениями, которые развиваются в соседних участках и влекут за собой соответствующие им напряжения и деформации. Усадка измеряется в процентах от первоначального линейного размера, а каждый металл или сплав имеет собственные показатели (табл. 1).

Таблица 1

Линейная усадка некоторых металлов и сплавов

Напряжения, причиной которых является усадка, увеличиваются до тех пор, пока не наступает момент перехода упругих деформаций в пластические. При низкой пластичности металла на наиболее слабом участке может образоваться трещина. Чаще всего таким местом бывает околошовная зона.

При сварке наблюдаются два вида усадки, которые вызывают соответствующие деформации:

а) продольная (рис. 4), которая приводит к уменьшению длины листов при выполнении продольных швов. При несовпадении центров тяжести поперечного сечения шва и сечения свариваемой детали усадка вызывает ее коробление;

б) поперечная (рис. 5), следствием которой всегда является коробление листов в сторону более значительного объема наплавленного металла, т. е. листы коробятся вверх, в направлении утолщения шва. Фиксация детали воспрепятствует деформации от усадки, но станет причиной возникновения напряжений в закрепленных участках.

Рис. 4. Продольная усадка и деформации при различном расположении шва по отношению к центру тяжести сечения элемента: а – при симметричном; б, в – при несимметричном; 1 – график напряжений; 2 – шов; ?L – деформация; b – ширина зоны нагрева; – напряжение сжатия; + – напряжение растяжения; г – при несимметричном; 2 – шов

Величина деформаций при сварке зависит, во-первых, от размера зоны нагрева: чем больший объем металла подвергается нагреванию, тем значительнее деформации. Следует отметить, что для различных видов сварки характерны разные по размеру зоны нагрева и деформации, в частности при газовой сварке кислородно-ацетиленовым пламенем она больше, чем при дуговой сварке.

Рис. 5. Поперечная усадка и деформации: а – деформации до и после сварки; б – график распределения напряжения (О – центр тяжести поперечного сечения шва; – напряжение сжатия; + – напряжение растяжения)

Во-вторых, имеют значение размер и положение сварного шва. Величина деформации тем существеннее, чем длиннее шов и больше его сечение, определенную роль играют также несимметричность шва и главной оси сечения свариваемого изделия.

В-третьих, если деталь сложна по своей форме, то швов на ней бывает больше, поэтому можно предположить, что напряжения и деформация обязательно проявятся.

2. Неравномерный нагрев свариваемых частей или деталей. Как известно, при нагревании тела расширяются, а при охлаждении – сужаются. При сварке используется сосредоточенный источник тепла, например сварочная дуга или сварочное пламя, который с определенной скоростью перемещается вдоль шва и поэтому неравномерно нагревает его. Если свободному расширению или сокращению мешают какие-либо препятствия, то в изделии развиваются внутренние напряжения. Более холодные соседние участки и становятся такой помехой, поскольку их расширение выражено в меньшей степени, чем у нагретых участков. Поскольку термические напряжения, ставшие следствием неравномерного нагревания, развиваются без внешнего воздействия, то они называются внутренними, или собственными. Наиболее важными являются те из них, которые возникают при охлаждении изделия, причем напряжения, действующие вдоль шва, менее опасны, поскольку не меняют прочности сварного соединения, в отличие от напряжений, перпендикулярных шву, которые приводят к образованию трещин в околошовной зоне;

3. Структурные трансформации, которые развиваются в околошовной зоне или металле шва. В процессе нагревания и охлаждения металла размер и расположение зерен относительно друг друга изменяются, что отражается на объеме металла и становится причиной возникновения внутренних напряжений со всеми вытекающими последствиями, представленными в первом пункте. В наибольшей степени этому подвержены легированные и высокоуглеродистые стали, предрасположенные к закалке; низкоуглеродистые – в меньшей. В последнем случае при изготовлении сварных конструкций это явление может не приниматься в расчет.

Вторую группу составляют сопутствующие причины, которые можно предупредить или устранить. К ним относятся:

? ошибочные конструктивные решения сварных швов, например небольшое расстояние между соседними швами, слишком частое пересечение сварных швов, ошибки в выборе типа соединения и др.;

? несоблюдение техники и технологии сварки, в частности плохая подготовка кромок металла, нарушение режима сварки, использование несоответствующего электрода и др.;

? низкая квалификация исполнителя.

Величина деформаций при сварке во многом определяется теплопроводностью металла. Между ними существует прямо пропорциональная зависимость: чем выше теплопроводность, тем более равномерно распространяется поток тепла по сечению металла, тем менее значительными будут деформации. Например, при сварке нержавеющей стали как менее теплопроводной возникают большие деформации, чем при сварке низкоуглеродистых сталей.

Напряжения и деформации, которые имеют место исключительно в ходе сварки, а по ее окончании исчезают, называются временными; а если они сохраняются после охлаждения шва – остаточными. Практическое значение последних особенно велико, поскольку они могут сказываться на работе детали, изделия, всей конструкции. Если деформации носят локальный характер (например, на отдельных участках появляются выпучины, волнистость и др.), то они называются местными; если в результате деформации терпят изменения геометрические оси и размеры изделия или конструкции в целом – общими.

Кроме того, деформации могут возникать как в плоскости изделия, так и вне ее (рис. 6).

Рис. 6. Некоторые виды деформации: а – в плоскости сварного соединения; б – вне плоскости сварного соединения; 1 – форма изделия до сварки; 2 – форма изделия после сварки

Для уменьшения деформаций и напряжений при сварке придерживаются следующих конструктивных и технологических рекомендаций:

1. При подборе материала для сварных конструкций руководствуются правилом: использовать такие марки основного металла и электродов, которые либо не имеют склонности к закалке, либо подвержены ей в наименьшей степени и способны давать пластичный металл шва.

2. Избегают закладывать в конструкциях (особенно в ответственных), тем более рассчитанных на работу при ударах или вибрации, многочисленные сварные швы и их пересечения, а также использовать короткие швы замкнутого контура, поскольку в этих зонах, как правило, концентрируются собственные напряжения. Чтобы снизить тепловложения в изделие или конструкцию, оптимальная длина катетов швов должна быть не более 16 мм.

3. Стараются симметрично располагать ребра жесткости в конструкциях и сводят их количество к минимуму. Симметричность необходима и при расположении сварных швов, так как это уравновешивает возникающие деформации (рис. 7), т. е. последующий слой должен вызывать деформации, противоположные тем, которые развились в предыдущем слое.

Рис. 7. Последовательность наложения сварных швов для уравновешивания деформаций

Эффективен и способ обратных деформаций (рис. 8). Перед сваркой в конструкции (как правило, швы в ней должны располагаться с одной стороны относительно оси либо на различных расстояниях от нее) вызывают деформацию, обратную той, что возникнет в ней при сварке.

4. Ограничивают применение таких способов соединения, как косынки, накладки и др.

5. По возможности отдают предпочтение стыковым швам, для которых концентрация напряжений не столь характерна.

6. Предполагают минимальные зазоры на разных участках сварки.

Рис. 8. Сваривание гнутых профилей как пример применения обратной деформации

7. В сопряжениях деталей предусматривают возможность свободной усадки металла шва при охлаждении в отсутствие жестких заделок.

8. Практикуют изготовление конструкций по секциям, чтобы потом сваривать готовые узлы. Если последние имеют сложную конфигурацию, то заготавливают литые и штампованные детали, чтобы снизить неблагоприятное воздействие жестких связей, которые дают сварные швы.

9. Выбирают технологически обоснованную последовательность (рис. 9) выполнения сварных швов, при которой допускается свободная деформация свариваемых деталей. Если, например, требуется соединить листы, то в первую очередь выполняют поперечные швы, в результате чего получают полосы, которые потом сваривают продольными швами. Такая очередность исключает жесткую фиксацию соединяемых частей листов и позволяет им свободно деформироваться при сварке.

Рис. 9. Оптимальная последовательность выполнения сварных швов при сварке листов: а – настила; б – двутавровой балки

Направление ведения сварного шва также имеет значение. Если вести его на проход либо от центра к концам, то в середине шва разовьются поперечные напряжения сжатия; если двигаться от краев к центру, то в середине шва не избежать появления поперечных напряжений растяжения, следствием которых будут трещины в околошовной зоне или самом шве (рис. 10).

10. При соединении частей из металла значительной толщины (более 20–25 мм) применяют многослойную дуговую сварку, выполняя швы горкой или каскадом (рис. 11). Шов горкой накладывается следующим образом: первый слой имеет длину примерно 200–300 мм, второй длиннее первого в 2 раза, третий длиннее второго на 200–300 мм и т. д. Достигнув «горки», сварку продолжают в обе стороны от нее короткими валиками. Такой способ способствует поддержанию участка сварки в нагретом состоянии. В результате тепло распространяется по металлу более равномерно, что снижает напряжения.

Рис. 10. Напряжение в продольном сечении шва при сварке (– напряжение сжатия; + – напряжение растяжения): а – на проход; б – от концов к центру

11. Помогает снизить коробление швов соединяемых конструкций и деталей выполнение швов в обратно-ступенчатом порядке (рис. 12). Для этого протяженные швы делят на части длиной 150–200 мм и сваривают их, ведя каждый последующий слой в направлении, обратном предыдущему слою, причем стыки следует размещать вразбежку. Причина таких действий заключается в том, что деформации в соседних участках будут противоположно направленными по отношению друг к другу и равномерными, поскольку металл будет прогреваться равномерно.

Рис. 11. Очередность наложения швов при многослойной дуговой сварке (размеры указаны в миллиметрах): а – горкой; 1 – ось «горки»; 2 – толщина металла; б – каскадом

Рис. 12. Последовательность наложения обратнопоступательного шва

12. Рассчитывают адекватный тепловой режим сварки. Если при работе есть возможность перемещать изделие (деталь) или если основной металл предрасположен к закалке, тогда используют более сильный тепловой режим, благодаря чему объем разогреваемого материала возрастает, а сам он остывает медленнее. В определенных ситуациях (если сварка проводится при пониженной температуре воздуха, металл имеет большую толщину или является сталью, склонной к закалке, и др.) помогают предварительный или сопровождающий подогрев либо околошовной зоны, либо всего изделия. Температура, до которой следует довести металл, зависит от его свойств и составляет 300–400 °C для бронзы, 250–270 °C для алюминия, 500–600 °C для стали, 700–800 °C для чугуна и т. д.

Если сваривают жестко зафиксированные детали или конструкции, тогда применяют менее интенсивный тепловой режим и варят электродами, способными давать пластичный металл шва.

13. Осуществляют отжиг и нормализацию изделия или конструкции после окончания сварки (последнее полностью ликвидирует напряжения). При отжиге температуру стального изделия доводят до 820–930 °C, выдерживают (общее время составляет примерно 30 минут, длительная выдержка нежелательна, поскольку приводит к росту зерен) и постепенно охлаждают (на 50–75 °C в час), доводя температуру до 300 °C. Это дает ряд преимуществ: во-первых, шов приобретает мелкозернистую структуру с улучшенным сцеплением зерен, благодаря которой металл шва и околошовной зоны становится более пластичным, во-вторых, металл шва получается менее твердым, что имеет большое значение для последующей обработки резанием или давлением; в-третьих, это полностью снимает внутренние напряжения в изделии.

Основные отличия нормализации от полного отжига – более высокая скорость охлаждения, для чего температура, до которой нагревают изделие, на 20–30 °C превышает критическую, и то, что выдержка и охлаждение проводятся на воздухе.

14. Избегают планировать в изделиях и конструкциях сварные швы, неудобные для выполнения, например вертикальные, потолочные.

15. Обеспечивают минимальную погонную энергию, достижимую при высокой скорости сварки в сочетании с наименьшими поперечными сечениями швов.

16. Уменьшают число прихваток и их сечения.

17. Проковывают швы в холодном или горячем состоянии, что уменьшает внутренние напряжения и увеличивает прочность конструкции.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Деформации и напряжения при сварке

В процессе сварки участки соединяемых деталей подвергаются интенсивному температурному воздействию. Деформации и напряжения при сварке неизбежны.

В процессе сварки участки соединяемых деталей, которые оказываются в зоне сварного шва и вокруг него, подвергаются интенсивному температурному воздействию: вначале быстро нагреваются до температур плавления, а затем почти с такой же интенсивностью остывают. Деформации и напряжения при сварке — неизбежное следствие таких процессов.

Влияние структур металла

При сверхбыстром нагреве в любом металле происходят структурные изменения. Они вызваны тем, что составляющие микроструктуры любого металла имеют различные размеры зерна.

Применительно к нелегированным средне- и низкоуглеродистым сталям (стали с повышенным содержанием углерода, как известно, свариваются плохо), при различных температурах в них могут образовываться, в основном, следующие структуры:

1. Аустенит — твердый раствор углерода в α-железе. Образуется при температурах нагрева выше 723⁰С, и существует, в зависимости от процентного содержания углерода в стали, до температур 1100-1350⁰С. Подвижность зерен микроструктуры в таких условиях — высокая, поэтому аустенитные стали довольно пластичны и при медленном охлаждении не обладают значительным уровнем остаточных напряжений. Частично (до 18-20%) аустенит сохраняется и в структуре стали после окончательного охлаждения. Размеры аустенитного зерна составляют 0,27-0,8 мкм.
2. Карбид железа/цементит. Структура имеет ромбовидную решетку и характеризуется высокой поверхностной твердостью. Размеры зерна находятся в пределах 0,1-0,3 мкм.
3. Феррит — низкотемпературная, самая мягкая составляющая микроструктуры, образующаяся в процессе сравнительно медленного остывания металла, что и происходит во время выполнения сварки под слоем флюса. Зерна феррита — округлые в плане, размером 0,7-0,9 мкм.
4. Перлит — структура, которая формируется в процессе остывания металла и представляет собой смесь феррита и цементита. В зависимости от скорости охлаждения перлит может быть зернистым или пластинчатым. В первом случае зерна вытянуты вдоль оси заготовки, во втором — имеют округлую форму. Средний размер частиц перлита находится в диапазоне 0,6-0,8 мкм. При повышенных скоростях охлаждения вместо перлита появляется более тонкая структурная составляющая, которую называют трооститом. Размеры зерна троостита не превышают 0,2 мкм.
5. Мартенсит — неравновесная структурная составляющая, которая существует только в стали, нагретой до температуры выше 750-900⁰С (с повышением процентного содержания углерода начало мартенситного превращения сдвигается в область более низких температур). Фиксируется в составе стали лишь при ее ускоренном охлаждении, например, при закалке. Такой мартенсит имеет зерно размером 0,2-2,0 мкм.

Еще более сложным составом отличаются легированные стали, в микроструктуре которых появляются карбиды и нитриды составляющих. Кроме того, на размеры зерен сильно влияют скорость охлаждения различных участков деталей, состав атмосферы, в которой выполняется нагрев, интенсивность диффузии материала сварочных электродов и т.п.

Таким образом, основной причиной возникновения напряжений в свариваемых конструкциях являются резко различные размеры зерна в микроструктуре сталей.

Классификация напряжений и деформаций

Основной причиной возникновения сварочных напряжений и деформаций является неравномерность свойств соединяемых деталей. Различают внутренние (остаточные) и поверхностные напряжения. Первые образуются в сваренных деталях при их охлаждении. Они вызывают коробление конструкций, а при повышенных параметрах твердости могут приводить к появлению внутренних разрывов в металле. Такие напряжения опасны по следующим причинам:

1. Не могут быть выявлены визуальным осмотром.
2. Не являются постоянными во времени, иногда увеличиваются при эксплуатации сварного узла.
3. Способствуют снижению эксплуатационной стойкости, вплоть до разрушения сварного шва.

Наличие поверхностных напряжений выявляется легко по короблению элементов сварной конструкции, особенно в тонкостенных. Такие напряжения легко исправляются после сварки. Однако, если такие напряжения превышают предел прочности металла, то на поверхности появляются трещины. Для малоответственных изделий их можно заварить, в остальных случаях сварка считается бракованной. Вероятность возникновения напряжений снижается, если сваривать металлы с примерно схожими физико-механическими свойствами. Более опасными считаются объемные сварочные напряжения, поскольку их знак и абсолютное значение трудно оценить обычными методами.

Следствием действия напряжений являются возникающие деформации при сварке. Они могут быть упругими и пластическими. Упругие деформации возникают в результате действия поверхностных напряжений, когда линейные и объемные параметры металла изменяются: увеличиваются в процессе сварки и уменьшаются при охлаждении зоны сварного шва. Пластические деформации — следствие необратимых изменений формы изделия под воздействием внутренних напряжений, превысивших предел прочности металла.

Важной характеристикой качества сварки является коэффициент неравномерности деформации. Он устанавливается по линейным и угловым изменениям исходных размеров деталей по различным координатам. Неравномерность деформации минимальна тогда, когда свариваемые изделия не фиксируются в каком-либо зажимном приспособлении. Например, при контакте с менее нагретыми тисками температурное расширение соединяемого элемента в данном направлении невозможно, поэтому именно там будут сформированы повышенные остаточные напряжения.

Уровень деформаций в зоне сварного шва увеличивается, если ведется сварка резко разнородных между собой металлов. Это объясняется разнице в физических характеристиках материалов — коэффициентах температурного расширения, теплопроводности, теплоемкости, модуле упругости и т.п.

Работоспособность сварочного узла, в котором остаются внутренние напряжения, определяется условиями его эксплуатации. Например, при низких температурах и динамических нагрузках разрушение сварного шва вследствие имеющихся там напряжений более вероятно, чем в обычных условиях.

Таким образом, после выполнения сварки разнородных металлов, а также деталей с резко различными габаритными размерами, следует более тщательно осматривать сваренную конструкцию. При выявлении угловых или линейных деформаций использовать изделие без исправления дефектов нельзя.

Способы устранения напряжений и деформаций

Причиы деформаций при свврке

Существует достаточно способов избежать сварочного брака по деформациям и напряжениям, имеющимся в сварном шве.

Минимизация размеров шва — наиболее простой способ снизить опасность разрушения узла. С уменьшением ширины шва уменьшается зона действия напряжений, а также усилия коробления детали, вызванные структурными изменениями в ней. При стыковой сварке положительный эффект достигается тщательной подготовкой кромок: их разделывают в виде букв V, U или X. При угловой сварке того же результата можно добиться правильной формой сечения шва: она должна иметь вид параболического треугольника, когда перепад напряжений является наименьшим. Следует отметить, что сварочные напряжения могут взаимно уравновешивать друг друга, поэтому при двухстороннем шве одну его часть выполняют вогнутым параболическим треугольником, а противоположную — выпуклым.

С увеличением длины шва вероятность возникновения сварочных напряжений и деформаций возрастает. Поэтому для разгрузки практикуют выполнение прерывистого шва, когда между его отдельными участками оставляют зоны, не подвергшиеся тепловому воздействию пламени или сварочной дуги. Если по условиям прочности выполнение прерывистого шва невозможно, то в конструкции предусматривают компенсационные ребра жесткости.

Уровень и вероятность возникновения сварочных напряжений и деформаций в поперечном направлении резко снижается, если использовать электроды увеличенного диаметра. При этом температурный перепад по сечению шва уменьшается. Тот эффект дает и уменьшение количества сварочных проходов: каждый последующий увеличивает уровень сварочных напряжений, которые еще не успели снизиться после предыдущего прохода. С этой целью предусматривают двухстороннюю (но однотипную!) разделку кромок.

При сварке деталей с резко различной толщиной, либо сложного Z-образного профиля, шов предусматривают вдоль оси симметрии, когда расстояние до обеих кромок примерно одинаково. В таком случае металл по обе стороны оси симметрии остывает примерно в одинаковых условиях.

Для компенсации возникающих сил растяжения-сжатия практикуют выполнение швов в обратной последовательности. В результате напряжения взаимно уравновешиваются. Обратная последовательность возможна не только по длине, но и по глубине шва.

Особую группу способов, чтобы снизить сварочные напряжения и деформации, образуют конструктивные элементы: промежуточные подкладные пластины, водоохлаждаемые тиски и т.д. В первом случае используют металлы, отличающиеся повышенной теплоемкостью, например, медь. Медные же трубки используют и в конструкциях зажимных приспособлений, при этом место подачи воды должно совпадать с местом накладываемого шва. При выполнении длинных швов эффективны дополнительные зажимы, которые предотвращают термическую деформацию металла в зоне сварки. Такие зажимы снимают лишь после полного остывания соединенной конструкции.

Кардинальным методом снятия напряжений и деформаций, возникающих при сварке, является разупрочняющая термическая обработка готовых конструкций — их отжиг.

Напряжения и деформации при сварке и меры борьбы с ними

Содержание страницы

Причины возникновения сварочных напряжений и деформаций

Сварка, как и другие процессы обработки металлов (литье, термообработка, штамповка и др.), вызывает возникновение в деталях собственных (внутренних) напряжений. Во многих случаях собственные напряжения бывают настолько высокими, что вызывают значительные деформации детали и снижение ее работоспособности.

Основные причины возникновения напряжений и деформаций следующие:

• неравномерный нагрев металла. Местный нагрев металла в зоне сварки от температуры окружающей среды до температуры плавления и затем быстрое охлаждение приводят к образованию тепловых напряжений;
• линейная усадка наплавленного металла. Затвердевший металл уменьшается в объеме, а так как он жестко связан с основным металлом детали, то в переходной зоне возникают внутренние напряжения растяжения;
• структурные изменения возникают в металлах при быстром охлаждении, когда перлитно-ферритная или аустенитная структура околошовной зоны переходит в мартенситную, объем которой больше объема исходной структуры.

Широкий диапазон изменения температуры в месте сварки приводит к изменению физических и механических характеристик металла в околошовной зоне. Из графика (рис. 1) видно, что относительное удлинение δ_т в интервале температур от 100 до 350 °C снижается, а предел прочности стали σ_в повышается. Максимальное возрастание прочности в интервале 200—350 °C при понижении пластичности часто бывает причиной образования в металле трещин. Коэффициент

Рис. 1. Изменение свойств низкоуглеродистой стали в зависимости от температуры.

линейного расширения α с повышением температуры возрастает, а модуль упругости Е резко падает и при температуре около 650 °C практически равен нулю, т. е. сталь утрачивает свои упругие свойства. Предел текучести σ, с повышением температуры снижается. Изменение предела текучести в зависимости от температуры аппроксимируют ломаной прямой линией и принимают таким, как показано на графике штриховой линией.

Структурные изменения, происходящие в металле при нагреве и охлаждении, сопровождаются объемными изменениями, которые и становятся причиной возникновения структурных напряжений. На рис. 2 показана зависимость объемных изменений в стали при нагреве и охлаждении.

Границы нагрева АС1 и АС3 показывают начало и конец образования аустенита, а кривая 1 — изменение объема сталей всех марок при нагреве. В интервале температур АС1 — АС3 α-железо переходит в γ-железо, плотность которого выше, т. е. наблюдается уменьшение объема при нагревании. При охлаждении изменение объема идет по кривой 2. В низкоуглеродистых сталях распад аустенита происходит в интервале температур 900—700 °C, когда сталь пластична, поэтому объемные изменения не вызывают заметного образования структурных напряжений. У закаливающихся и особенно у легированных сталей из-за податливости к переохлаждению распад аустенита происходит при более низких температурах.

Рис. 2. Объемные изменения в стали при нагреве и охлаждении

Так, при полной закалке аустенит переохлаждается до температуры 200—350 °C и затем сразу переходит в мартенсит с резким увеличением объема (кривая 3 на рис. 2). В интервале температур 200—350 °C сталь имеет высокую прочность и упругость, поэтому объемные изменения сопровождаются образованием структурных напряжений. В объемах с мартенситной структурой возникают остаточные напряжения сжатия, а по границам — продольные напряжения растяжения. В более пластичных сталях растягивающие напряжения вызывают пластические деформации, а в более хрупких — трещины и даже отколы.

Влияние пористости швов на характеристики сварных соединений

Поры в сварном шве влияют на плотность и механические характеристики сварного соединения. Присутствие пор в шве приводит к уменьшению фактического поперечного сечения шва и, как следствие, к ухудшению механических характеристик сварного соединения в целом. При уменьшении сечения шва до 5% предел текучести, относительное удлинение и угол загиба существенно не изменяются. Более высокая пористость приводит к резкому снижению упомянутых характеристик. Механические свойства сварных соединений высокопрочной стали более подвержены влиянию пористости, чем низкоуглеродистой. Пористость больше сказывается на свойствах угловых швов и меньше — стыковых. При испытании на статический изгиб даже мелкие поры вызывают надрывы, если они расположены близко к поверхности шва. Влияние пор на сопротивление усталости сварных соединений при переменных нагрузках значительнее, чем при статических испытаниях. Установлено, если поры уменьшают площадь поперечного сечения шва всего на 0,8%, то сопротивление усталости сварного соединения снижается на 20%. При более значительном уменьшении сечения сопротивление усталости сварного соединения снижается почти в три раза. Наличие пор в продольных швах менее опасно, чем в поперечных, особенно при низких рабочих напряжениях. Поры, выходящие на поверхность шва (свищи), уменьшают коррозионную стойкость сварного соединения. Требования к качеству сварных швов устанавливаются стандартами, техническими условиями и правилами по контролю и приемке сварных соединений. Допустимость по количеству, размерам и распределению пор решается в зависимости от условий эксплуатации сварных конструкций. Пористость швов не допускается в сварных сосудах, работающих под давлением или вакуумом, а также предназначенных для хранения и перевозки жидких и газообразных продуктов.

Если количество, размер и распределение пор в швах не превышают требований допустимых норм, это не приводит к потере несущей способности сварной конструкции. Для обнаружения пор в швах применяются следующие методы:

• внешний осмотр;
• осмотр изломов швов, полученных при сварке технологических проб;
• осмотр микрошлифов;
• ультразвуковой контроль;
• радиографический контроль.

Меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями

Наиболее эффективное средство снижения собственных напряжений — подогрев детали перед сваркой и медленное охлаждение после нее. Предварительный подогрев в значительной степени снижает тепловые и усадочные напряжения, а медленное охлаждение предотвращает структурные превращения, особенно в околошовной зоне.

Стали, податливые закалке, с содержанием углерода 0,35% и более подогревают до температуры 150—280 °C. Для получения наплавленного слоя высокого качества высокоуглеродистые (более 0,35% углерода) и легированные стали после сварки или наплавки подвергают термической обработке, которая не только улучшает качество шва, но и снимает собственные напряжения. В некоторых случаях применяют высокотемпературный отпуск стали после наплавки, т. е. нагрев до температуры 600—650 °C, выдержка при этой температуре из расчета 2—3 мин на 1 мм толщины металла и медленное охлаждение вместе с печью.

Для подогрева деталей используют индукторы, многопламенные и однопламенные газовые горелки, специальные печи и т. п. Применение предварительного нагрева, отпуска и термообработки всегда связано со значительным усложнением процесса и снижением производительности. Поэтому для уменьшения собственных напряжений и деформаций разработаны и успешно применяются менее трудоемкие способы.

При сварке и наплавке симметричных деталей сварочные швы накладывают в определенной последовательности, вызывающей уравновешивающие деформации (рис. 3). Иногда при подготовке деталей к сварке создают деформации, обратные деформациям, ожидаемым после сварки (рис. 4). При многослойной наплавке деталей рекомендуется послойная проковка швов пневматическим зубилом с закругленным лезвием. Чтобы не вызвать трещин и надрывов, первый и последний швы не проковывают. Не рекомендуется проковывать хрупкие и закаленные швы.

Рис. 3. Последовательность наложения швов на симметричные детали

Рис. 4. Создание обратных деформаций при сварке

Деформации, возникающие в деталях после наплавки, устраняются механической или термической правкой.

Для механической правки применяют молоты, различные правильные (рихтующие) вальцы и прессы.

При термической правке выпуклую сторону деформированной детали быстро нагревают до температуры 700—800 °C и свободно охлаждают. Уравновешивающие деформации, возникающие при этом, выравнивают деталь.

Часто для термической правки в качестве источника тепла используют газовые горелки.

При сварке двутавровых балок для предотвращения грибовидности поясов целесообразно применять предварительный обратный изгиб заготовок поясов. Величину изгиба определяют опытным путем. Устранение образовавшейся грибовидности поясов обеспечивается при местном концентрированном нагреве деформированного участка газовым пламенем и быстром его охлаждении. В результате в исправляемом элементе конструкции возникают усилия, достаточные для уменьшения или исправления местного дефекта. Для устранения значительных деформаций одновременно с нагревом применяют механизированные средства — струбцины, домкраты, тиски и т. п. Нагрев ведут, как правило, со стороны выпуклой части деформированной поверхности (рис. 5). Детали охлаждают естественным путем на воздухе, но возможно водяное охлаждение для сталей, не склонных к закалке. Нагрев производят универсальными горелками типа ГЗ-3, работающими на ацетилене или газозаменителях.

Рис. 5. Места нагрева деформированного участка

Техника правки состоит в следующем. Сначала выбирают участок нагрева и определяют ширину зоны нагрева. Эта зона должна составлять 0,5—2 толщины листа. Нагревают выбранную зону пламенем горелки до температуры 250—650 °C в зависимости от величины прогиба. Следует учитывать, что температура нагрева не должна превышать температуру начала структурных превращений исправляемого металла.

 

Просмотров: 1 094

Деформации и напряжения при сварке

Деформации и напряжения металлов при сварке способны возникать из-за множества различных причин. Они отрицательно влияют на механическую прочность свариваемых конструкций. Наиболее распространенные причины проявления деформаций, напряжений — это неравномерно осуществляемое нагревание, охлаждение соединяемых деталей, структурные модификации металла шовного соединения, литейная усадка наплавляемого металла.

Причины проявления деформаций, напряжений материалов

При сварных работах соединяемые образцы подвергаются воздействию достаточно высоких температур. Напряжения, деформации могут образовываться в следующих ситуациях:

• литейная усадка;
• нагревание материала на соединяемом участке осуществляется неравномерно;
• изменения структуры металла при охлаждении после нагревания. Сначала происходит деформация кристаллических зерен, после — всей металлической конструкции.

Литейная усадка

Данный процесс происходит из-за образования в поверхностных слоях металла, которые непосредственно касаются сварного шва, остаточных напряжений. Основная причина этого — уменьшение объема охлаждаемой сварной ванны. Происходит растягивание ближайших слоев металла изделий. При минимальном объеме ванны деформации, напряжения, формирующиеся в процессе ее затвердевания, тоже минимальны.

Нагревание/охлаждение производится неравномерно

В результате неравномерного увеличения температуры металла, в нем формируются напряжения тепловые, осуществляется изменение пластичности, прочностных характеристик. Если температура нагревания высокая, показатель теплопроводности материала минимальный, тогда напряжения тепловые будут повышенными.

Деформации и напряжения при сварке формируются под воздействием тепловой энергии электротока. Основными причинами их возникновения является неравномерный разогрев материала, неправильное охлаждение, усадка жидкого материала ванны, изменения структуры металла на участке термического воздействия, в соединительном шве.

Изменения структуры материала

Причинами данного процесса являются образования растягивающих/стягивающих напряжений. Подобные преобразования иногда способствуют изменению объема соединяемого металла. В процессе сварки образцов из сталей низкоуглеродистой группы, напряжения незначительны, существенно не влияют на качество сваривания. Достаточно большие деформации возникают в период сваривания образцов из сталей легированной группы с наличием углерода больше 0,35 процентов. В данном случае не исключено образование в сварочных швах горячих трещин.

Процедуру деформации металла можно охарактеризовать:

• углом поворота;
• укорочениями, прогибами образцов;
• величинами точек шва;
• параметрами выхода из плоскости, образующей равновесие.

Мероприятия, способствующие снижению деформаций

Достичь сокращения сварочных напряжений и уменьшения деформации при соединении металлических образцов достаточно сложно. Для этого нужно предпринимать следующие меры:

• Предварительно до начала сварных работ, еще в процессе проектирования металлоконструкции, анализируются последствия взаимодействия металлов при выполнении сварочных работ. Если подобранные материалы не сочетаются друг с другом, для выполнения соединения необходимо приложить большие усилия, сварочная процедура требует дополнительных материальных вложений, можно подобрать другой металл, уменьшить скорость выполнения шва, поменять конструкцию, сделать в ней минимальное число сварных швов.
• При непосредственном проведении сварных работ нужно правильно организовать последовательность выполнения соединения деталей. Замыкающие швы конструкции должны производиться в самую последнюю очередь. При выполнении сварки вручную, когда сварные швы достаточно длинные, соединение необходимо выполнять в ступенчатом порядке, и максимально жестко скреплять между собой узлы.
• Кроме этих мероприятий, непосредственно перед началом выполнения соединения изделий, можно незначительно повредить их кромки в направлении, обратном направлению предполагаемой деформации.
• Если предварительно соединяемые металлические детали незначительно подогреть, сварочные деформации металла шва будут минимальными. Сварочное напряжение, на которое не обратили внимания в период проведения сварочных работ, способно отрицательно повлиять на жесткость, прочность соединяемой конструкции.

По окончании сварки обязательно производится термический отпуск. Подобная процедура обеспечивает уменьшение остаточных напряжений, повышает пластические свойства сварочного соединения.

Как снять напряжение при сварке

Жаль, что дуговая сварка так хорошо работает. Это доказано, экономично. Для многих приложений ничто и близко не подходит, по крайней мере, пока. Почему обидно? Потому что на микроуровне дуговая сварка вызывает серьезные нагрузки из-за резких перепадов температуры, измеряемых тысячами градусов.

Сварочная горелка откладывает присадочный металл, который становится расплавленным и расширяется из своего ранее холодного состояния в виде проволоки или прутка.Сразу после наплавки и последующего сплавления между основным металлом и металлом шва металл быстро остывает. Присадочный металл с высоким пределом текучести сжимается или сжимается, увлекая за собой основной металл с более низким пределом текучести. Крепко зажатый металл может оставаться на месте до сварка, но при этом сила сжатия не исчезает. Охлажденный металл сварного шва все еще хочет усадиться Когда металл не зажат, металл сварного шва тянется за основной металл, и сварной шов деформируется. Степень, в которой это происходит, зависит от геометрии сварного шва, конструкции детали, а также марки и толщины материала.Как правило, чем выше содержание углерода в металле и тем более прочным является соединение, тем больше стресс.

Конечно, металлургическая картина намного сложнее, но это основная идея.

В промышленности существует множество способов уменьшить такое напряжение сварного шва. Любой метод должен выполнять по крайней мере одно из двух: контролировать температуру и совершенствовать процедуру сварки, которые противодействуют неизбежным силам, возникающим при сплавлении двух металлов вместе с помощью электрической дуги.

По поводу статьи «Как сделать» в этом месяце FABRICATOR поговорил с тремя экспертами. Что касается технологии нагрева и сварки, мы поговорили с Карлом Смитом, давним менеджером по качеству и техником по сварке в Kanawha Manufacturing Co. Мы также поговорили с двумя экспертами о некоторых нетрадиционных технологиях снятия напряжения: Томом Хебелем, вице-президентом Bonal Technologies, и Биллом Кашином, территория менеджер по Bolttech Мэннингс.

1. Уточните процедуру сварки

Настройка; выбор электрода; наряду с типом сварного шва (угловой, бороздчатый, стыковой и т. д.), размер и ориентация — все это влияет на то, как сварное соединение реагирует на напряжение.

Предварительная гибка или предварительная настройка. Основной металл можно настроить таким образом, чтобы компенсировать усадку сварного шва. Например, когда две заготовки предварительно настроены так, что один конец стыка соединен вместе, а дальний конец стыка немного разнесен, остывающий металл сварного шва тянет две заготовки до тех пор, пока к концу сварного шва соединение не окажется в правильной ориентации.

Выровняйте сварной шов. Двусторонние сварные швы, такие как соединения с двойной V-образной канавкой, уравновешивают индуцированные напряжения и часто приводят к более стабильной сборке.«Это особенно верно для более толстого материала», — сказал Смит. «Два полудюймовых сварных шва на каждой стороне 1-дюймовой пластины уравновешивают сварной шов и минимизируют деформацию».

Отступление. Шаг назад немного похож на лунную походку со сварочным пистолетом. Вы начинаете на несколько дюймов от начала стыка и снова привариваете к краю; затем продвигайтесь дальше по стыку и сваривайте обратно туда, где вы первоначально зажгли предыдущую дугу; затем пройдите дальше по стыку и снова приварите к предыдущему сваренному сегменту; и так далее, пока стык не будет готов.Это противодействует усадке за счет фокусирования начальных напряжений от краев заготовки.

Прерывистая сварка. Если прерывистая сварка или сварка стежком соответствует требованиям к конструкции, она не только помогает уменьшить деформацию, но и требует меньше металла сварного шва.

Расходные материалы. При сварке проволокой «вы можете заставить проволоку диаметром 0,035 дюйма уложить столько же, сколько проволока диаметром 0,045 дюйма», — сказал Смит. «Вы можете просто увеличить скорость подачи проволоки». Он добавил, что меньшее тепловложение, необходимое для расплавления проволоки меньшего размера, перевешивает любые преимущества снижения нагрева, которые могут возникнуть при более высокой скорости перемещения при использовании проволоки большего размера.

Сварной металл: больше — не лучше. В кодах указаны конкретные требования к размеру сварного шва, включая максимально допустимую высоту валика над пластиной. Хитрость заключается в том, чтобы уложить ровно столько сварочного металла, чтобы создать самый прочный стык, и не более того. Сильно выпуклый валик не делает сварной шов прочнее, но увеличивает силы усадки, потому что более прочный металл шва тянется к основному металлу, поскольку сварной шов остывает.

Здесь учитывается техника. «Многопроходный сварной шов со стрингером создаст меньше деформации, чем переплетенный валик», — сказал Смит.

Техника стрингера обычно обеспечивает более высокие скорости перемещения, что снижает тепловложение. Каждый проход пистолета оставляет меньше металла шва, что, в свою очередь, помогает лучше контролировать размер сварного шва.

Сварщики обычно ткают только в крайнем случае, сказал Смит. «Покровный проход на бусине плетения может выглядеть лучше, чем бусинка стрингера, но если сварщик знает, что он делает, и правильно размещает свой валик, он может сделать так, чтобы он выглядел так же хорошо, как и бусинка плетения».

Конечно, есть множество исключений.Сварщики трубопроводов часто работают под уклон, но скошенное отверстие в трубопроводе обычно намного меньше, чем на обычной плите. И «круглые детали в любом случае деформируются не так сильно, как плоские», — сказал Смит.

Тем не менее, когда дело доходит до контроля искажений, обычно лучше всего подходят бусины для нитей. «У каждой бусинки свой уровень напряжения», — объяснил Смит. «Чем шире валик, тем большее напряжение вы приложите к сварному шву, поэтому у вас будет больше« тяги », больше искажений, чем у меньшего валика.«

Подгонка: лучше всего маленький корень. Затвердевающий металл шва вытягивает основной металл, и этот эффект усугубляется чрезмерно широким корневым отверстием, особенно в больших сварных деталях и в областях с плохой подгонкой. «Некоторые ситуации не подходят для плотного корня, — сказал Смит, — но обычно с помощью современных сварочных аппаратов можно обойтись во многих случаях с отверстием в корне 1/16 дюйма».

Приваривайте от наиболее ограниченного к наименее ограниченному участку. По словам Смита, это следует принципам, аналогичным принципам предварительной гибки и предварительной настройки.Рассмотрим раму с крестовиной, идущей по центру. Крестовина, окруженная рамой, является наиболее жесткой из всех частей в сборке. Так что сначала нужно приварить эту крестовину. Центральная деталь, если ее сначала сварить, меньше ограничивает окружающий металл и может свободно перемещаться и снимать остаточные напряжения, прежде чем приступить к сварке рамы.

2. Контрольная температура

Предварительный нагрев, поддержание температуры между сварочными проходами (температура между проходами) и термообработка после сварки (PWHT) работают для достижения одной цели: контролировать изменения уровней нагрева.Чем больше у вас контроля над перегревом, тем больше вы можете противодействовать нагрузкам и тем меньше вероятность деформации сварного шва, особенно в сильно зажатых соединениях. Когда вы уменьшаете скорость охлаждения, вы уменьшаете усадочные напряжения. и дать водороду больше времени для рассеивания, уменьшая вероятность растрескивания под бортом.

Материальные факторы. Прогнозирование необходимого минимального предварительного нагрева, температуры между проходами и термической термообработки зависит от области применения и степени прочности соединения. Конкретные свойства материала влияют на то, насколько сильно металл будет деформироваться.К ним относятся коэффициент теплового расширения (насколько металл расширяется при нагревании), теплопроводность (насколько быстро он рассеивает тепло), предел текучести, и модуль упругости (жесткость материала).

В качестве отправной точки обратитесь к правилам сварки конструкций AWS D 1.1, Руководству по сварке, руководствам, опубликованным производителем стали, и другим источникам для получения рекомендованных минимальных температур предварительного нагрева и промежуточного прохода для конкретных сплавов. Как правило, более высокое содержание углерода означает более высокие минимальные температуры предварительного нагрева и промежуточного прохода.

В большинстве случаев предварительный нагрев, промежуточный нагрев и PWHT не требуют поддержания точной температуры, если вы поддерживаете минимальную температуру. Однако есть исключения, в том числе закаленная и отпущенная сталь. Они поступают на сварочную станцию ​​уже прошедшими термообработку сталелитейщиком, поэтому предварительный нагрев при слишком высокой температуре может нарушить свойства материала; другими словами, закаленные и закаленная сталь больше не закаляется. «Например, — сказал Смит, — сплавы ASTM A514 и A517 никогда не следует предварительно нагревать более чем на 150 градусов по Фаренгейту выше рекомендованного [минимального] предварительного нагрева.«

Нержавеющая сталь может быть особенно раздражительной. «Мы поддерживаем температуру между проходами ниже 350 градусов по Фаренгейту», — пояснил Смит. «Мы используем дистиллированную воду в аэрозольных баллончиках. Вода на углеродистой стали приводит к ее растрескиванию. Но на нержавеющую сталь она не влияет, если вы используете дистиллированную воду, в которой нет хлора». Содержание никеля и хрома в нержавеющей стали делает металл особенно чувствительным к искажение, потому что элементы не рассеивают тепло быстро.

Как правило, металлы, которые быстро рассеивают тепло, требуют более высокого предварительного нагрева.Термообрабатываемые алюминиевые сплавы можно предварительно нагреть до 300–400 градусов по Фаренгейту в качестве дополнительной меры предосторожности против растрескивания и, что наиболее важно, для рассеивания водорода. Оксид алюминия на основном металле и металле шва притягивает влагу, которая вводит водород (H в h3O). Поскольку алюминий быстро рассеивает тепло, водород становится застрял, так как металл шва быстро остывает. Медленное охлаждение, создаваемое за счет предварительного нагрева, дает водороду время для выпекания сварного шва. «Вот почему сварщик часто может сказать, что он« кипятит воду »из материала», — сказал Смит.

Высоколегированные материалы, такие как хром-молибден, также быстро рассеивают тепло и обычно требуют высоких температур предварительного нагрева. По словам Смита, предварительный нагрев даже прихваточных швов часто является наилучшей практикой. Трещины могут начинаться в прихватке и «проходить сквозь сварной шов и доходить до вершины». Он добавил, что некоторые области применения хром-молибдена требуют предварительного нагрева примерно до 400 градусов по Фаренгейту и выдержки после сварки. температура около 600 градусов по Фаренгейту до снятия напряжения.

Медь

, которая очень быстро рассеивает тепло, требует очень сильного предварительного нагрева, «чтобы сварочный присадочный металл мог попасть в соединение и образовать хорошее соединение», — сказал Смит.Для меди толщиной более 1 дюйма может потребоваться предварительный нагрев до 1200 градусов по Фаренгейту (См. Раздел «Оптимизация снятия напряжений», чтобы узнать о способах применения такого сильного предварительного нагрева непосредственно к заготовке, без печи).

Эффекты перерыва на кофе: Держите его горячим. Представьте, что вы предварительно нагреваете соединение с помощью горелки, свариваете несколько футов, останавливаетесь, делаете небольшой перерыв, а затем возобновляете работу, не поднимая горелку предварительного нагрева и снова не нагревая область соединения. Чтобы свести к минимуму деформацию, вы должны снова взять горелку предварительного нагрева, чтобы снова нагреть этот материал до требуемой температуры между проходами.»Вам необходимо поддерживать температуру промежуточного прохода на протяжении всего сварного шва «, — пояснил Смит, добавив, что термоциклирование особенно опасно для хромомолибденовых и закаленных и отпущенных материалов.

Предварительный нагрев горелки. При предварительном нагреве горелкой «мы рекомендуем 6 дюймов с каждой стороны сварного шва» для больших заготовок, — сказал Смит, добавив, что ширина применяемого предварительного нагрева и конкретный используемый метод зависят от материала и геометрии заготовки.

Типы горелок

различаются, но сварщики Смита используют многопламенные горелки с вихревым наконечником и пропиленовым газом.«Газ пропилен не такой высококонцентрированный, как ацетилен, — сказал он, — и мы не хотим концентрировать тепло во время предварительного нагрева».

PWHT не заменяет предварительный нагрев. Послесварочная термообработка и предварительный нагрев дополняют друг друга, объяснил Смит, но не заменяют друг друга. Верно, что в некоторых случаях локализованный предварительный нагрев может служить заменой PWHT, когда перемещение заготовки в печь для PWHT нецелесообразно (подумайте о морских нефтяных вышках). PWHT не работает как заменитель предварительного нагрева, потому что не снижает напряжения, возникающие сразу после зажигания дуги на холодном, не подогретом основном металле.К моменту применения PWHT уже слишком поздно исправить проблему.

3. Оптимизация снятия напряжений

«С годами сварщики усовершенствовали методы снятия напряжения и сведения к минимуму деформации: предварительный нагрев в печи или с помощью горелки, использование тепловых одеял и, при необходимости, отправка деталей в печь для термообработки после сварки. Обратите внимание на одну общую черту среди всех этих методов : time. Но некоторые технологии используют альтернативные подходы, которые упрощают работу и даже улучшают сварку. качество.

Доступны различные альтернативы, включая методы индукционного нагрева. Здесь мы обсуждаем два варианта: резистивный нагрев и вибрацию.

Терморегулятор сопротивления. Электрогрелка включает резистивные нагревательные элементы, которые могут повышать температуру заготовки до соответствующего уровня до, во время и после сварки, чтобы соответствовать стандартным методам предварительного нагрева, промежуточного прохода и PWHT (см. , рисунок 1, и , рисунок 2, ). Подушечка состоит из переплетенных бусин, сплетенных вместе с помощью проволоки с высоким сопротивлением.Устройство может нагреваться до 1850 градусов по Фаренгейту (компания Смита использовала эту технологию для предварительного нагрева толстой медной пластины до более 1000 градусов F.)

В контроллере температуры используется система термопар, приваренных к детали, для считывания фактической температуры металла, которая отслеживается на протяжении всей операции. Сварщикам не нужно использовать температурные мелки для измерения температуры предварительного нагрева. Прокладку также не нужно снимать во время сварки.

Как объяснил Билл Кашин из Bolttech Mannings: «Предположим, вы свариваете два куска трубы вместе, а код говорит, что вам необходимо предварительно нагреть их до 400 градусов F.Вы должны прикрепить термопару, прикрепить грелку, надеть изоляцию, чтобы защитить себя, и поднять температуру до 400 градусов по Фаренгейту. Когда нагреватель достигнет этой температуры, он будет циклически включаться и выключаться, чтобы поддерживать эту температуру. пока не закончите сварку. «

Показания машины также могут быть сохранены в виде записи температуры детали до, во время и после сварки, что полезно для работы на уровне кода или страхования, например, ремонтных работ на электростанциях.

Прокладки предназначены для обертывания заготовки, с частью съемной изоляции поверх стыка.Для предварительного нагрева вся заготовка закрывается. Затем вы снимаете изоляцию с области сварного шва и начинаете сварку. Когда вы делаете перерыв, вы снова кладете изоляцию на стык, чтобы поддерживать температуру предварительного нагрева. Затем подкладки нагревателя могут быть добавлены в зону сварки для снятия напряжения. рельеф, избавляющий от необходимости переносить деталь в печь для термообработки.

Снятие вибрационного стресса. В другом методе используется то, что кажется несвязанным, но это: вибрация (см. , рис. 3, ).

«Согласно физике, тепло — это вибрация», — сказал Том Хебель из Bonal Technologies. Чем больше нагревается, тем быстрее колеблются его молекулы. «Мы вызываем вибрацию в детали, и деталь реагирует так, как будто она имеет такое же внутреннее действие, когда деталь нагревается для термообработки. Это крутой процесс, но внутри есть движение».

Если во время сварки металл вызывает вибрацию с определенной частотой, это дополняет тепло сварочного шва, которое вызывает вибрацию расплавленного металла на молекулярном уровне.Это примерно аналогично встряхиванию банки с шариками разной формы или вибропитателя в процессе штамповки, когда все успокаивается и «упаковывается». Уровень вибрации, по словам Хебеля, очень специфичен: в нижней, или субгармонической, часть гармонической кривой, непосредственно перед тем, как амплитуда быстро возрастет и достигнет естественного резонанса детали.

Устройство вызывает вибрацию в заготовке и контролирует реакцию заготовки. Чем больше вибрации вложено в деталь, тем больше она будет поглощать — до определенного предела.«В определенный момент любая дополнительная энергия заставит деталь отбрасывать энергию», — сказал он.

Уловка, объяснил Хебель, состоит в том, чтобы вызвать частоту вибрации, которая находится в определенной точке ниже ее точки резонанса. Именно здесь вибрация оказывает наибольшее демпфирующее действие, нейтрализуя напряжение, вызванное теплом сварного шва.

Чаще всего вибрационное устройство применяется после сварки для снятия напряжения, по существу заменяя PWHT. Но его также можно применять во время сварки для улучшения качества сварного шва за счет измельчения зерна и уменьшения напряжения.Фактически, применение правильной вибрации во время сварки может полностью исключить необходимость в PWHT, если только не требуется отпуск зоны термического влияния.

«При сварке возникает термическое напряжение», — сказал Хебель. «Таким образом, когда вы проводите сварку [с использованием субгармонической вибрации во время сварки], вы устраняете эффект теплового напряжения, поскольку оно индуцируется. Итак, после сварки, если эффекты теплового напряжения отсутствуют, зачем отправлять деталь в печь для снятия напряжений «»

В некоторых случаях, по словам Хебеля, он может заменить требования к низкотемпературному предварительному нагреву, от 250 до 300 градусов по Фаренгейту.«Из-за ускоренного движения основного материала сварная деталь« думает », что она предварительно нагрета». Однако обычно вибрационная подготовка шва дополняет существующие процедуры предварительного нагрева для повышения качества сварки.

Хебель сравнивает большую стальную деталь с напряжением, вызванным сваркой, с расстроенным инструментом. После сварки температура резко падает. В этот момент внутри и вокруг зоны термического влияния естественная гармоническая кривая детали слегка смещается, «не в гармонии» с остальной частью сборки.Противодействие этому эффекту с помощью индуцированной вибрации во время и после сварки снимает напряжение, о чем свидетельствует гармоническая кривая движется «в гармонии» с остальной частью сборки.

% PDF-1.4 % 288 0 объект > endobj xref 288 244 0000000016 00000 н. 0000006295 00000 н. 0000006504 00000 н. 0000006548 00000 н. 0000006584 00000 н. 0000008940 00000 н. 0000009074 00000 н. 0000009222 00000 п. 0000009355 00000 п. 0000009501 00000 п. 0000009635 00000 н. 0000009783 00000 н. 0000009917 00000 н. 0000010065 00000 п. 0000010207 00000 п. 0000010355 00000 п. 0000010489 00000 п. 0000010635 00000 п. 0000010767 00000 п. 0000010917 00000 п. 0000011051 00000 п. 0000011197 00000 п. 0000011412 00000 п. 0000011560 00000 п. 0000012256 00000 п. 0000012704 00000 п. 0000012878 00000 п. 0000013045 00000 п. 0000013454 00000 п. 0000013642 00000 п. 0000013679 00000 п. 0000013782 00000 п. 0000013988 00000 п. 0000014192 00000 п. 0000014382 00000 п. 0000014563 00000 п. 0000034333 00000 п. 0000044898 00000 н. 0000050611 00000 п. 0000056245 00000 п. 0000061133 00000 п. 0000066527 00000 п. 0000067068 00000 п. 0000067197 00000 п. 0000071993 00000 п. 0000081132 00000 п. 0000083825 00000 п. 00000 00000 п. 0000101067 00000 п. 0000101486 00000 п. 0000101742 00000 н. 0000102666 00000 н. 0000102845 00000 н. 0000103189 00000 п. 0000103373 00000 н. 0000103907 00000 н. 0000104027 00000 н. 0000117964 00000 н. 0000118003 00000 н. 0000118681 00000 п. 0000118834 00000 н. 0000119121 00000 н. 0000119269 00000 н. 0000119880 00000 н. 0000120033 00000 н. 0000120617 00000 н. 0000120770 00000 н. 0000121339 00000 н. 0000121492 00000 н. 0000122062 00000 н. 0000122215 00000 н. 0000122777 00000 н. 0000122930 00000 н. 0000123475 00000 н. 0000123628 00000 н. 0000124162 00000 н. 0000124315 00000 н. 0000124857 00000 н. 0000125010 00000 н. 0000125538 00000 п. 0000125691 00000 п. 0000126226 00000 н. 0000126379 00000 н. 0000126896 00000 н. 0000127049 00000 н. 0000127647 00000 н. 0000127800 00000 н. 0000128318 00000 н. 0000128471 00000 н. 0000128991 00000 н. 0000129144 00000 н. 0000129673 00000 н. 0000129826 00000 н. 0000130346 00000 п. 0000130499 00000 н. 0000131024 00000 н. 0000131177 00000 н. 0000131694 00000 н. 0000131847 00000 н. 0000132450 00000 н. 0000132603 00000 н. 0000132755 00000 н. 0000132908 00000 н. 0000133061 00000 н. 0000133214 00000 н. 0000133367 00000 н. 0000133520 00000 н. 0000133672 00000 н. 0000134291 00000 н. 0000134445 00000 н. 0000134598 00000 н. 0000134750 00000 н. 0000134903 00000 н. 0000135056 00000 н. 0000135209 00000 н. 0000135362 00000 н. 0000135515 00000 н. 0000135668 00000 н. 0000135821 00000 н. 0000135974 00000 п. 0000136126 00000 н. 0000136279 00000 н. 0000136432 00000 н. 0000136585 00000 н. 0000136738 00000 н. 0000136891 00000 н. 0000137044 00000 н. 0000137197 00000 н. 0000137350 00000 н. 0000137503 00000 н. 0000137656

Прогнозирование сварочной деформации в конструкции панели с продольными ребрами жесткости с использованием собственных деформаций, полученных с помощью метода обратного анализа

Деформация, вызванная сваркой, не только отрицательно влияет на точность размеров, но и ухудшает эксплуатационные характеристики продукта.Если сварочную деформацию можно точно спрогнозировать заранее, эти прогнозы помогут найти эффективные методы повышения точности производства. До сих пор существует два вида метода конечных элементов (МКЭ), которые можно использовать для моделирования сварочной деформации. Один из них — термоупругий пластиковый МКЭ, а другой — упругий МКЭ, основанный на теории собственных деформаций. Только первый из них может использоваться для расчета сварочной деформации для малых или средних сварных конструкций из-за ограничения скорости вычислений.С другой стороны, последний является эффективным методом оценки общей сварочной деформации для больших и сложных сварных конструкций, даже если он не учитывает подробный процесс сварки. Когда упругий МКЭ используется для расчета деформации, вызванной сваркой, для крупногабаритной конструкции, необходимо заранее определить характерные деформации в каждом типичном стыке. В этой статье был предложен новый метод, основанный на инверсном анализе, для определения собственных деформаций сварных соединений. Путем введения собственных деформаций, полученных предлагаемым методом, в упругий МКЭ на основе теории собственных деформаций, мы спрогнозировали сварочную деформацию конструкции панели с двумя продольными ребрами жесткости.Кроме того, были проведены эксперименты для проверки результатов моделирования.

1. Введение

Деформация, вызванная сваркой, не только отрицательно влияет на точность изготовления, но и ухудшает внешний вид изделия. Слишком много факторов влияют на окончательную деформацию во время процесса сварки, поэтому нелегко найти разумный метод уменьшения или контроля сварочной деформации, полагаясь только на эксперименты или опыт. Однако, если сварочную деформацию можно спрогнозировать заранее, результаты моделирования помогут снизить сварочную деформацию, особенно в больших и сложных сварных конструкциях.Поэтому очень важно и актуально разработать эффективный метод точного прогнозирования сварочной деформации.

До настоящего времени исследователи предложили два численных подхода на основе МКЭ для оценки сварочной деформации. Один из них — термоупругий пластиковый МКЭ [1]. В этом методе термический цикл сварки, переходное напряжение, переходная деформация и сварочная деформация могут быть смоделированы, когда известны условия сварки и зависящие от температуры теплофизические и механические свойства.Однако, поскольку термомеханическое поведение является сильно нелинейным явлением, требуется очень долгое время вычислений, когда термоупругий пластиковый МКЭ используется для расчета сварочной деформации для большой и сложной конструкции. Таким образом, в настоящее время этот метод пригоден только для малых и средних сварных конструкций [2].

Из-за ограничений термоупругого пластического МКЭ был предложен другой метод, названный методом внутренней деформации [3–5], для эффективного прогнозирования сварочной деформации для больших и сложных сварных конструкций.Если для прогнозирования сварочной деформации большой сварной конструкции используется упругий метод конечных элементов, основанный на теории собственных деформаций, необходимо заранее определить собственные деформации в каждом соединении. В принципе, существует четыре основных типа собственных деформаций, а именно: продольная усадка, поперечная усадка, поперечный изгиб (угловая деформация) и продольный изгиб. Они в основном определяются подводимой теплотой, толщиной листа и типом соединения. Для большой сварной конструкции, если известны эти четыре составляющих собственной деформации каждого соединения, полную деформацию, вызванную сваркой, можно спрогнозировать с помощью упругого МКЭ на основе теории собственных деформаций.

В настоящее время есть два метода, которые можно использовать для определения собственных деформаций сварного соединения. Один из них — метод эксперимента, другой — термоупругий пластиковый МКЭ. Поскольку продольная усадка и продольный изгиб во многих случаях очень малы, экспериментальному методу трудно получить их точные значения [6, 7]. С другой стороны, поскольку собственные деформации могут быть выражены остаточными пластическими деформациями, термоупругий пластический МКЭ можно использовать для получения компонентов собственных деформаций сварного соединения [8].В общем, когда термоупругий пластический МКЭ используется для оценки собственных деформаций, точность расчета сильно зависит от теплофизических и механических свойств, которые следует измерять экспериментально [9]. Кроме того, во многих ситуациях следует тщательно учитывать металлургические факторы и модели источников тепла [10]. Как упоминалось выше, существует множество факторов, которые могут повлиять на окончательную деформацию сварной конструкции, поэтому сложно точно предсказать сварочную деформацию с помощью термоупругого пластического МКЭ, особенно

Обзор методов оценки усталости сварных стальных конструкций

При высоких концентрациях напряжений сварные соединения представляют собой наиболее частые места возникновения усталостных трещин в стальных конструкциях, склонных к усталости.Сварка влияет на свойства материала в процессе нагрева, охлаждения и сочетания основного и дополнительного материала. Поскольку сварка является основным процессом соединения элементов стальных конструкций, очевидно, что оценка усталости в процессе проектирования и технического обслуживания становится неизбежной. Существует много методов оценки усталости сварных соединений, но их точность остается под вопросом. В данной статье представлен обзор наиболее распространенных методов оценки усталости сварных стальных соединений.В результате этого обзора выделены области, требующие дополнительных исследований.

1. Введение

В течение срока службы многие стальные конструкции, такие как автомобильные и железнодорожные мосты, платформы для добычи нефти и газа (морские платформы), ветряные мельницы и т. Д., Подвергаются большому количеству повторяющихся циклических нагрузок. Со временем эти нагрузки могут вызвать повреждения, например трещины, в критических местах. Это явление называется «утомляемость». Его можно определить как прогрессирующий локализованный процесс, при котором повреждение постоянно накапливается в конструкции или структурном элементе из-за эффекта циклической нагрузки, которая имеет гораздо меньшую интенсивность, чем статическое сопротивление наблюдаемой конструкции или структурной детали.Исследование Oehme [1] показывает, что усталость занимает третье место в качестве причины разрушения стальных конструкций, склонных к усталости.

Усталостные трещины обычно возникают в местах резкого изменения геометрии или в местах надрезов [2], где наблюдается локализованное увеличение напряжения (концентрация напряжений). Чем меньше вырез, тем больше концентрация напряжений и, в конечном итоге, сокращается усталостный ресурс. Наиболее частыми местами возникновения усталостных трещин в стальных конструкциях являются сварные соединения, поскольку они являются местами с высокой концентрацией напряжений.Очевидно, что оценка усталости становится неизбежной при проектировании и техническом обслуживании из-за того, что сварка является основным процессом соединения элементов в ранее упомянутых конструкциях. Кроме того, в последние несколько лет высокопрочные стали все чаще используются для изготовления стальных конструкций из-за снижения собственного веса конструкции, и, хотя ее использование дает положительный эффект, усталость становится ведущим предельным состоянием по пределу прочности.

В статье представлен обзор особенностей сварных соединений, критичных к усталости, и наиболее важных методов расчета и оценки усталостной долговечности сварных стальных конструкций, склонных к усталости.Области, требующие дополнительных исследований, выделены в результате обзора.

2. Усталость сварных соединений

2.1. Усталость в целом

Термин «усталость» впервые был упомянут в 19 веке для описания разрушения конструкции или структурного элемента, подвергающегося циклической нагрузке. Исследование усталости было впервые проведено Августом Велером, исследовавшим отказ осей поездов. Он обнаружил, что структурная нагрузка, которая намного ниже ее статического сопротивления, не вызывает никаких повреждений.Однако в случае повторения одной и той же нагрузки в течение длительного периода времени это может привести к разрушению конструкции или элемента конструкции. В XIX веке усталость была загадочным явлением, потому что усталостные повреждения не могли быть замечены, а поломка происходила без всякого предупреждения. В ХХ веке стало известно, что циклическое (повторяющееся) нагружение конструкции инициирует механизм усталости и, соответственно, зарождение и распространение трещин. С тех пор, как это явление усталости стало общепризнанным, было проведено много исследований и достигнут значительный прогресс в разработке методов оценки усталости, понимании механизма усталости конструкций и материалов, а также в разработке деталей, устойчивых к усталости.Однако это явление требует дальнейшего изучения [3].

Хронология развития утомления с 1837 по 1994 гг. Приводится Шютцем [4], а также Манном [5] в его коллекции из 21 075 литературных источников в его четырех книгах, посвященных проблеме усталости материалов и конструкций с 1838 г. по 1990 г. Обзор методов оценки усталости с 2002 г. и факторов, влияющих на усталостное поведение конструкций и материалов, был проведен Куи [6].

Понимание механизма усталости является необходимым условием при рассмотрении различных факторов, влияющих на усталостную долговечность, и выборе подходящих методов оценки.Усталостная долговечность конструкции или структурного элемента измеряется от фазы зарождения и распространения трещины. Трещины, образовавшиеся при циклическом нагружении, обычно возникают на поверхности структурного элемента, где усталостное повреждение проявляется в виде микроскопических трещин в кристаллографических плоскостях скольжения. Эта фаза называется «фазой зарождения трещины». Кроме того, трещины распространяются от локализованной пластической деформации до макроскопических размеров в направлении, перпендикулярном направлению нагружения, которое представляет собой фазу распространения трещины [3].Фаза зарождения трещины также включает в себя рост трещины в микроскопическом масштабе, но его все еще нельзя увидеть невооруженным глазом. Определить точку между фазами зарождения и распространения трещины очень сложно. На этапе зарождения трещины усталость является поверхностным явлением и зависит от характеристик поверхности материала и условий окружающей среды, в то время как распространение трещины зависит от характеристик материала, по которому трещина распространяется. Эти две фазы были впервые признаны Форсайтом [7], что является одним из самых больших достижений в исследованиях усталости металлов в 20 веке.Механизм усталости в различных материалах и структурах широко описан Шийве [3] в его книге.

Современные теории усталости отдельно анализируют каждую фазу процесса утомления. Теории возникновения трещин основаны на предположении, что усталостные трещины возникают с локальными концентрациями напряжений или деформаций на поверхности структурного элемента из-за различных геометрических форм, таких как отверстия, выемки, неоднородности и т. Д. Распространение трещины и окончательное разрушение (разрушение) анализируются с помощью механики разрушения, которая рассматривает скорость распространения трещины в зависимости от напряженного состояния в вершине трещины.

2.2. Усталостные свойства сварных соединений

Металлоконструкции содержат большое количество геометрически сложных сварных деталей. Сварка влияет на свойства материала в процессе нагрева, охлаждения, а также путем соединения основного и дополнительного материала. Это приводит к неоднородности сварных швов. Сварные швы всегда содержат определенные недостатки, такие как зазубрины, поры, пустоты, недостаточный провар и неполное соединение основного и дополнительного материала. Влияние дефектов на усталостную долговечность сварных соединений рассмотрено Хоббахером [8].Мэддокс работал с оценкой усталостной долговечности сварных швов с дефектами [9] и пришел к выводу, что подход механики разрушения наиболее подходит для таких оценок. Сварка представляет собой резкое изменение геометрии соединения, которое вызывает высокие концентрации напряжений, как показано на рисунке 1.

Сварка проводится путем плавления основного и дополнительного материала с использованием концентрированного источника тепла. Возникновение остаточных напряжений в зоне термического влияния и деформаций элементов из-за деформаций, вызванных нагревом, является результатом быстрого охлаждения после сварки.Локальные концентрации напряжений, которые добавляются к циклическим напряжениям от внешней нагрузки, вызваны остаточными напряжениями в корне или носке шва, и в некоторых случаях усталостная долговечность снижается [10, 11]. На усталостную прочность сварных соединений влияет толщина листов соединяемых элементов. Основываясь на экспериментальных результатах и ​​анализе, Герни [12] подтвердил, что увеличение толщины листа приводит к снижению усталостной прочности сварных соединений. Остаточные напряжения, вызванные процессом сварки, увеличиваются за счет увеличения толщины листа.В стандартах отрицательное влияние толщины элемента учитывается коэффициентом уменьшения сопротивления усталости, например, в европейских стандартах EN 1993-1-9, с коэффициентом уменьшения усталостного напряжения для учета размерных эффектов [13]. Важно отметить, что качество основного материала незначительно влияет на усталостную прочность сварных соединений по сравнению с другими факторами. Однако, как упоминалось во введении, использование высокопрочных сталей приводит к уменьшению собственного веса и имеет отрицательное влияние на сторону нагружения, которая в этом случае становится доминирующей.Следовательно, усталость становится основным предельным состоянием при проектировании конструкций.

Как упоминалось ранее, двумя фазами процесса усталости являются фаза зарождения трещины и фаза распространения. Для несварных деталей, которые склонны к усталости, большая часть усталостной долговечности связана с фазой зарождения трещины, в то время как фазой распространения трещины можно пренебречь. Сварные соединения содержат уже упомянутые недостатки в местах, где трещины могут начать распространяться с первого цикла нагружения.Таким образом, в сварных соединениях фазой зарождения трещины можно пренебречь, а предел выносливости свариваемых деталей зависит от начального размера дефекта внутри сварного шва [14]. Уже упомянутые особенности сварного шва показывают, что в сварных деталях, склонных к усталости, трещины всегда возникают в местах сварки, а не в основном материале. Трещины могут возникать в корне или на носке шва. В случае стыковых швов с полным проваром усталостные трещины возникают на носке сварного шва и распространяются по основному материалу, а в случае неполного провара трещины возникают в корне шва и распространяются по его толщине [15].

Для улучшения свариваемых стальных деталей возможно применение методов послесварочной обработки. Наиболее распространенными являются шлифование заусенцев (BG), обработка TIG (TIG), ударная обработка, чистка игл и HFMI (высокочастотное механическое воздействие) для удаления дефектов, вызванных сваркой [16, 17]. Это обеспечивает более плавный переход между подошвой сварного шва и основным материалом, что снижает концентрации напряжений, показанные на рисунке 1. Кроме того, некоторые из этих методов снимают остаточные напряжения таким образом, что деформации (деформации) пластического материала в области носка сварного шва вызывают положительные сжимающие напряжения.Следствием послесварочной обработки является увеличение возможного количества циклических нагрузок, вызывающих возникновение трещин. Основываясь на более длительной фазе зарождения трещины, качество стали теперь играет роль в повышении усталостной прочности [18]. Таким образом можно получить сварные стальные детали, которые на 30–60% более устойчивы к усталости [16]. Важно отметить, что обработка подошвы шва незначительна, если трещина зародилась в корне шва.

Усталостное повреждение возникает уже при относительно небольших напряжениях, далеко от текучести материала.Поэтому в рамках различных методов оценки усталости оправдана оценка напряжений на основе теории упругости. Ключевую роль в оценке сопротивления усталости свариваемых деталей играет точная оценка воздействия нагрузки и геометрии. Этого практически невозможно достичь без использования современных компьютерных инструментов, основанных на методе конечных элементов. Примеры расчетов соответствующих нагрузок в рамках оценки усталостной долговечности можно найти в [15, 19–21]. Развитие метода конечных элементов приводит к появлению более совершенных методов оценки сопротивления усталости, таких как метод напряжений в горячих точках, метод структурных напряжений, нечувствительных к сетке и метод эталонных кривых SN, метод эффективного напряжения надреза или деформации и анализ распространения трещин с помощью линейно-упругая механика разрушения.

Проблема усталости сварных соединений дополнительно усложняется, если циклические напряжения в свариваемых деталях действуют в большем количестве направлений. Это явление называется многоосной усталостью, которая значительно неблагоприятна для сварных соединений по сравнению с одноосной усталостью [22]. В литературе есть много предложенных теорий для оценки многоосной усталостной долговечности сварных соединений [23–25]. Анализ 233 экспериментальных результатов сварных соединений, склонных к усталости, приведен в статье Бэкстремса и Маркиза [26].Результаты анализируются тремя различными методами, основанными на напряжении в горячих точках, которые включают максимальную амплитуду главного напряжения, максимальную амплитуду напряжения сдвига и подход модели критической плоскости. Сделан вывод, что модель критической плоскости лучше всего описывает кривую S-N. Однако в будущем необходимо дополнительно развить этот метод для учета остаточных напряжений.

Многоосная усталостная нагрузка может быть пропорциональной, когда направление главных напряжений постоянно, и непропорциональной, когда направления напряжений меняются во времени.В случае пропорциональной нагрузки в EN 1993-1-9 [13] предлагается использование максимальной основной нагрузки в качестве параметра повреждения. Непропорциональная нагрузка наносит гораздо больший ущерб по сравнению с пропорциональной. В этом случае многоосная усталость разбирается на две составляющие: нормальные и касательные напряжения. Используя правило Майнера, повреждения каждого компонента оцениваются отдельно и объединяются уравнениями взаимодействия. Уравнения взаимодействия наиболее подходят для случаев, когда нормальные и касательные напряжения действуют в одном месте и в одном направлении.Существуют эксперименты, которые показывают, что усталостная долговечность элементов, подверженных непропорциональной нагрузке, столь же близка, как и усталостная долговечность элементов, склонных к одноосной нагрузке [27]. Основываясь на 233 экспериментальных результатах, Бэкстрем и Маркиз сравнивают уравнения взаимодействия, приведенные в рекомендациях европейских стандартов EN 1993-1-9 [13], финских стандартов SFS 2378 [28] и рекомендаций IIW [25]. Показано, что все три выражения обладают определенной степенью консерватизма [29]. Наилучшая корреляция для пропорциональных и непропорциональных нагрузок дается уравнениями взаимодействия из рекомендаций IIW, которые ограничивают совокупную сумму повреждений для непропорциональной нагрузки на 0.5.

Консерватизм уравнений взаимодействия в EN 1993-1-9 [13] и рекомендациях IIW [25] подтвержден Лотсбергом в его статье [30]. Соединения, в которых трещина возникает в корне шва из-за многоосной нагрузки, были исследованы Bokesjö et al. [31]. Были проведены только испытания с пропорциональными напряжениями. Результаты были проанализированы уравнениями взаимодействия трех стандартов [13, 25, 32]. Показано, что модели оценки многоосной усталости подходят для определения усталостной долговечности, когда трещина возникает в корне сварного шва.

В настоящее время преимущества оценки многоосной усталости с помощью спектрального анализа напряжений более признаны, чем классическая хронология напряжений. Временные истории, которые используются для оценок, часто показывают большие статистические вариации, и каждое следующее напряжение, записанное во времени, отличается. Более того, моделирование амплитуды многоосных напряжений с более длительной историей может потребовать времени. Эти проблемы могут быть решены с помощью спектрального подхода и обзора методов оценки многоосной усталости с использованием спектрального подхода, приведенного в [33].Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы подтвердить пригодность численных моделей в реальных условиях. За последние четыре десятилетия было проведено много исследований, которые значительно улучшили понимание многоосевой усталости [34]. Однако очевидно, что для точной оценки временной истории элементов, склонных к многоосной усталости, требуются дальнейшие значительные исследования с упором на разработку уравнений взаимодействия, чтобы снизить степень консерватизма и позволить простой инженерный метод для практических оценок. .Более того, необходимо исследовать влияние компонентов нормального напряжения на разрушающий процесс касательных напряжений, что позволит лучше понять поведение взаимодействия [29].

3. Методы оценки усталостной долговечности сварных соединений в целом

Оценка усталостной долговечности сварных соединений является очень сложной и сложной процедурой. Сварные соединения крупных стальных конструкций могут подвергаться различным нагрузкам в зависимости от их геометрической конфигурации и степени сложности.Оценка усталости явно или неявно включает сравнение нагрузки, напряжений или деформаций с их критическими значениями, которые вызывают повреждения, деформации, начальную трещину или отказ. Классические методы оценки напряженного состояния, а также базы данных с результатами подробных экспериментальных исследований были весьма ограничены. Детали проектирования и моделирования на практике основывались на опыте, полученном методом проб и ошибок [35, 36].

Сегодня существует множество подходов к оценке усталостной долговечности в зависимости от того, как учитывается локальная концентрация напряжений.Общие методы основаны непосредственно на внутренних силах и моментах в критическом сечении в предположении линейного распределения напряжений. Влияниями локальных концентраций на стороне нагружения пренебрегают. Оценки локальной усталости основываются на местных параметрах (местные напряжения или деформации) с учетом эффектов локальной геометрии в наблюдаемом месте. Наиболее часто используемые варианты локального и глобального подходов показаны на Рисунке 2 [10]. Каждый вариант характеризуется определенными параметрами нагружения, напряжения или деформации со стороны воздействия, а на диаграммах — со стороны сопротивления.

Руководства и стандарты по оценке усталости в основном основаны на подходе номинального напряжения, который фактически является глобальной концепцией. Однако выход из строя элементов конструкции из-за усталости — это локальный процесс. Локальные параметры и геометрия максимально влияют на усталостную прочность и усталостную долговечность элементов конструкции. Обширная литература, содержащая местные подходы для несварных и сварных конструкций, собрана Радаем [37]. Наиболее часто используемые методы, основанные на напряжениях, — это подход номинального напряжения, метод напряжения горячей точки и метод эффективного напряжения надреза [37, 38].В последнее десятилетие метод структурных напряжений, нечувствительных к сетке, и метод эталонной кривой S-N [39, 40] также получили широкое распространение из-за доступности удобного для пользователя коммерческого программного обеспечения, такого как Verity ™ в FE-safe ™ [41].

Для проведения точной оценки усталости сварных стальных конструкций необходимо иметь одинаково точную информацию о нагрузке; даже малейшее изменение значения нагрузки может вызвать большую разницу в результатах оценки. Более того, определение нагрузки методом конечных элементов является идеализацией и не включает все параметры, влияющие на поведение конструкции.Единственный способ получить точную информацию о нагрузке — это измерение поля, когда реальные деформации могут быть измерены и отмечены различными датчиками, прикрепленными к элементам конструкции. Таким образом создается наиболее точная основа для оценки утомляемости.

Системы долгосрочного мониторинга состояния конструкций, так называемые системы мониторинга состояния конструкций, сейчас более широко используются и развиваются [42, 43]. Они предназначены для раннего обнаружения структурных повреждений, предоставления информации о состоянии конструкции в реальном времени и для получения данных для дальнейших исследований [44].Преимущества таких систем признаны во многих странах и применяются в крупных стальных конструкциях по всему миру [42, 44–48]. Для точного определения мест повреждений на конструкции используются локальные неразрушающие методы, такие как визуальный осмотр, ультразвуковой контроль, радиографические методы, контроль магнитных частиц и так далее. [49, 50]. Эти методы часто дороги и требуют много времени, но необходимы из-за оценки структурного состояния после повреждений [51].Недостатком всех этих методов является то, что история структурного состояния представляет собой только запись в определенном временном интервале и не обязательно должна представлять состояние в будущем. Учитывая множество неопределенностей, возникающих во время процедуры оценки усталости, вероятностный подход представляет собой рациональное решение. Источники неопределенностей в основном классифицируются как физические неопределенности, неопределенности измерения, статистические неопределенности из-за ограниченного числа измерений и неопределенности модели из-за несовершенства и идеализации.Разработка методов надежности конструкции (вероятностных) и метода накопления усталостных повреждений позволила при оценке усталости учесть все эти неопределенности. В конце 80-х годов были опубликованы статьи, предлагающие полную методологию оценки утомляемости с помощью вероятностных методов [52]. В то время эти методы в основном использовались для морских конструкций, а затем для оценки усталости соединений внутри стальных мостов, подверженных транспортной нагрузке [53, 54].Исчерпывающий обзор литературы по существующим подходам к надежности для переоценки автомобильных и железнодорожных мостов доступен в статье Byers et al. [55].

Первым шагом в анализе усталостной надежности конструкций является формулировка математической модели, которая в идеале включала бы больше переменных, влияющих на усталостные характеристики. После этого проводится вероятностный и статистический анализ [52].

При оценке усталости два основных подхода, которые в основном используются на этапе проектирования и оценки уровня надежности, — это подходы SN в сочетании с правилом Майнера и механикой разрушения, которая используется на этапах оценки состояния и оценки остаточной усталости. жизнь конструкции.В первом случае целью анализа на усталость является определение усталостной долговечности конструкции или элемента конструкции с заданной надежностью или определение интервалов проверки, в то время как в других случаях целью является определение интервалов проверки или оставшегося времени до ремонта.

4. Подходы на основе кривых S-N

4.1. В целом

Чтобы успешно провести оценку усталости стальной конструкции, необходимо оценить усталостную долговечность каждого элемента конструкции.Сопротивление детали представлено соответствующей кривой S-N, полученной в результате испытаний образцов, подвергнутых переменным напряжениям постоянной и переменной амплитуд. Он определяется как соотношение между переменными напряжениями S и количеством изменений напряжений N . Таким образом, получают данные о сопротивлении каждой детали соответствующей геометрии, качестве работы, влиянии окружающей среды и способе нагружения.

Если кривые показаны в логарифмическом масштабе, линии берутся, рисунок 3.Аналитическое уравнение для кривой S-N: где — угол наклона кривой S-N, — значение амплитуды, которое соответствует количеству изменений напряжения, и — значение амплитуды, которое соответствует количеству изменений напряжения.

Из рисунка 3 видно, что сопротивление усталости уменьшается с увеличением числа амплитуд напряжений N . Билинейная кривая S-N имеет определенный наклон (обычно м = 3) к точке, которая соответствует пределу усталости с постоянной амплитудой (CA, рисунок 3.). Предполагается, что усталостная долговечность определенной детали при постоянных амплитудах напряжений ниже этого предела бесконечна. Сегодня авторы очень скептически относятся к этому утверждению [56]. Если проверка проводится достаточно долго, каждый элемент в конечном итоге выйдет из строя. Это особенно верно в случае конструкций, которые подвергаются большому количеству циклов напряжения. В соответствии с рисунком 3 необходимо изменить допущение о пределе выносливости с постоянной амплитудой (CA), если деталь подвергается нагрузкам с переменной амплитудой (VA).В случае переменных амплитуд (пунктирная линия на рис. 3) этот предел выносливости должен быть изменен. Например, европейский стандарт [13] дает кривые S-N с наклоном, измененным на м, = 5 после CA с горизонтальной линией после N = 10 ⁸ (предел отсечения). Стандарты IIW в случае многоцикловой усталости принимают кривые S-N с наклоном м = 22 после CA без предела отсечки. Если пренебречь пределом усталости по постоянной амплитуде и выбрать одну линию с постоянным наклоном к горизонтали, это будет консервативный подход, как показано пунктирной линией.

Во время оценки усталости характерные детали классифицируются по категориям (классы FAT) таким образом, что одна стандартизованная кривая представляет больше деталей. В стандартах категория деталей представляет детали диапазона напряжений, выраженных как характеристическая усталостная прочность в МПа для количества циклов напряжения Н = 2 × 10 ⁶ .

Как упоминалось ранее, кривые S-N основаны на экспериментальных результатах, полученных в основном при постоянных амплитудах, в то время как в действительности детали подвергаются нагрузкам с переменными амплитудами.Используя гистограмму, можно показать спектр переменного напряжения, где каждый блок определяется амплитудой напряжения, Δ σ _i и соответствующим количеством вариаций напряжения (Рисунок 4).

На рисунке 4 представлена ​​гистограмма с шестью такими блоками. Чтобы преобразовать напряжения с переменной амплитудой (которые можно найти в действительности) в напряжения постоянной амплитуды, предполагается, что каждый блок напряжений вызывает определенные связанные частичные повреждения ( n _i / N _i ) , при котором порядок напряжений не учитывается.

Эта процедура называется гипотезой Палмгрена – Майнера о линейном накоплении повреждений, широко известной как правило Майнера [57]. Согласно правилу Майнера кумулятивное усталостное повреждение может быть выражено как где — количество диапазонов напряжений с постоянной амплитудой и — количество диапазонов напряжений до разрушения.

Отказ происходит, когда сумма каждого частичного повреждения равна единице. Правило Майнера также может применяться с использованием концепции эквивалентного диапазона напряжений. Он представляет собой диапазон фиктивного напряжения постоянной амплитуды Δ σ _e , который вызывает такие же повреждения, как и сумма диапазонов напряжений Майнера, если это происходит достаточно часто.Диапазон эквивалентных напряжений сравнивается с соответствующей кривой S-N для заданного числа диапазонов напряжений. Обзоры применения правила Майнера для сварных конструкций даны Мэддоксом и Размджу [58], Герни [59] и Сонсино и др. [60, 61].

Оценка усталостной долговечности стохастически нагруженной конструкции связана с соотношением спектра напряжений и сопротивления рассматриваемой детали. Спектр напряжений обычно неизвестен и может быть получен с помощью различных измерений и моделирования.Чтобы получить амплитуды напряжений из истории напряжений, необходимо использовать один из методов подсчета диапазона напряжений, например, метод водохранилища или дождевого потока [62]. Метод резервуара больше подходит для ручных расчетов, а метод дождевого потока больше подходит для программирования и, соответственно, компьютерного расчета [63].

Подход S-N не отличается от инициирования и распространения трещин, но учитывает общую усталостную долговечность конструктивного элемента. В случае геометрически сложных деталей конструкции, которые невозможно отнести к определенной категории, необходимо использовать более продвинутые методы оценки усталости (местные подходы), которые точно определяют значения напряжений в наблюдаемом месте.Применение локальных подходов оправдано тем, что даже процесс утомления локального характера не может быть хорошо описан глобальными подходами. Функция предельного состояния формируется базовыми переменными со стороны сопротивления и нагрузки. Модель нагрузки определяется ее собственным значением и частотой возникновения, а модель сопротивления получается путем испытаний на усталость. Обзор наиболее часто используемых функций распределения для модели нагрузки и сопротивления приведен в [53]. Существует множество вероятностных исследований усталостных повреждений и оценок усталостной долговечности мостов.Вероятностная модель для оценки надежности стальных мостов на основе данных длительного мониторинга разработана Ni et al. [64]. В статье интегрировано распределение вероятностного диапазона напряжений в горячей точке с вероятностной формулировкой правила Майнера. Недавние оценки усталости стальных мостов с помощью билинейной кривой S-N можно также найти в [65, 66].

Как уже упоминалось, кривая S-N представляет собой взаимосвязь между диапазонами напряжений с постоянными амплитудами и количеством диапазонов напряжений до разрушения.Если речь идет о переменных амплитудах, используется правило Майнера. Для эргодических процессов диапазонов напряжений разбросом истории напряжений можно пренебречь и повредить D _n с n диапазоны напряжений можно записать как [67]: где E […] — ожидание,

Сварка стресс | Статья о сварочном напряжении от The Free Dictionary

Результаты расчетов и результаты измерения рентгеновских лучей согласуются, что еще больше повышает точность моделирования поля сварочных напряжений.Напряжения, приложенные к наконечнику стержня, можно разделить на напряжения с помощью спроектированной нижней пружины, восходящего потока охлаждающей жидкости, вибрации капсулы и остаточного сварочного напряжения. Однако исследование температурного поля сварки является необходимым условием анализ сварочного напряжения и деформации [1]. Влияние сварочной прочности дано с точки зрения различных параметров: длины выступа, шероховатости поверхности, времени сварки, сварочного напряжения и предварительно установленных ультразвуковых параметров.После знакомства с типами остаточного напряжения и деформации при сварке обсуждались следующие темы: использование вычислительной механики сварки для понимания сварочного напряжения; моделирование влияния фазовых превращений на сварочную деформацию; и минимизация сварочной деформации с помощью таких методов, как дифференциальный нагрев, методы термического натяжения, охлаждение сварного шва, гибридная дуговая лазерная сварка и нагрев с обратной стороны. Экспериментальное сварочное напряжение установлено на низком уровне 0,2 МПа. сварочные напряжения и деформации, несущая способность сварных конструкций, диагностика и прогнозирование остаточного ресурса сварных конструкций, акустико-эмиссионные методы анализа сварных конструкций, а также численные технические испытания и испытания сварных конструкций.В результате процесса сварки остаточные сварочные напряжения близки к пределу текучести материала или даже превышают его. В случае проектирования конструкции судна методом сварки на материалах из нанесенного сплава максимальное напряжение деталей, контактирующих с морской водой, не должно превышают 0,4 [R.sub.0,2] Из-за высокого соотношения между значениями остаточных сварочных напряжений и допустимыми напряжениями ([[сигма]. Sub.1,2] / [R.sub.0.2]) приблизительно 0 , 6 в сварном шве и 0,5 в основном материале, необходимо произвести их релаксацию в конструкции корабля, контактирующей с морской водой.Использование ультразвука для передачи сжимающих напряжений металлическим деталям было первоначально изобретено в России для снижения сварочных напряжений и деформаций, создания сжимающих напряжений, повышения коррозионно-усталостной прочности сварных соединений и повышения усталостной прочности при отрицательных температурах. из-за ненужного ремонта со временем в оборудовании разовьется отказ, которого не произошло бы, если бы ремонт не был проведен. Во избежание сварочных напряжений следует проводить отжиг при температурах от 723 K до 773 K с использованием времени выдержки. из 0.54часов.

Основы деформации при сварке

Как возникает искажение?

Сварка обычно включает нагрев материалов в месте стыка для их сплавления. Это тепло вызывает расширение и сжатие. Если нагрев и охлаждение происходит неравномерно, может возникнуть деформация. Это искажение происходит из-за остаточного напряжения.

Возникают два основных напряжения.

• сжимающее напряжение, возникающее в области, окружающей кромки основного металла, из-за теплового расширения в областях рядом со сварочной ванной.
• растягивающее напряжение возникает, когда остальная часть металла сопротивляется сжатию нагретой области и металла сварного шва.

О величине теплового напряжения, вызванного материалом, можно судить только по изменению объема области сварного шва и результирующему движению материала, когда он затвердевает и охлаждается до комнатной температуры.

Если напряжение, вызванное расширением и сжатием, превышает предел текучести основного металла, соединение может испытывать локализованную пластическую деформацию.Пластическая деформация искажает структуру сварного изделия. Это приводит к постоянному изменению размеров или формы компонентов. Чтобы лучше понять, как это происходит, следующий рисунок со стальным стержнем используется для иллюстрации примера.

Рис.1

Виды сварочной деформации

Продольная деформация

Продольная усадка происходит по длине сварного шва. При охлаждении сварной шов и окружающая его область сжимаются и в результате укорачивают заготовку.Этот тип искажения является самым большим, когда заготовка не закреплена должным образом.

Рис.2: Продольный перекос

Поперечное искажение

Эта деформация возникает, когда металл сжимается после сварки и притягивает края друг к другу. Это происходит потому, что металл изначально расширился, но при охлаждении испытал более высокую скорость сжатия.

Рис. 3: Поперечное искажение

Угловое искажение

Угловая деформация возникает, когда углы между свариваемыми деталями изменяются в результате сжатия.Усадка больше в верхней части, так как сварочная ванна больше вверху, чем внизу. См. Картинку ниже.

Рис.4: Угловое искажение

Изгиб, изгиб и деформация

Если все вышеперечисленные типы искажений возникают на одном суставе, результатом является несколько сложных искажений. Искажения могут иметь вид изгибов, короблений и короблений. При изгибе центр сварного шва не совпадает с нейтральной осью поперечного сечения.

Деформация образуется, когда части сварочной тарелки находятся внутри между несколькими точками жесткости.По длине сварного шва может быть несколько участков тарелки.

С другой стороны, из-за упругого коробления металлический лист изгибается по ширине. Если вы попытаетесь разгладить такой стык, он, скорее всего, сломается.

Рис.6: Изгиб

Причины перекоса

Как правило, существует три основных причины деформации в металлообрабатывающей и сварочной промышленности. Их:

1. Остаточное напряжение
2. Термическая резка
3. Сварка

Остаточные напряжения

Остаточные напряжения — это заблокированные напряжения, присутствующие в конструктивных элементах даже при отсутствии внешней нагрузки, и они возникают в основном из-за неравномерного изменения объема металлического компонента независимо от производственных процессов, таких как термическая обработка, механическая обработка, механическая деформация, литье, сварка, покрытие и т. д.Однако, если максимальное значение остаточных напряжений не превышает предел упругости металла, может присутствовать остаточное напряжение. Если напряжения превышают предел упругости, это приводит к пластической деформации и деформации компонентов.

Остаточные напряжения могут быть растягивающими или сжимающими, в зависимости от места и типа неоднородного изменения объема, происходящего из-за дифференциального нагрева и охлаждения, например, при сварке и термообработке, или локальных напряжений, например, при контурной прокатке, механической обработке, дробеструйной обработке и т.Влияние остаточных напряжений можно увидеть на свариваемом материале, когда валик сварочного металла наносят продольно на плоскую пластину. Сварка во время охлаждения имеет тенденцию сжиматься и изгибать стальную пластину в сторону свариваемой стороны.

Термическая резка

Помимо сварки, термическая резка, используемая во время обработки стали, стыков и подготовки кромок, также вызывает деформацию основных металлов и вызывает остаточные напряжения. При газовой резке сталей разрезаемый материал нагревается до температуры воспламенения за счет пламени кислородно-топливного газа.Температура воспламенения стали составляет около 815 ° C, при этой температуре железо быстро реагирует с кислородом с образованием оксидов, которые расплавляются при температуре воспламенения. Струя чистого кислорода обжигает или разрезает сталь, а экзотермические реакции во время образования оксида вызывают локальное повышение температуры до точки плавления материала. Эта высокая температура вызывает расширение стали, прилегающей к поверхности реза, и это вызывает деформацию листа во время резки. Не все естественное расширение краев материала может быть компенсировано, и произойдет некоторая пластическая деформация.Когда материал охлаждается, края сжимаются, и из-за начальной пластической деформации, вызвавшей утолщение, конечная длина меньше исходной, что приводит к искажению в противоположном направлении.

Сварка

При наложении сварного шва это расплавленный металл и, следовательно, горячий, поскольку он охлаждается, он дает усадку, эта усадка создает напряжение в сварном шве и основном материале вблизи сварного шва.

Деформация также возникает из-за локального нагрева основных металлов, что вызывает локальное расширение и сжатие во время операции сварки.Локальное расширение и сжатие происходит в холодном основном металле вблизи зоны сварного шва, что ограничивает движение этих сил, за счет этого действия накапливаются остаточные напряжения.

Эти напряжения в первую очередь возникают из-за дифференциального термического цикла сварного шва (нагрев, пиковая температура и охлаждение в любой момент во время сварки), испытываемого металлом шва и областью, близкой к границе плавления, то есть зоной термического влияния (рис.2). Тип и величина остаточных напряжений непрерывно меняются на разных этапах сварки i.е. отопление и охлаждение. Во время нагрева в основном сжимающее остаточное напряжение возникает в области основного металла, который нагревается для плавления из-за теплового расширения, и то же самое (тепловое расширение) ограничивается низкой температурой, окружающей основной металл. После достижения максимального значения остаточное напряжение сжатия постепенно уменьшается из-за разупрочнения нагреваемого металла.

Остаточное напряжение сжатия снижается до нуля, как только начинается плавление, и наблюдается обратная тенденция во время стадии охлаждения сварки.Во время охлаждения, когда металл начинает сжиматься (уменьшаться в размерах), возникают остаточные напряжения при растяжении (если усадка не допускается либо из-за ограничений материала, либо из-за зажима на рабочем месте), и величина напряжения продолжает увеличиваться, пока не будет достигнута комнатная температура.

Рис. 7: место термического цикла сварки A, B и C

Тепловая нагрузка

Чем больше общее тепловложение, тем больше деформация. Поглощение идет рука об руку с увеличением количества используемых сварных швов.Это часто является результатом диаметра электрода / наполнителя и силы тока. Говорят, что единичные большие прогоны производят меньше искажений из-за меньшего количества термических циклов и, следовательно, меньшего общего тепловложения. При таком подходе необходимо учитывать другие желаемые механические свойства сварного изделия, такие как вязкость сварного шва и HAZ.

Подготовка швов и размер шва

Усадочные силы увеличиваются с увеличением количества металла шва, помещенного в соединение. Использование подготовки шва правильного размера и размера галтели снижает деформацию и экономит время и деньги.Размещая угловой шов правильного размера и минимизируя деформацию армирования, можно легко минимизировать.

Сварочный процесс

По сравнению с ручной дуговой сваркой, полуавтоматическая и автоматическая сварка обычно дает меньше искажений. Это связано с тем, что он обычно имеет более высокую скорость осаждения, имеет высокую способность производить более непрерывный валик, что приводит к более однородной картине теплового распределения. Последовательность запусков и остановок, характерная для ручной дуговой сварки, приводит к неравномерному тепловому расширению.Это может вызвать более сильную деформацию соединений, сваренных вручную дуговой сваркой.

Свойства основного материала

Коэффициент теплового расширения на единицу объема тепла является основным свойством, влияющим на деформацию. Материалы с большим расширением на единицу тепла также испытывают сильное сжатие, что приводит к сильной деформации. Короче говоря, чем больше увеличивается материал на 1 ° C температуры, тем сильнее он деформируется.

Как контролировать сварочную деформацию

Деформацию необходимо контролировать на всех этапах изготовления (перед сваркой, во время сварки и после сварочной операции).

Перед сваркой

Хорошая совместная конструкция

Хорошо спроектированные соединения требуют минимального объема сварного шва и не страдают от чрезмерной сварки. Это важно при работе со стыковыми швами.

Рис. 8: Иллюстрация хорошей конструкции соединения

Крепления и приспособления

Шаблоны и сварочные приспособления помогут вам сохранить точность и уменьшить деформацию металлов, когда соединение подвергается термоусадке после охлаждения.Идея состоит в том, что зажимное приспособление или приспособление будет препятствовать перемещению основного материала, заставляя охлаждающий сварной шов уступать (или уступать), а не окружающий материал.

Рис. 9: Монтажные приспособления и приспособления

Прихватка

Прихваточные швы работают как зажимы, удерживая основной металл в нужном месте. Количество и размер этих сварных швов зависят от толщины и типа основного материала. Более тонкие материалы обычно требуют более частых прихваток.

Предварительная настройка

Предварительная установка включает в себя сборку компонентов таким образом, чтобы они компенсировали деформацию и обеспечивали правильные размеры после отделки. См. Пример ниже.

Рис.10: Пример предварительной настройки

Во время сварки

Последовательность сварки

Это порядок, в котором вы выполняете сварные швы в любом проекте. Правильная последовательность обеспечивает равномерное распределение тепла и повышает жесткость сварных соединений.В результате он обеспечивает равномерное распределение остаточных напряжений по всему компоненту, тем самым уменьшая искажения.

Сбалансированная сварка

Эта процедура включает уравновешивание остаточного напряжения с обеих сторон сварного шва. Балансировочные сварные швы широко используются при ремонте валов и других круглых сечений. Место сварщика проходит вдоль валов, идущих прямо напротив предыдущих. Это уравновешивает напряжение сжатия (заставляет их работать друг против друга) и ограничивает искажения.

Другие области применения сбалансированной сварки включают стыковые соединения с двойной U и двойной V. Уравновешивая сварку (сварка с обеих сторон соединения), напряжения сжатия противодействуют друг другу. То же самое и с угловыми швами. Подумав, вы можете заставить искажение работать на вас, а не против вас.

Рис.11: Сбалансированная сварка двойного V-образного стыкового соединения

Сварка с обратным шагом и пропуском

При продвижении в одном направлении в непрерывном шве нарастают поперечные сжимающие напряжения, особенно в стыковых швах.Чтобы свести к минимуму это, методы сварки с обратным шагом помогают уменьшить искажение, вызванное в этом случае. См. Картинку ниже.

Рис.12: Техника обратного шага

После сварки

Большая часть контроля деформации выполняется до и во время процесса сварки. Если, однако, у вас появилось искажение, вы можете исправить его, после чего можно будет провести несколько процедур.

Первый — это выпрямление пламенем, то есть метод нагрева для удаления искажений с использованием основных принципов искажения.Звучит нелогично, но это работает. В первом примере при «обратном нагреве» окружающий материал действует как тиски и предотвращает перемещение материала. При охлаждении он неограниченно сжимается, тем самым исправляя искажения.

См. Рисунок ниже.

Рис.13: Методы выпрямления пламенем

Другой метод — наклеп. Это включает уменьшение остаточного напряжения за счет растяжения сварного шва и близлежащего основного металла при ударе по металлу.