Влияние напряжения на сварочный шов

Обновлено: 17.05.2024

Величина и характер сварочных напряжений и деформаций определяются рядом факторов. Рассмотрим влияние некоторых из них.

Вид и способ сварки. Значительное влияние на величину сварочных деформаций оказывает степень концентрации теплоты. Высокая концентрация теплоты способствует сужению зоны, подвергающейся пластическим деформациям, и уменьшению деформаций конструкций. Это подтверждается опытом применения автоматической сварки под флюсом.

При практически одной и той же погонной энергии сварка под флюсом благодаря большей скорости перемещения дуги (изотермы вытянуты и сдвинуты в область, уже пройденную дугой) вызывает меньшие остаточные деформации, чем ручная дуговая сварка. Снизить величины остаточных деформаций можно также, заменив ручную дуговую сварку покрытыми электродами автоматической или полуавтоматической сваркой в углекислом газе, аргоне, порошковой проволокой или активированной проволокой без дополнительной защиты. Применение полуавтоматической сварки в угл 'кислом газе позволило ~простить технологию изготовления ряда тонколистовых конструкций (кузова тепловозов, электровозов и пр.) и сократить расходы на последующую правку.

Влияние конфигурации шва. От конфигурации шва в известной мере зависят величина и характер остаточных деформаций. При прочих равных условиях Х-образная подготовка кромок благодаря симметричному расположению шва относительно нейтральной оси вызывает меньшую угловую деформацию, чем У- образная. С целью уменьшения деформаций в некоторых случаях целесообразно применять двустороннюю сварку. При сварке под флюсом меньшие деформации происходят в соединениях без скоса кромок. В случае электрошлакового процесса, где сама техника выполнения сварки предопределяет симметричное расположение шва относительно нейтральной оси, угловые деформации весьма невелики. Эффективной мерой уменьшения деформаций является уменьшение сечения шва за счет применения сварочных материалов, обеспечивающих более высокую прочность металла шва. Как показали исследования, при сварке соединения с угловыми швами сечение может быть уменьшено до 40 %.

Режим сварки. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций находятся в прямой зависимости от погонной энергии сварки, которая определяется режимом сварки и зависит от сечения шва или слоя. Увеличение сечения шва или слоя приводит к заметному росту величины остаточной деформации. Для обеспечения минимальной деформации сварной конструкции следует назначать наименьшие (допустимые из условий прочности конструкции) сечения швов и не допускать их увеличения в процессе изготовления конструкции. В отношении уменьшения сечения шва наиболее рациональной является двусторонняя рюмкообразная разделка (рис. 1). На зависимости между величиной остаточной деформации и режимом сварки (погонной энергией) основан расчетный метод определения остаточных деформаций.

Рис. 1. Зависимость между толщиной металла, формой и сечением разделки

Порядок сварки и закрепление свариваемых деталей. На величину возникающих при сварке остаточных деформаций и напряжений существенно влияет порядок наложения шва по его длине и сечению. Наибольшие остаточные деформации образуются при сварке на проход, т.е. при наложении шва от начала до конца без длительных перерывов. При ручной сварке для уменьшения величины деформации швы накладывают от середины к концам. Этот метод эффективен при выполнении шва двумя сварщиками.

При правильном выборе длины ступени обратноступенчатая сварка резко уменьшает величину напряжений и деформаций. При этом способе шов следует разбивать на участки таким образом, чтобы к началу сварки последующего участка температура металла составляла 200-300 º С. При однослойной сварке это условие обеспечивается, если длина ступени равна участку, образованному за счет расплавления одного электрода (при сечении шва, равном 1,2 сечения стержня электрода). Уменьшение деформаций и напряжений при обратноступенчатой сварке связано с тем, что ее выполняют по увеличенному зазору. При охлаждении одновременно с уменьшением ширины шва уменьшается и предварительно расширенный зазор, что способствует уменьшению реактивных напряжений и деформаций.

Для уменьшения величины остаточных напряжений и деформаций при сварке многопроходных швов применяют каскадный метод сварки. Существенное влияние на величину напряжений и остаточных деформаций оказывает направление сварки отдельных швов. Эффективной мерой снижения остаточных деформаций является закрепление свариваемых деталей в специальных приспособлениях-кондукторах.

Предварительный изгиб свариваемых деталей. В производственных условиях для борьбы с деформациями часто применяют предварительный обратный изгиб свариваемых деталей. Этот метод используют для борьбы с угловыми деформациями при сварке стыковых и нахлесточных соединений. При сварке листов небольшой ширины с V-образной разделкой кромок их располагают с предварительным выгибом в сторону, обратную ожидаемой деформации (рис. 2). Листы большой ширины можно укладывать с предварительным изгибом свариваемых кромок (рис. 3). Монтажные стыки с закрепленными листами рекомендуется сваривать с предварительно отогнутыми кромками, что достигается при помощи домкратов или специальных приспособлений (рис. 4). Для предотвращения деформаций из плоскости тавровых или двутавровых сечений производят упругую или пластическую деформацию пояса (рис. 5). С целью устранения продольных деформаций в плоскости при сварке тавровых балок применяют приспособления, которые изгибают балку в сторону, обратную ожидаемой деформации (рис. 6).

Рис. 2. Укладка свариваемых деталей для предотвращения угловой деформации при стыковом соединении

Рис. 3. Обратный изгиб свариваемых деталей для предотвращения угловой деформации при стыковом соединении

Рис. 4. Обратный изгиб свариваемых кромок в местах монтажных стыков

Рис. 5. Обратный изгиб пояса для

предотвращения грибовидной деформации

Предварительный обратный изгиб можно создать с помощью наклепа кромок и стенки балок либо нагревом до температуры 700 - 750 º С (рис. 7). Эффективной мерой предотвращения выпучивания стенки в двутавровой балке, вызываемой сваркой поясных швов, является сборка с предварительным натяжением стенки. Для натяжения стенки используют сборочные стенды с домкратным устройством. Повысить жесткость тонких листов в сварных конструкциях с целью уменьшения деформаций можно путем гофрирования. При помощи прессов на тонких листах предварительно выдавливают узоры жесткости или гофры. Мерой уменьшения сварочных напряжений может быть предварительное растяжение или сжатие элемента с помощью продольно сжимающей силы.

Рис. 6. Обратный изгиб балки

Рис. 7. Место нагрева (или наклепа) кромки вертикальной стенки тавровой балки для создания обратного изгиба 1 - область нагрева или на клена

Рис. 8. Характер распределения температуры при сварке стыкового соединения:а - с искусственным охлажден нем, б - без охлаждения

Резкое охлаждение свариваемых деталей. При резком охлаждении сварного соединения нагреваемый при сварке участок, в котором возникают пластические деформации, сужается, что приводит к уменьшению остаточных деформаций и напряжений. На рис. 8 схематически показаны характер распределения температуры и размеры участков пластических деформаций при искусственном охлаждении и без него. При охлаждении участок пластической деформации значительно короче, чем при сварке в обычных условиях.

Однако искусственное охлаждение применимо только при сварке низкоуглеродистых сталей. Для уменьшения остаточных деформаций и напряжений при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легированных закаливающихся сталей метод искусственного охлаждения неприменим, так как он может привести к образованию малопластичных закалочных структур. Некоторое влияние на величину сварочных деформаций оказывает также и начальная температура изделия. При сварке в условиях естественных низких температур деформации снижаются весьма мало.

Влияние подогрева свариваемых деталей. При предварительном или сопутствующем подогреве уменьшается перепад температур между участками сварного соединения, благодаря чему несколько снижаются напряжения. Установлено, что при подогреве до температуры 200 º С остаточные напряжения по сравнению со сваркой без подогрева снижаются на 30%. При более высокой температуре подогрева достигаются еще более благоприятные результаты.

Значительный эффект дает и сопутствующий подогрев. При сварке можно проводить как общий, так и местный сопутствующий подогрев. Общий подогрев назначают при сварке деталей небольших размеров или непластичных материалов, например чугуна. При местном подогреве нагревают участок шириной не менее 40 - 50 мм по обе стороны от шва. Нагрев только свариваемых кромок не дает заметного эффекта. При сварке с предварительным или сопутствующим подогревом в большинстве случаев не требуется последующей термообработки (отпуска) конструкции. Подогрев можно осуществлять индукционным способом, газовым пламенем и электрическими нагревателями.

Температура предварительного подогрева зависит от химического состава и толщины металла, а также жесткости конструкции. С увеличением содержания углерода и легирующих примесей, толщины металла и жесткости конструкции необходим подогрев до более высоких температур.

При изготовлении особо ответственных конструкций из низко- углеродистых сталей при толщине металла выше 40 мм иногда применяют предварительный подогрев до температуры 100- 120 º С. При сварке среднеуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей целесообразно применять предварительный подогрев до температуры 150--200 º С при толщине металла более 30 мм.

Деформации и напряжения при сварке

В производстве металлоконструкций самые надежные и долговечные соединения обеспечивает сварочная технология при условии безошибочного проведения работ. Если же хоть незначительно нарушаются технологии процесса, то в создаваемой конструкции формируются деформации и напряжения при сварке. При этом искривляются формы, возникают неточности в размерах изделия, что делает невозможным качественное выполнение функциональных задач.

Что являют собой напряжения и деформации

Появлением напряжений и искажений сопровождается любое силовое воздействие на металлическое изделие. Силу, которая оказывает давление на единицу площади называют напряжением, а нарушение целостности форм и размеров в результате силовой нагрузки называют деформацией.

Напряжение может быть вызвано физическим усилием сжимающего, растягивающего, срезающего или изгибающего характера. Когда сварочные напряжения и деформации превышают допустимые значения, то это влечет за собой разрушению отдельных элементов и всей конструкции.

Почему образуются деформации и напряжения

Деформации при сварке появляются из-за вызванных разными факторами внутренних напряжений. Причины таких нарушений условно разделяют на две большие категории: основные (неизбежные), которые всегда присутствуют при сварочных работах и сопутствующие, которые подлежат устранению.

Причины неизбежные

Группу основных составляют следующие причины возникновения напряжений и деформаций при сварке:
структурные видоизменения, провоцирующие развитие сжимающих и растягивающих напряжений. Довольно часто при охлаждении изделий, выполненных из высокоуглеродистых и легированных стальных сплавов при нарушается зернистая структура металлов и размеры самих деталей.

В результате меняется первоначальный объем металла, что собственно и поднимает внутреннее напряжение;

неравномерный прогрев. В процессе сварки нагревается только задействованный участок металла, при этом он расширяется и оказывает влияние на менее нагретые слои. Образующаяся вследствие прерывистого прогрева высокая концентрация напряжений в сварных соединениях в основном зависит от показателей линейного расширения, степени теплопроводности и температурного режима. Чем выше эти показатели, тем меньшей является теплопроводность металла и соответственно возрастают риски неточностей сварочном шве;
литейная усадка, когда объем металла заметно уменьшается из-за его кристаллизации. Объясняется это тем, что в расплавленном металле под влиянием усадки образуется сварочное напряжение, которое может быть одновременно поперечным и продольным.

Не только внешние силовые воздействия способны спровоцировать напряжение при сварке. Металлическим сплавам характерны также свои собственные напряжения и деформации, которые разделяются на остаточные и временные. Первые возникают вследствие пластичной деформации и даже после охлаждения конструкции они в ней остаются. Когда появляются временные сварочные деформации? Непосредственно в процессе сваривания в прочно зафиксированном изделии.

Сопутствующие причины

Кроме основных существуют также побочные причины возникновения деформаций при сварке. К таковым относят:

отклонение от технологических нормативов, например, использование не подходящих для конкретного случая электродов, нарушение режимов сварки, недостаточная подготовка изделия к сварочному процессу и другие;
несоответствие конструктивных решений: частое пересечение между собой сварных соединений или недостаточное расстояние между ними, неточно подобранный тип шва и т. д.;
отсутствие опыта и соответственных знаний у сварщика.

Что из перечисленного вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях? Любое неправильное действие приводит к технологическим дефектам шва, в частности к появлению трещин, пузырей, непроваров и других браков.

Виды деформаций и напряжений

Различают разные виды напряжений в зависимости от характера их возникновения, периода действия и других факторов. В таблице ниже показано что вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях и какими они бывают.

Характер возникновения	Тип напряжения	Чем вызвано нарушение
В соответствии причины появления	Тепловые	Неравномерный прогрев из-за перепада температур в процессе сварки
В соответствии причины появления	Структурные	Изменения в структуре металла при нагревании его выше предельно допустимой температуры
По времени существования	Временные	Образуются при фазовых видоизменениях, но постепенно исчезают вследствие охлаждения
По времени существования	Остаточные	Даже после ликвидации причин их появления присутствуют в изделии
По охватываемой площади	Действующие в пределах всей конструкции
	Действующие только в зернах структуры материала
	Присутствующие в кристаллической решетке металла
По направленности действия	Продольные	Образуются вдоль линии сварочного шва
По направленности действия	Поперечные	Располагаются перпендикулярно к оси соединения
По виду напряженного состояния	Линейные	Только в одном направлении распространяется действие
	Плоскостные	Образуются в двух разных направлениях
	Объемные	Оказывают одновременно трехстороннее воздействие

Виды деформаций при сварке бывают:

местные и общие. Первые возникают на отдельных участках и изменяют только часть изделия. Вторые проводят к изменению размера всей конструкции и искривлению ее геометрической оси;
временные и конечные. Возникающие в конкретный момент сварочные деформации называют временными, а те, которые после полного охлаждения изделия остаются в нем - остаточными;
упругие и пластичные. Когда после сварки размер и форма конструкции полностью восстанавливаются, деформация упругая, если дефекты остаются - пластичная.

Деформации металла возможны как в плоскости сварной конструкции, так и вне нее.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций

С целью определения прочности и надежности шва, и выявления возникших дефектов проводится тестирование сварных соединений. Такой контроль позволяет своевременно обнаружить браки и оперативно их устранить.

Для выявления изъянов используют следующие типы контроля:

разрушающий. Позволяет исследовать физические качества сварного шва, активно применятся на производственных предприятиях;
неразрушающий. Проводится посредством внешнего осмотра, капиллярного метода, магнитной или ультразвуковой дефектоскопии, контролем на проницаемость и другими способами.

При производстве конструкций с применением сварки одним из важных нюансов является точное определение возможных деформаций и напряжений. Их наличие приводит к отклонениям от первоначальных размеров и форм изделий, понижает прочность конструкций и ухудшает эксплуатационные качества.

Расчет сварочных напряжений и деформаций позволяет проанализировать разные варианты проведения сварочных операций и спланировать их последовательность так, чтобы в процессе работ конструкция подвергалась минимальным напряжениям и образованию дефектов.

Способы устранения сварочных напряжений

Дли ликвидации напряжений проводят отжиг или же используют механические методы. Наиболее прогрессивным и действенным считается отжиг. Применяется метод в случаях, когда к геометрической точности всех параметров изделия выдвигаются сверхвысокие требования.

Отжиг может быть общим или местным. В большинстве случаев проводят процедуру при температуре 550-680°С. Весь процесс проводится в три этапа: нагрев, выдержка и остывание.

Из механических способов чаще всего используется прокатка, проковка, техника вибрации и обработка взрывом. Проковка проводится с применением пневмомолота. Для виброобработки используют вызывающие вибрацию устройства, у которых в течение нескольких минут 10-120 Гц составляет резонансная частота.

Способы устранения деформации

Деформация металла при сварке устраняется термомеханической, холодной механической и термической правкой с общим или местным нагревом. При полном отжиге конструкция прочно фиксируется в специальном устройстве, которое на требуемые участки образует давление. После закрепления изделие помещается в печь для нагрева.

Принцип термического способа состоит в том, что в процессе охлаждения металл сжимается. Растянутый участок нагревают с помощью дуги или горелки таким образом, чтобы холодным оставался окружающий сплав. Это препятствует сильному расширению горячего участка. В процессе остывания конструкция выпрямляется. Метод идеально подходит для правки листовых полос, балок и других изделий.

Холодная правка проводится с применением постоянных нагрузок, которые образуют с помощью разнообразных прессов, валков для прокатки длинных конструкций. В сильно растянутых конструкциях для ликвидации деформаций используют термическую правку. Сперва собираются излишки металла, после чего проблемные участки прогреваются.

Какой из методов считается самым лучшим? Однозначного ответа здесь не существует. При выборе технологии следует учитывать тип, размеры и формы металлического изделия, какие особенности вызвали деформации и сварочные напряжения, и деформации, возникшие в плоскости или снаружи. Также внимание стоит обратить на эффективности методики и предстоящих трудозатратах.

Как предотвратить возникновение напряжений и деформации

Чтобы повысить качество конструкций и предотвратить образование браков, следует знать от чего зависит величина деформации свариваемого металла.

Понизить напряжения в процессе сварочных работ и предотвратить деформации можно, если придерживаться следующих правил:

при проектировании сварной конструкции сперва нужно провести расчет сварочных деформаций, что позволит правильно сформировать сечения швов и предусмотреть на отдельных участках изделия необходимые для усадки припуски;
швы нужно выполнять симметрично к профильным осям всего изделия и отдельных его деталей;
очень важно, чтобы в одной точке не было пересечений более чем трех швов;
перед свариванием конструкцию необходимо проверить на соответствие расчетам величин зазоров в стыках и общих размеров;
понизить остаточную деформацию можно, если создать в соединении искусственную деформацию, противоположную по знаку от выполняемой сварки. Для этого применяется общий или местный подогрев конструкции;
при выполнении длинных швов применять обратноступенчатый способ на проход;
использовать теплоотводящие прокладки или охлаждающие смеси, способные уменьшить зону разогрева;
накладывать швы таким образом, чтобы последующее соединение вызывало обратные от предыдущих швов деформации;
подбирать для вязких металлов такие сварочные техники, которые способны понизить конечные деформации.

Нужно понимать, чтобы понизить к минимуму деформации при сварке, причины их возникновения и меры предупреждения непосредственно повязаны между собой. Поэтому вначале нужно провести все расчеты и подготовительные работы, и только после этого приступать к процессу сваривания металлоконструкций.

Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям

Намного проще предотвратить проблему, нежели ее устранять. Касается это также сварочных работ. Чтобы не столкнуться с устранением брака, а также избежать лишних финансовых затрат следует обратить внимание на некоторые меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями.

Сопроводительный и предварительный подогрев

Выполнение таких видов подогрева улучшает качественные характеристики шва и прилегающих к нему участков. Также метод способствует уменьшению остаточного напряжения и пластических деформаций. Применяют подогрев для склонных к возникновению кристаллизационных трещин и закалке сталей.

Наложение швов в обратно ступенчатом порядке

Если длина шва превышает 1000 миллиметров, то следует разбить его на отдельные участки протяжностью 100-150 мм каждый и вести их нужно противоположно к направлению сварки. Применение такого способа позволяет достичь равномерного нагревания металла и существенно понизить деформацию, что нельзя отнести к случаю последовательного наложения.

Проковка швов

Как холодный, так и нагретый металл можно проковывать. Металл от силы удара разжимается в разные стороны, понижая таким образом растягивающее напряжение. Если конструкция создана из склонного к появлению закалочных структур металла, то на таких изделиях проковка не выполняется.

Выравнивание деформаций

Сущность способа состоит в подборе порядка выполнения швов. При этом каждое последующий шов должен создавать противодействующую деформацию предыдущему соединению. Очень актуально это при сваривании двусторонних соединений.

Жесткое крепление деталей

В течение всего процесса сварки обрабатываемые детали необходимо жестко и прочно закреплять в кондукторах. Вынимать можно только после полного охлаждения. Следует обратить внимание, что у такого метода есть один недостаток - повышенные риски появления внутренних напряжений.

Термическая обработка

Улучшает механические характеристики шва и расположенных вблизи участков, выравнивает структуру соединения, понижает внутренние напряжения. Термическая обработка состоит из разных операций: отпуск, отжиг (полный или низкотемпературный), нормализация.

Наилучшим способом обработки для сварных изделий считается нормализация, особенно хорошо подходит метод для изделий из низкоуглеродистых сталей.

Интересное видео

Режимы ручной дуговой сварки

Несмотря на появление нового удобного оборудования, ручная сварка не сдает своих позиций. Привлекает простота использования и отсутствие необходимости больших затрат. Для того, чтобы сварной шов получился наиболее качественным, требуется провести подготовительные работы, в которые входит установление режимов, необходимых для конкретного вида материалов для соответствия требованиям технологического процесса.

Режим ручной дуговой сварки - это установка параметров, максимально гарантирующих образование сварного шва, имеющего требуемые габариты и конфигурацию, а также необходимые для конкретного соединения характеристики. Параметры режима ручной дуговой сварки делятся на основополагающие и дополняющие их. Выбор и установка параметров производится самим сварщиком согласно существующим требованиям. На выбор оказывают влияние вид сварного соединения, артикул металла свариваемых деталей и проводника тока, пространственное расположение.

Основные параметры

Наиболее значительные параметры ручной дуговой сварки:

ток;
напряжение;
полярность;
диаметр электрода;
скорость;
амплитуда колебаний поперек шва.

Вид и размер этих параметров подбираются сварщиком перед началом работы на основе рекомендаций и личного опыта.

Величина тока

Это значение значительно влияет на качество получаемого шва и скорость сварочного процесса. Между параметрами существует прямая зависимость: величину тока при сварке устанавливают согласно диаметру выбранного электрода, а диаметр, в свою очередь, зависит от толщины свариваемых элементов.

Для более точного расчета значения тока используют формулу, в которой оно прямо пропорционально диаметру электрода. При этом применяется поправочный коэффициент. Для разных диаметров он является различным. При каком значении силы тока проводят ручную электродуговую сварку? При слабом токе нарушается стабильность дуги, шов не будет провариваться целиком, что вызывает появление трещин. Повышенное значение тока вызывает быстрый процесс сварки и приводит к усиленному распространению брызг.

Диаметр электрода

Выбор режима сварки при ручной электродуговой сварке включает необходимость грамотного определения необходимых диаметров электродов. Электроды, имеющие диаметр свыше 6 мм, отличаются большим весом, при котором их трудно удерживать в нужном направлении длительное время. Кроме того, при использовании таких электродов плохо проваривается корень шва.

Если используется многопроходной вариант, то первый слой проводится электродом 2-3 мм, а для последующих можно использовать большее значение диаметра. Это имеет большое значение при сварке ответственных конструкций, поскольку меньший диаметр обеспечивает лучшую проварку корня. При одном заходе можно сразу применять электрод большого диаметра.

При решении задачи правильного выбора диаметра электрода рассматривается марка свариваемых поверхностей. Например, для сварки чугунных изделий хорошо себя зарекомендовали электроды небольшого диаметра. Уровень тепла при этом понижается и образуется валик небольшого сечения. Если была осуществлена предварительная разделка кромок, то допускается использование электродов диаметром 3 мм, не слишком ориентируясь на толщину деталей.

Напряжение дуги

Этот параметр зависит от длины дуги, то есть расстояния от конца электрода до металлической поверхности. Дуга имеет разные размеры. Больше дуга - больше напряжение. Для плавления расходуется значительное количество тепла. Сварочный шов становится шире, а глубина провара меньше.

Скорость

Режимы ручной дуговой сварки покрытыми электродами включают установление скорости. Чтобы избежать переполнения ванны и, как следствие, возникновения на металле подтеков, следует выбрать оптимальное значение скорости и поддерживать его постоянным на протяжении всего процесса. Большая скорость приведет к недостаточному провару шва, что вызовет появление трещин.

При слишком медленном перемещении жидкий металл начнет собираться впереди дуги. Шов получится неровным, появятся непровары. Для получения удачного шва скорость должна быть 35-40 м/час. Тогда сварочная ванна будет находиться сверху поверхности кромок, не образуя стекания вниз. Переход ее к соединению будет плавным, наплывы и подрезы не образуются.

Ширина шва уменьшается при увеличении скорости.

Полярность

Как правило, для сварочных работ применяют ток постоянной величины. Прямая полярность при постоянном токе дает возможность сваривать толстые детали. Чтобы избежать появления прожогов при соединении тонких металлов включают обратную полярность. Сварку переменным током практически не применяют, поскольку это снижает производительность.

Выбор режима сварки при ручной дуговой сварке заключается, в частности, в возможности проводить процесс при разных полярностях. При прямом варианте проводник тока подключают к клемме с минусом, а металлическое соединение к плюсу. Интенсивней, чем электрод, начинаются расплавляться элементы сварного соединения. Это дает преимущество при сварке толстых металлических деталей.

Обратная полярность получается при подключении электрода к плюсу, а металлических деталей к минусу. Это обеспечивает интенсивный расплав электрода, превосходящий плавление деталей.

Объяснение является достаточно простым и соответствует физическим законам. Где плюс, там нагревание больше. Соответственно, при прямой полярности выше нагреваются свариваемые детали. Становится возможным соединение крупных изделий. Применение такого вида полярности на тонких деталях вызовет прожоги, и шов будет некачественным. Поэтому для соединения тонких деталей обеспечивают обратную полярность.

Особенности при вертикальном расположении

Сварка в вертикальном положении является более сложной по сравнению с горизонтальным вариантом. Поэтому выбор режимов дуговой сварки в этом случае является особенно важным.

Как корректируют величину сварочного тока в вертикальном положении? Первое требование относится к дуге - она должна быть короткой. Объем сварочной ванны не должен быть большим. Для ее уменьшения следует использовать электроды небольшим диаметром, а величину тока устанавливать на 10-15% меньше, чем, когда сварка проводится в горизонтальном положении внизу.

Дополнительные параметры

Режимы сварки электродуговой включают не только основные, но и дополняющие их параметры. Такие режимы дуговой сварки так же оказывают влияние на конечное получение сварного шва.

Вылет электрода

Вылетом электрода называется расстояние от торца электрода до поверхности металлической детали. Он оказывает влияние на процесс сварки и размеры получаемого шва.

Увеличение этого параметра снижает стабильность горения дуги. Металл начинает сильнее разбрызгиваться. Маленький вылет делает затруднительным наблюдение за сварочным процессом. Набрызгивание происходит на сопло.

Толщина электродного покрытия

Режимы ручной дуговой сварки включают особенности электродов, в частности, его покрытие, а именно его толщина. Этот параметр регламентирует ГОСТ 9466. Оптимальное покрытие предполагает нахождение его торцевого размера в пределах 0,5-2,5 мм. Применение проводников тока с такой толщиной покрытия обеспечивает получение прочного шва, выдерживающего большие нагрузки.

Число проходов

Однопроходной способ сварки предполагает сваривание одним слоем. Колебательные движения при этом не делаются. Он применяется при сварке деталей небольшой толщины, когда ширина шва не превышает 14-15 мм. При этом уменьшается величина остаточных деформаций. Для стыковых соединений, особенно при сварке толстых элементов, используют несколько слоев, и этот способ называется многопроходным.

Шов, осуществленный за один проход, имеет ванну большего размера. Преимуществами являются высокая производительность процесса и экономичность способа. К недостаткам относятся снижение пластичности шва и слишком большая зона нагрева. Все швы при многопроходной сварке выполняют электродами одного размера.

Сварочные напряжения и деформации

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.

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:

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.
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.
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.

Влияние параметров режима сварки на формирование шва

Влияние параметров режима сварки под флюсом на формирование шва

Режим автоматической сварки под флюсом включает ряд параметров. Основные из них:

сила сварочного тока,
напряжение дуги,
скорость сварки,
диаметр электрода,
род тока,
полярность тока.

вылет электрода,
наклон электрода
и др.

Параметры режима сварки выбирают исходя из толщины свариваемого металла и требуемой формы сварного шва, которая определяется глубиной проплавления и шириной шва. Режим сварки определяют по экспериментальным (справочным) таблицам или приближенным расчетом с последующей проверкой на технологических пробах. Обычно режим сварки выбирают в следующем порядке: в зависимости от толщины свариваемого металла выбирают диаметр электродной проволоки, затем в зависимости от диаметра устанавливают силу сварочного тока, далее скорость подачи электрода и скорость сварки. Примерные режимы автоматической сварки под флюсом приведены в табл. 1.

Таблица 1. Режим сварки под флюсом

Толщина металла, мм

Диаметр электрода, мм

Сварочный ток, А

Напряжение дуги, В

Скорость сварки, м/ч

Ниже рассматривается влияние перечисленных параметров режимов на формирование шва и приводятся рекомендации к их выбору.

Сила сварочного тока. От силы тока зависит тепловая мощность дуги. При увеличении силы тока количество выделяющейся теплоты возрастает и увеличивается давление дуги на ванну. Это приводит к увеличению глубины проплавления основного металла и доли участия его в формировании швов. Ширина шва при этом практически мало изменяется (рис. 1, а).

Рис. 1. Влияние параметров режима на форму шва: а – сварочный ток, б – напряжение дуги, в – скорость сварки

Диаметр электродной проволоки. При увеличении диаметра электродной проволоки и неизменном сварочном токе плотность тока на электроде уменьшается, одновременно усиливается блуждание дуги между концом электрода и поверхностью сварочной ванны, что приводит к возрастанию ширины шва и уменьшению глубины провара. И, наоборот, при уменьшении диаметра электродной проволоки плотность тока в ней увеличивается, уменьшается блуждание дуги, происходит концентрация теплоты на малой площади сварочной ванны и глубина провара возрастает, ширина шва при этом уменьшается. Это позволяет при сварке тонкой электродной проволокой сравнительно на небольших токах получать глубокий провар.

Напряжение дуги. Из всех параметров режимов автоматических способов дуговой сварки напряжение дуги (рис. 1, б) оказывает наибольшее влияние на ширину шва. С повышением напряжения увеличиваются ее длина и подвижность, в результате чего возрастает доля теплоты идущей на плавление поверхности основного металла и флюса. Это приводит к значительному увеличению ширины шва, причем глубина проплавления уменьшается, что особенно важно при сварке тонкого металла. Несколько уменьшается и высота выпуклости шва.

С повышением напряжения дуги увеличение ширины шва зависит и от рода тока. При одних и тех же напряжениях дуги ширина шва при сварке на постоянном токе, а в особенности при обратной полярности, значительно больше ширины шва, выполненного на переменном токе.

Род тока и полярность. Характер зависимости формы и размеров шва от основных параметров режимов сварки при переменном примерно такой же, как и при постоянном. Однако полярность постоянного тока оказывает различное влияние на глубину и плавления, что объясняется разным количеством теплоты, выделяемой на катоде и аноде. При дуговой сварке под флюсом постояным током применяется, как правило. обратная полярность.

Скорость сварки. Влияние скорости сварки (рис. 1, в) на глубину проплавления и ширину шва носит сложный характер. Сначала при увеличении скорости сварки столб дуги все больше вытесняет жидкий металл, толщина прослойки жидкого мета. под дугой уменьшается и глубина проплавления возрастает. При дальнейшем увеличении скорости сварки (более 40 – 50 м/ч) заметно уменьшается погонная энергия и глубина проплавления на начинает уменьшаться. Во всех случаях при увеличении скорости сварки ширина постоянно уменьшается. При скорости сварки более 70 – 80 м/ч основной металл не успевает достаточно прогреваться, в результате чего по обеим сторонам шва возможны несплавления кромок или подрезы. При необходимости ведения сварки на больших скоростях применяют специальные методы (двухдуговая, сварка трехфазной дугой и др.).

Скорость подачи электродной проволоки. Этот параметр режима сварки тесно связан с силой сварочного тока и напряжением дуги. Для устойчивого процесса сварки скорость подачи электродной проволоки должна быть равна скорости ее плавления. При недостаточной скорости подачи проволоки возможны периодические обрывы дуги, при слишком большой скорости происходят частые короткие замыкания электрода на сварочную ванну. Все это ведет к появлению непроваров и неудовлетворительному формированию шва.

Вылет электрода. С увеличением вылета электрода возрастает интенсивность его предварительного подогрева проходящим сварочным током. Электрод плавится быстрее, а основной металл остается сравнительно холодным. Кроме того, увеличивается длина дуги, что приводит к уменьшению глубины проплавления и некоторому увеличению ширины шва. Обычно вылет составляет 40 – 60 мм.

Наклон электрода вдоль шва. Обычно сварку выполняют вертикально расположенным электродом, но в отдельных случаях она может производиться с наклоном электрода углом вперед или углом назад (рис. 2, а).

При сварке углом вперед жидкий металл подтекает под дугу, толщина его прослойки увеличивается, а глубина проплавления уменьшается. Уменьшается также высота выпуклости шва, но заметно возрастает ширина, что позволяет использовать этот метод при сварке металла небольшой толщины. Кроме того, при сварке углом вперед лучше проплавляются свариваемые кромки, что дает возможность производить сварку на повышенных скоростях. При сварке углом назад жидкий металл давлением газов вытесняется из-под дуги, т. е. толщина его прослойки под дугой уменьшается, а глубина проплавления увеличивается. Увеличивается также высота выпуклости шва, но значительно уменьшается его ширина. Ввиду глубокого проплавления и недостаточного прогрева свариваемых кромок возможны несплавление основного металла с наплавленным и образованием пористости шва. Учитывая это, данный метод применяют ограниченно, в основном при сварке металла большой толщины на больших скоростях, например при двухдуговой сварке или выполнении кольцевых швов небольшого диаметра.

Рис. 2. Влияние наклона при сварке на форму шва: а – электрода, б – детали

Наклон изделия. Обычно автоматическая и механизированная сварка под флюсом производится в нижнем положении (рис. 2, а). Возможна сварка на подъем или на спуск (рис. 2, б). При сварке на подъем жидкий металл под действием собственного веса вытекает из-под дуги, толщина его прослойки уменьшается, что приводит к увеличению глубины проплавления и уменьшению ширины шва. При угле наклона 6 – 8° по обе стороны шва могут образоваться подрезы, ухудшающие форму шва.

При сварке на спуск расплавленный металл подтекает под дугу, что приводит к увеличению толщины его прослойки. Глубина проплавления при этом уменьшается. Этот метод, позволяющий несколько увеличить скорость сварки при хорошем формировании шва и небольшой глубине проплавления, применяется при сварке тонкого металла. При угле наклона более 15 – 20° происходит сильное растекание электродного металла, который только натекает на поверхность свариваемого изделия, но не сплавляется с ним, поэтому не применяется.

Марка флюса и его грануляция. Различные флюсы обладают разными стабилизирующими свойствами, с повышением которых увеличиваются длина дуги и ее напряжение в результате чего возрастает ширина шва и уменьшается глубина проплавления. Чем крупнее флюс, тем меньше его объемная масса. Флюсы с малой объемной массой (крупнозернистые стекловидные и пемзовидные) оказывают меньшее давление на газовую полость зоны сварки, что способствует получению более широкого шва с меньшей глубиной проплавления. Применение мелкозернистого флюса с большей объемной массой приводит к увеличению глубины проплавления и уменьшению ширины шва.

Читайте также: