Деформации и напряжения при газовой сварке

Обновлено: 09.01.2025

В процессе сварки конструкции в ней возникают напряжения в результате неравномерных объемных изменений, вызванных неодинаковым нагревом основного и наплавленного металлов, усадкой расплавленного металла после сварки, структурными изменениями металла из-за быстрого охлаждения, жестким закреплением деталей или изделия в ходе их изготовления. Появление указанных напряжений в сварном соединении может обусловливаться также и изменением растворимости газов, окружающих сварной шов при охлаждении. Эти напряжения в отличие от напряжений, действующих на конструкцию во время ее эксплуатации и вызываемых внешними силами, называют внутренними или остаточными сварочными напряжениями. Внутренние напряжения могут вызвать не только деформацию сварного изделия, но и его разрушение. Величина остаточных сварочных напряжений может достигать предела текучести и даже превосходить его.

Остаточные сварочные напряжения оказывают различное влияние на прочность сварных конструкций в зависимости от вида действующей на них нагрузки, а также от величины и характера распределения этих напряжений. При статической нагрузке остаточные напряжения не оказывают влияния на прочность конструкций только в тех случаях, когда металл сохраняет способность пластически деформироваться. Особенно сильно проявляется действие остаточных напряжений в условиях, способствующих возникновению хрупкого разрушения сварного соединения. Хрупкое разрушение происходит в результате неблагоприятного сочетания трех факторов: концентрации напряжений, остаточных напряжений и температуры.

Чтобы избежать хрупкого разрушения сварного соединения, необходимо воздействовать хотя бы на один из этих факторов. Концентрация напряжений и температура в меньшей степени поддаются изменению по сравнению с остаточными сварочными напряжениями. Поэтому в зависимости от условий работы и назначения сварного соединения проводятся различные мероприятия для перераспределения остаточных напряжений или их полного устранения.

Конструктивные мероприятия. Этой группой мероприятий стараются получить равномерное по сечению Детали распределение напряжений от рабочей нагрузки и остаточных, устранить всевозможные концентраторы напряжений. Для этого сокращают скопление швов в изделии; уменьшают количество наплавленного металла; сводят до минимума число пересекающихся и сближающихся швов, число сварных швов, образующих замкнутый контур; обеспечивают свободные деформации в частях изделия при сварке швов (постановка лишних ребер жесткости, косынок, уменьшающих гибкость изделия, часто приносит вред); ставят симметрично ребра жесткости; применяют по возможности стыковые швы, обеспечивающие наименьшую концентрацию напряжений.

Технологические мероприятия. Наиболее рациональное проведение температурного цикла при сварке, последовательность выполнения сварочных операций, правильное сочетание свойств основного и сварочного материалов, подогрев соединений перед и в процессе сварки, уравновешивание деформаций; использование обратных деформаций, применение специальных приемов сварки существенно влияют на величину образующихся при сварке напряжений.

Для металла, склонного к закалке, следует осуществлять более мощный тепловой режим. При этом увеличивается объем разогреваемого металла, а следовательно, замедляется остывание. Кроме того, при сварке металла больших толщин, а также при низких температурах окружающего воздуха рекомендуется выполнять предварительный и сопутствующий подогрев. Это уменьшит скорость охлаждения и разность температур между холодными и нагретыми частями свариваемого изделия.

Соблюдение правильной последовательности наложения (рис. 56) швов обеспечивает свободную деформацию свариваемых элементов.

Рис. 56. Последовательность правильного наложения швов при сварке листового настила

Рис. 57. Очередность наложения швов при сварке балки двутаврового сечения

При методе уравновешивания деформаций швы накладывают в таком порядке, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные возникшим при наложении предыдущего шва. В качестве примера на рис. 57 показана очередность наложения швов при сварке балки двутаврового сечения. При использовании обратных деформаций в изделии перед сваркой искусственно вызывают деформацию, противоположную той, которую оно должно получить после сварки (рис. 58).

Рис. 58. Использование обратных деформаций при сварке
1, 2—положения свариваемых деталей до и после сварки

Остаточные деформации можно снять и в готовых сварных соединениях, для чего применяют несколько способов. В тех случаях, когда это возможно, к изделию прикладывают внешнюю нагрузку. Тогда создаваемые ею напряжения складываются с остаточными и вызывают местную пластическую деформацию в местах наибольших остаточных напряжений. Пластическая деформация снимает в определенной степени остаточные напряжения или приводит к их более благоприятному перераспределению по поперечному сечению соединения.

Проковка или обкатка сварных соединений создает в шве и околошовной зоне местные пластические деформации, противоположные вызванным сваркой. Это приводит к уменьшению, а иногда полному снятию остаточных сварочных напряжений.

Полностью снимает остаточные напряжения и термообработка готового сварного соединения или всего изделия.

Приложение нагрузок или термообработку иногда трудно или невозможно применить на практике. В таких случаях используют методы, позволяющие перераспределить остаточные напряжения или образовать в наиболее опасных местах напряжения, не уменьшающие, а увеличивающие прочность сварной конструкции. К таким методам относятся поверхностный наклеп и местный нагрев.

Поверхностный паклеп производится с помощью Дробеструйной обработки или чеканкой пневматическими молотками со специальными насадками. С помощью дроби или бойка пневматического молотка на обрабатываемой поверхности на определенную глубину создается пластическая деформация. Вследствие неравномерности деформации по сечению детали и стремления верхнего слоя металла расшириться в нем возникают благоприятные остаточные напряжения сжатия.

Второй метод заключается в том, что в местах, где концентрируются опасные для конструкции остаточные сварочные напряжения, складывающиеся с напряжениями от рабочей нагрузки, выполняют местный сосредоточенный нагрев детали газовой горелкой примерно до 700 °С. В результате нагрева остаточные напряжения перераспределяются в благоприятном для конструкции направлении.

Сварка вызывает в изделиях появление напряжений, существующих без приложения внешних сил. Напряжения возникают по ряду причин, прежде всего из-за неравномерного распределения температуры при сварке, что затрудняет расширение и сжатие металла при его нагреве и остывании, так как нагретый участок со всех сторон окружен холодным металлом, размеры которого не изменяются. Вследствие структурных превращений участков металла околошовной зоны, нагретых в процессе сварки выше критических точек, в свариваемых конструкциях возникают структурные напряжения. В отличие от напряжений, действующих на конструкцию во время ее эксплуатации и вызываемых внешними силами, эти напряжения называют внутренними (собственными) и остаточными сварочными напряжениями. Если значения сварочных напряжений достигнут предела текучести металла^ они вызовут изменение размеров и формы, т. е. деформацию изделия. Деформации могут быть временными и остаточными. Если остаточные деформации достигнут заметной величины, они могут привести к неисправимому браку. Остаточные напряжения могут вызвать не только деформацию сварного изделия, но и его разрушение. Особенно сильно проявляется действие этих напряжений в условиях, способствующих хрупкому разрушению сварного соединения, которое происходит в результате неблагоприятного сочетания концентрации напряжений, температуры и остаточных напряжений. Первые два фактора меньше поддаются изменению, чем остаточные напряжения, поэтому применяют ряд мер по предотвращению и снижению сварочных напряжений и деформаций.

Высокая концентрация теплоты способствует сужению зоны, подвергающейся пластическим деформациям, и уменьшению деформаций конструкций. С этой точки зрения наиболее благоприятной является замена ручной сварки покрытыми электродами автоматической или полуавтоматической сваркой под флюсом или в защитных газах. Для обеспечения минимальной деформации сварной конструкции следует накладывать сварные швы наименьшего сечения и не допускать их увеличения в процессе изготовления конструкции. Величина и характер сварочных напряжений и остаточных дефор-мадий непосредственно зависит от погонной энергии, определяемой режимом сварки, а также от размера шва или слоя. При прочих равных условиях Х-образная разделка кромок, обеспечивающая симметричное расположение шва, вызывает меньшую деформацию, чем V-об-разная. Эффективной мерой уменьшения деформаций является применение сварочных материалов, обеспечивающих более высокую прочность металла шва и поэтому позволяющих делать швы меньшего сечения. На величину остаточных напряжений и деформаций оказывает влияние порядок наложения шва по его длине и сечению. Наибольшие остаточные деформации возникают при сварке «напроход». При ручной сварке швы следует выполнять от середины к концам двумя сварщиками. Уменьшает напряжения и деформации обратносту-пенчатая сварка, сварка каскадом. Эффективной мерой снижения остаточных деформаций является закрепление свариваемых деталей в специальных кондукторах. Для борьбы с деформациями часто применяют предварительный обратный изгиб свариваемых деталей (рис. 40) или определенный порядок сварки (рис. 41, 42).

При резком охлаждении сварного соединения нагреваемый при сварке участок, в котором возникают пластические деформации, сужается, что приводит к уменьшению остаточных деформаций и напряжений. Предварительный или сопутствующий подогрев уменьшает перепад температур между участками сварного соединения, в результате чего снижаются напряжения.

Существуют также конструктивные меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями. С помощью этих мер стараются получить равномерное по сечению изделия распределение напряжений от рабочей нагрузки и остаточных, а также устранить всевозможные концентраторы напряжений. Для этого сводят до минимума число пересекающихся и сближающихся швов; число швов, образующих замкнутый контур; сокращают скопление швов в изделии; обеспечивают свободные деформации в частях изделия при сварке швов (постановка лишних ребер жесткости или косынок, уменьшающих гибкость изделия, часто приносит вред); применяют по возможности стыковые швы, которые обеспечивают наименьшую концентрацию напряжений.

Для полного снятия напряжений сварные соединения подвергают термической обработке. Снять напряжения можно термопластическим методом, основанным па создании пластических деформаций в зоне шва путем нагрева смежных со швом участков основного металла. Одной из мер снятия сварочных напряжений является расплавление участка перехода от шва к основному металлу неплавящимся электродом в аргоне. При этом нарушается равновесие внутренних сил напряженного поля вследствие перехода части металла в жидкое и пластическое состояния. Сварочные напряжения могут быть сняты почти полностью, если в околошовной зоне создать дополнительные пластические деформации путем проковки шва. Эффективной мерой снятия сварочных напряжений в конструкциях из незакаливающихся сталей является воздействие на сварную конструкцию внешних сил, от которых в ней возникают напряжения, равные пределу текучести металла. Устранить деформации можно с помощью термической правки, когда нагрев производят газокислородным пламенем или электрической дугой неплавящимся электродом, или путем механической правки на прессах или вручную.

Рис. 40. Схема использования при сварке обратных деформаций
а, б —положения свариваемых деталей до и после сварки

Рис. 41. Последовательность (1—19) правильного наложения швов при сварке листового настила

Рис. 42. Очередность (1 — 14) наложения швов при сварке балки двутаврового сечения

Методы борьбы с деформациями и напряжениями при газовой сварке

При сварке изделий невозможно полностью избежать остаточных деформаций и напряжений. Поэтому борьбу с ними необходимо осуществлять на разных стадиях изготовления сварной конструкции: до сварки (на стадии проектирования конструкции и технологии производства), во время и после сварки. Газовая сварка дает большую зону нагрева по сравнению с другими видами сварки, поэтому она вызывает и большие деформации свариваемых изделий. Для уменьшения деформаций при сварке необходимо стремиться к равномерному распределению объема наплавляемого металла, более равномерному нагреву детали при сварке, а также применять определенный порядок наложения швов.

Важно правильно выбрать режим сварки. При сборке изделий под сварку зазор должен быть равномерным по всей длине шва. Прихватывать детали необходимо в меньшем числе точек.

Для устранения деформаций при сварке встык применяют обратноступенчатый и комбинированный порядок наложения швов. В этом случае весь шов делят на участки длиной 100-250 мм. Сварку ведут отдельными участками в порядке, отмеченном цифрами, и направлении, указанном стрелками. При этих способах листы почти не будут коробиться, так как обеспечивается более равномерное распределение теплоты вдоль шва, чем при непрерывной сварке, а потому величина деформации уменьшается.

а - обратноступенчатый, б, в - комбинированный

Рисунок 1 - Порядок наложения швов

Для уменьшения деформаций применяют также способ уравновешивания деформаций, при котором имеет значение очередность наложения швов. Очередность наложения выбирают так, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные деформациям, полученным при наложении предыдущего шва. Для уменьшения деформаций применяют и способ обратных деформаций. Сущность этого способа заключается в том, что детали перед сваркой располагают так, чтобы после сварки они приняли требуемое взаимное расположение. В этом случае листы размещают под некоторым углом относительно друг друга. В процессе сварки вследствие усадки металла шва кромки сближаются, в результате чего уменьшается деформация.

а - уравновешивание деформаций, б - обратная деформация; 1-4 - швы

Рисунок 2 - Способы уменьшения деформаций

При сварке узла из нескольких труб сначала сваривают отдельные элементы, которые затем приваривают общим швом к соединяющей их детали.

Жесткое закрепление свариваемых деталей также применяют для уменьшения деформаций. Этот способ находит широкое применение в условиях массового и серийного производства при сварке деталей сложной формы. Детали закрепляют в специальных приспособлениях (кондукторах), в которых выполняют сварку и вынимают их только после полного охлаждения. Однако при этом способе могут возникнуть внутренние напряжения, для снятия которых сваренный узел подвергают последующей термообработке.

Для уменьшения деформаций применяют также предварительный подогрев свариваемой детали. В этом случае разность между температурой сварочной ванны и температурой всей детали уменьшается, и, следовательно, будут уменьшаться деформации от нагрева в процессе сварки. Данный способ нашел широкое применение при ремонте изделий из чугуна, алюминия, бронзы, высокоуглеродистых и легированных сталей. Изделий подогревают в специальных горнах, печах, индукторах. В некоторых случаях рекомендуется проковывать шов. Проковку проводят как в горячем, так и в холодном состоянии. Проковка металла шва улучшает механические свойства наплавленного металла и в значительной степени уменьшает усадку. Кроме того, для снятия возникших при сварке напряжений и улучшения структуры металла шва и зоны термического влияния применяют термическую обработку.

Газовая сварка

Газовые горелки работают на ацетилене и газах-заменителях ацетилена, которые образуют взрывоопасные смеси с кислородом и воздухом, поэтому при обращении с газовой горелкой необходимо предварительно ознакомиться с инструкцией по ее эксплуатации.

Не допускается эксплуатация неисправных горелок, так как это может привести к взрывам и пожарам, а также ожогам газосварщика.

Виды сварочного пламени

Сварочное пламя образуется при сгорании горючего газа или паров горючей жидкости в кислороде. Пламя нагревает и расплавляет основной и присадочный металл в месте сварки.

Деформации и напряжения в стыковых и тавровых соединениях при газовой сварке

Внутренние напряжения и деформации , возникающие при сварке, зависят от вида сварки. При газовой сварке возникают значительно большие деформации, чем при дуговой.

Линейные сварочные напряжения по направлению действия делятся на:

Причины возникновения деформаций и напряжений при сварке

При сварке металлических конструкций в них возникают напряжения, которые в отличие от напряжений, вызываемых внешними рабочими нагрузками, носят название внутренних или сварочных. Сварочные напряжения и деформации подразделяются:

Газопламенная наплавка цветных металлов

Газопламенную наплавку применяют преимущественно для латуней. Медь и бронзу целесообразней наплавлять с применением электрических способов нагрева. Латунь наплавляется на детали для создания уплотнительных поверхностей в запорной арматуре. При наплавке латуней на черные металлы, как правило, требуется применение флюсов. Наилучших результатов при газопламенной наплавке латуни на сталь и чугун достигают при использовании газообразного флюса БМ-1. Обычно наплавка выполняется левым способом в нижнем положении.

Общие сведения о газопламенной наплавке

Наплавка процесс нанесения присадочного слоя металла на основной металл, который расплавляется на небольшую глубину.

Газопламенная пайка металлов

Пайка металлов технологический процесс получения неразъемных соединений металлов нагревом до расплавления более легкоплавкого присадочного металла - припоя, заполняющего зазор между соединяемыми деталями. Основной металл при пайке не плавится, а нагревается до температуры расплавления припоя.

Юхин Н.А. Ручная сварка при сооружении и ремонте трубопроводов пара и горячей воды

В иллюстрированном пособии изложены принципы и особенности ручной дуговой сварки трубопроводов пара и горячей воды покрытым электродом, аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом и газовой сварки ацетиленокислородным пламенем. Содержатся сведения о технологии и технике сварки трубопроводов, их ремонте с помощью сварки. Пособие рассчитано на электросварщиков ручной сварки и газосварщиков, занятых сооружением и ремонтом трубопроводов пара и горячей воды

Техника наложения сварных швов при газовой сварке

Основными параметрами режима газовой сварки являются характер и мощность сварочного пламени, диаметр присадочной проволоки, скорость сварки. Выбор режима зависит от видал толщины свариваемого металла и конструкции изделия. На характер газовой сварки большое влияние оказывает техника наложения сварочных швов.

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.

Деформации и напряжения при газовой сварке

Деформации и напряжения возникают в результате неравномерного нагрева металла. Если листы металла нагревать пламенем горелки без перемещения ее, то металл начнет расширяться в месте нагревания. Более холодные части листа, вокруг зоны нагрева, будут препятствовать расширению. Если лист достаточно большой и толщина его не менее 3 мм, он начнет терять устойчивость и в месте нагрева начнет деформироваться, образуя «хлопуны».

Повышенные внутренние напряжения часто являются причиной появления трещин в сварном шве или в зоне термического влияния и даже разрушения сварного соединения. От величины температуры нагрева и коэффициента линейного расширения зависит степень деформации металла. Чем выше коэффициент линейного расширения и больше температура нагрева металла, тем больше деформация.

Рис. 40. Подготовка кромок чугуна под сварку

Другой причиной деформации и напряжения при сварке является величина усадки металла шва. Усадка при сварке металла вызывает продольные и поперечные напряжения и деформации, а также угловые и местные деформации.

Продольными называют напряжения, действующие параллельно оси шва. Они возникают от продольной усадки швов и прилегающих слоев металла околошовной зоны в результате совместного действия неравномерного нагрева вдоль линии шва и литейной усадки расплавленного металла.

При продольном короблении происходит набегание еще не сваренных кромок листов друг на друга. При сварке тонколистовых конструкций напряжения приводят к общей деформации элемента.

Поперечными называют напряжения и деформации, действующие перпендикулярно оси шва. В верхней части шва величина усадки больше, так как объем наплавленного металла больше. Поэтому при поперечной усадке края листов стремятся подняться вверх, т. е. в сторону вершины шва. При возникновении препятствий усадке образуются напряжения в сварном соединении. В результате того, что при газовой сварке зона нагрева по сравнению с другими видами сварки больше, деформации сварных изделий или узлов больше.

Угловые деформации возникают за счет неравномерной литейной усадки металла шва, при сварке встык с V-образной разделкой кромок, а также при сварке угловых швов.

Объем жидкого металла по сечению таких швов неодинаков, в связи с чем поперечная усадка в верхних слоях будет больше, чем в нижних (у корня шва). Под действием поперечной усадки верхних слоев сварного шва произойдет поворот приваренных элементов относительно продольной оси шва на некоторый угол. Подобного рода угловые деформации могут достигать 3—7° в зависимости от толщины свариваемого металла.

При сварке тавровых соединений угловые деформации приводят к искривлению полок (грибовидности). Угол смещения при образовании грибовидности также зависит от толщины привариваемой полки и от величины катета сварного шва. Кроме общих деформаций, при сварке могут возникать местные деформации. Например, уменьшение грибовидности таврового соединения путем приварки ребер жесткости ведет к волнистому изгибу полки.

Рис. 41. Способы уменьшения деформаций
а — обратно-ступенчатый порядок наложения швов; б — ступенчатый; в — комбинированный

Рис. 42. Уменьшение деформаций способом уравновешивания
1—4 — порядок наложения швов

Основными технологическими приемами, снижающими напряжения и деформации, являются: порядок наложения швов, обратная деформация, применение приспособлений и кондукторов, сварка на специальных тепло-отводящих подкладках, предварительный подогрев детали, проковка сварного шва, термическая обработка после сварки.

Порядок наложения сварных швов или последовательность сварки отдельных швов конструкции, выбранных неправильно, может привести к значительным деформациям конструкции и появлению в швах трещин. На рис. 41 приведены обратно-ступенчатый, ступенчатый и комбинированный порядок наложения швов.

Подготовленный под сварку стык делят на равные участки по 100—200 мм, размечают направление, указанное стрелками, и порядок наложения сварных швов, отмеченный цифрами. Такой способ сварки обеспечивает более равномерное распределение тепла, чем сварка за один проход, следовательно, деформация будет меньше.

Наряду с этим существует метод уравновешивания деформаций путем определенного порядка наложения швов. Очередность наложения швов выбирают в таком порядке, чтобы накладываемый шов вызывал деформации, обратные ранее полученным. Примером может служить порядок наложения сварных швов при сварке двутавровой балки (рис. 42), при сварке листов с Х-образ-ной разделкой.

Жесткое закрепление свариваемых деталей применяют для того, чтобы оми в процессе сварки не могли деформироваться. Сваренная деталь или узел находится в приспособлении или кондукторе до полного ее остывания. Данный способ сварки уменьшает деформации, но вызывает появление внутренних напряжений. Поэтому после сварки для снятия внутренних напряжений сваренную деталь или узел подвергают термической обработке по заданному режиму.

Охлаждение детали необходимо при сварке некоторых высоколегированных сталей и алюминиевых сплавов. Для этих целей берут массивную подкладку из меди, посередине которой делают на всю длину небольшую канавку для лучшего формирования корня шва. Этот технологический прием применяют при сварке нержавеющих сталей, т. е. сталей, обладающих пониженной теплопроводностью.

Предварительный подогрев детали уменьшает разницу между температурой места сварки и температурой всей детали, а следовательно, уменьшает деформацию от местного нагрева. Данный способ часто применяют при ремонте отливок, изготовленных из металла, с большим коэффициентом линейного расширения (чугун, бронза, алюминий), а также при сварке высокоуглеродистых и легированных сталей, склонных к закалке и трещинооб-разованию.

Проковку металла шва в горячем состоянии производят слесарным молотком легкими ударами, таким образом, чтобы на поверхности шва оставались небольшие вмятины. После проковки металл шва получается более плотным и по своим свойствам приближается к основному металлу.

Читайте также: