Napětí a deformace ve svarových spojích

V procesu výroby svařovaných konstrukcí v nich dochází ke svařovacím napětím a deformacím. Svařovací napětí přesahující mez kluzu kovu způsobí jeho plastickou deformaci, která vede ke změně velikosti a tvaru výrobku, tedy k jeho deformaci. Pokud svařovací napětí překročí dočasný odpor (cg_в), pak se svar nebo spoj zničí, tj. vytvoří se trhliny.

Důvody vzniku svařovacích napětí a deformací jsou nerovnoměrné zahřívání kovu při svařování, smršťování odlévání roztaveného kovu a strukturální přeměny kovu při jeho ochlazování.

Všechny kovy se při zahřívání roztahují a při ochlazení smršťují. V přítomnosti tuhých vazeb mezi zahřátými a studenými oblastmi kovu to vede ke vzniku tlakových nebo tahových vnitřních svařovacích napětí.

Rýže. 1.10. Lokální ohřev nepevných (a) a upevněných na obou koncích (b) desek:

1 – desky; 2 – pevné upevnění

Podívejme se na pár příkladů. Při lokálním ohřevu desky volně ležící na svařovacím stole se její délka / zvětší o D / (obr. 1.10, a). Toto zvýšení závisí na koeficientu lineární roztažnosti daného kovu, délce ohřívané zóny a teplotě jejího ohřevu. Během ochlazování se prodloužení sníží a při počáteční teplotě se bude rovnat nule. Po ochlazení nabude deska původní rozměry a nevzniknou v ní vnitřní pnutí ani zbytkové deformace. Při lokálním ohřevu téže desky pevně upevněné na obou koncích (obr. 1.10, b) se nemůže volně protahovat, proto v ní vzniknou tlaková vnitřní pnutí. Při vysoké teplotě ohřevu (více než 600 °C) překročí tlaková napětí mez kluzu ohřívaného úseku, dojde v něm k plastické deformaci stlačení a po délce Г poněkud ztloustne. Tlaková napětí částečně zmizí. Při chladnutí by se deska musela zkracovat, tomu však brání tuhé upevnění, v důsledku čehož v ní vzniknou tahová napětí.

Podobně vnitřní pnutí a deformace vznikají, když je housenka navařena na okraj pásu (obr. 1.11, a). Svarová housenka a zahřátá část pásu se roztáhne a natáhne studenou část pásu, což způsobí jeho natažení ohybem. Samotný válec a ohřátá část pásu budou stlačeny, protože jejich tepelné roztažnosti je zabráněno studenou částí pásu. Graf rozložení napětí v diagramu bude mít tvar znázorněný na Obr. 1.11,6.

Tahová napětí se obvykle označují znaménkem „+“ a napětí v tlaku znaménkem „-“. V důsledku tohoto rozložení napětí se pás bude ohýbat konvexně nahoru. V procesu ochlazování dojde ke zkrácení nanesené housenky a zahřáté části pásu, která prošla plastickou deformací. Tomu budou opět bránit horní vrstvy studeného kovu pásu. Nyní nanesená housenka a zahřátá část proužku přitáhnou k sobě svršek

Rýže. 1.11. Výskyt napětí a deformací při navaření housenky na okraj kovového pásu:

studená vlákna. Budou se smršťovat a pás se ohne s vyboulením směrem dolů (obr. 1.11, c) a zbytková napětí se v něm rozloží, jak je znázorněno na obr. 1.11, město

V reálných podmínkách probíhá změna teploty z vyhřívané do studené zóny pásu plynule, proto na grafech rozložení teplot (epures) bude přechod od tahových napětí k tlakovým také plynulejší, než je znázorněno na Obr. 1.11, b a d.

Jak se tekutý kov svaru ochlazuje a tuhne, smršťuje se. Fenomén smrštění je vysvětlen skutečností, že během tuhnutí se kov stává hustším a jeho objem se zmenšuje. Vzhledem k tomu, že svarový kov je pevně spojen se základním kovem, který zůstává ve stejném objemu a působí proti tomuto smrštění, vznikají ve svaru vnitřní pnutí.

Při svařování dochází k podélnému a příčnému smršťování roztaveného kovu, což má za následek vznik podélných a příčných vnitřních pnutí (obr. 1.12), způsobujících deformaci svařovaných výrobků. Vlivem podélného smršťování dochází ke zkroucení výrobků v podélném směru (obr. 1.13) a příčné zpravidla k úhlovým deformacím, tedy ke zborcení směrem k většímu objemu roztaveného kovu (obr. 1.14).

Při svařování legovaných a vysokouhlíkových ocelí vzniká spolu s tepelným, objemovým strukturálním napětím. To se vysvětluje tím, že během ochlazování se mění struktura kovu (velikost a relativní poloha jeho zrn), což je doprovázeno změnou objemu kovu a způsobuje vnitřní pnutí. Při svařování nízkouhlíkových a nízkolegovaných nekalitelných ocelí jsou strukturální napětí velmi malá a vyskytují se jen zřídka.

Ještě složitější procesy nastávají při svařování rozdílných kovů. Hlavní obtíže při tom jsou

Rýže. 1.12. Směry působení podélných / a příčných 2 vnitřních pnutí

Rýže. 1.13. Deformace svařovaných výrobků z podélného smrštění naneseného kovu:

a – se symetrickým uspořádáním švu; b, c – s asymetrickým umístěním švu;

g – při nanášení housenky na okraj pásu; / – svařit; 2 – topná zóna;

A/ – deformace od podélného smršťování; b – šířka topné zóny

mohou existovat metalurgické nekompatibility, tzn. rozdíly ve struktuře, stejně jako v koeficientech lineární roztažnosti, tepelné a elektrické vodivosti.

Představy o mechanismech a kinetice procesů probíhajících při svařování jsou navzdory vědeckým úspěchům ve stádiu neustálého vývoje.

Při výrobě kovových konstrukcí poskytuje nejspolehlivější a nejtrvanlivější spoje svařovací technika, za předpokladu bezchybné práce. Pokud je technologie procesu byť jen mírně narušena, pak se ve vytvořené struktuře při svařování vytvářejí deformace a napětí. Formy jsou zároveň ohnuté, dochází k nepřesnostem v rozměrech výrobku, což znemožňuje kvalitní funkční úkoly.

Co je to stres a zátěž

Vznik napětí a deformací je doprovázen jakýmkoliv silovým účinkem na kovový výrobek. Síla, která vyvíjí tlak na jednotkovou plochu, se nazývá napětí a narušení celistvosti tvarů a velikostí v důsledku silového zatížení se nazývá deformace.

Napětí může být způsobeno fyzickou silou tlaku, tahu, střihu nebo ohybu. Když svařovací napětí a deformace překročí povolené hodnoty, vede to ke zničení jednotlivých prvků a celé konstrukce.

Proč vznikají deformace a napětí

Deformace při svařování se objevují v důsledku vnitřních pnutí způsobených různými faktory. Příčiny takových porušení jsou podmíněně rozděleny do dvou velkých kategorií: hlavní (nevyhnutelné), které jsou vždy přítomny při svařování, a doprovodné, které je třeba odstranit.

Příčiny nevyhnutelné

Hlavní skupinu tvoří následující příčiny pnutí a deformací při svařování:
konstrukční úpravy, které vyvolávají rozvoj tlakových a tahových napětí. Poměrně často dochází při ochlazování výrobků z vysoce uhlíkových a legovaných ocelových slitin k narušení struktury zrn kovů a rozměrů samotných dílů.

V důsledku toho se původní objem kovu mění, což ve skutečnosti zvyšuje vnitřní napětí;

• nerovnoměrné vytápění. Během procesu svařování se ohřívá pouze zúčastněná část kovu, zatímco se roztahuje a působí na méně zahřáté vrstvy. Vysoká koncentrace napětí ve svarových spojích vzniklých v důsledku přerušovaného ohřevu závisí především na lineárních indexech roztažnosti, stupni tepelné vodivosti a teplotním režimu. Čím vyšší jsou tyto ukazatele, tím nižší je tepelná vodivost kovu a v důsledku toho se zvyšuje riziko nepřesností ve svarovém švu;
• slévárenské smrštěníkdy objem kovu vlivem jeho krystalizace znatelně klesá. To se vysvětluje skutečností, že v roztaveném kovu se pod vlivem smrštění vytváří svařovací napětí, které může být jak příčné, tak podélné.

Napětí při svařování mohou vyvolat nejen vnější silové vlivy. Kovové slitiny se také vyznačují vlastními napětími a deformacemi, která se dělí na zbytková a dočasná. Ty první vznikají v důsledku plastické deformace a i po ochlazení konstrukce v ní zůstávají. Kdy se objevují dočasné deformace při svařování? Přímo v procesu svařování v pevně fixovaný výrobek.

Přidružené příčiny

Kromě hlavních existují i ​​sekundární příčiny deformací při svařování. Tyto zahrnují:

• odchylka od technologických norem, například použití elektrod, které nejsou vhodné pro konkrétní případ, porušení svařovacích režimů, nedostatečná příprava produktu pro svařovací proces a další;
• nejednotnost konstrukčních řešení: časté křížení svarových spojů nebo nedostatečná vzdálenost mezi nimi, nepřesně zvolený typ svaru apod.;
• nedostatek zkušeností a příslušných znalostí svářeče.

Která z následujících příčin způsobuje koncentraci napětí ve svarových spojích? Jakékoli nesprávné jednání vede k technologickým vadám ve švu, zejména ke vzniku trhlin, bublin, nedostatečné penetrace a dalších vad.

Druhy deformací a napětí

Existují různé typy namáhání v závislosti na povaze jejich výskytu, době působení a dalších faktorech. Níže uvedená tabulka ukazuje, co způsobuje koncentrace napětí ve svarových spojích a jaké to jsou.

Typy deformací během svařování jsou:

• místní a obecné. První se vyskytují v oddělených oblastech a mění pouze část produktu. Druhá vede ke změně velikosti celé konstrukce a zakřivení její geometrické osy;
• dočasné a konečné. Deformace svařování, ke kterým dojde v určitém okamžiku, se nazývají dočasné a ty, které v něm zůstanou po úplném ochlazení výrobku, se nazývají zbytkové;
• elastické a plastové. Když se po svaření velikost a tvar konstrukce zcela obnoví, je deformace elastická, pokud vady zůstanou, je plastická.

Kovové deformace jsou možné jak v rovině svařované konstrukce, tak mimo ni.

Testování svaru a výpočet deformace

Pro stanovení pevnosti a spolehlivosti švu a pro identifikaci vzniklých vad se provádí testování svarových spojů. Taková kontrola umožňuje včas odhalit sňatky a rychle je eliminovat.

K identifikaci nedostatků se používají následující typy kontroly:

• destruktivní. Umožňuje prozkoumat fyzické vlastnosti svaru, bude aktivně využíván ve výrobních podnicích;
• nedestruktivní. Provádí se externí kontrolou, kapilární metodou, magnetickou nebo ultrazvukovou detekcí defektů, kontrolou propustnosti a dalšími metodami.

Při výrobě konstrukcí pomocí svařování je jednou z důležitých nuancí přesné určení možných deformací a napětí. Jejich přítomnost vede k odchylkám od původních rozměrů a tvarů výrobků, snižuje pevnost konstrukcí a zhoršuje výkon.

Výpočet svařovacích napětí a deformací umožňuje analyzovat různé možnosti provádění svařovacích operací a plánovat jejich sled tak, aby při práci byla konstrukce vystavena minimálnímu namáhání a vzniku vad.

Způsoby eliminace namáhání při svařování

K odstranění pnutí se provádí žíhání nebo se používají mechanické metody. Žíhání je považováno za nejprogresivnější a nejefektivnější. Metoda se používá v případech, kdy jsou kladeny extrémně vysoké požadavky na geometrickou přesnost všech parametrů výrobku.

Žíhání může být obecné nebo místní. Ve většině případů se postup provádí při teplotě 550-680 °C. Celý proces probíhá ve třech fázích: ohřev, udržování a chlazení.

Z mechanických metod se nejčastěji používá válcování, kování, vibrační techniky a explozivní úprava. Kování se provádí pomocí pneumatického kladiva. Pro zpracování vibrací se používají zařízení způsobující vibrace, ve kterých je 10-120 Hz rezonanční frekvence po dobu několika minut.

Způsoby odstranění deformace

Deformace kovu při svařování je eliminována termomechanickým, za studena mechanickým a tepelným rovnáním s celkovým nebo lokálním ohřevem. Při plném žíhání je konstrukce pevně fixována ve speciálním zařízení, které vytváří tlak na požadované plochy. Po fixaci se výrobek umístí do pece k zahřátí.

Princip tepelné metody spočívá v tom, že během procesu ochlazování se kov smršťuje. Natažený úsek se zahřívá obloukem nebo hořákem tak, aby okolní slitina zůstala studená. Tím se zabrání silné expanzi horkého místa. V procesu ochlazování se struktura narovnává. Metoda je ideální pro rovnání pásů plechů, trámů a dalších výrobků.

Rovnání za studena se provádí pomocí konstantního zatížení, které se tvoří pomocí různých lisů, válců pro válcování dlouhých konstrukcí. U vysoce napnutých konstrukcí se k odstranění deformací používá tepelné rovnání. Nejprve se shromažďuje přebytečný kov, po kterém se problémové oblasti zahřejí.

Která metoda je považována za nejlepší? Zde neexistuje jediná odpověď. Při výběru technologie je třeba vzít v úvahu typ, velikost a tvar kovového výrobku, jaké vlastnosti způsobily deformace a namáhání při svařování a deformace, ke kterým došlo v rovině nebo vně. Pozornost by měla být věnována také účinnosti metodiky a budoucím mzdovým nákladům.

Jak předcházet stresu a deformaci

Aby se zlepšila kvalita struktur a zabránilo se tvorbě vad, měli bychom vědět, co určuje velikost deformace svařovaného kovu.

Můžete snížit napětí během svařování a zabránit deformaci, pokud budete dodržovat následující pravidla:

• při navrhování svařované konstrukce musíte nejprve vypočítat svařovací deformace, které vám umožní správně vytvořit úseky švů a poskytnout přídavky potřebné pro smrštění v určitých částech výrobku;
• švy musí být provedeny symetricky k osám profilu celého výrobku a jeho jednotlivých částí;
• je velmi důležité, aby v jednom bodě nebyly průsečíky více než tří švů;
• před svařováním musí být konstrukce zkontrolována, zda je v souladu s výpočty mezer ve spojích a celkových rozměrech;
• je možné snížit zbytkovou deformaci, pokud se ve spoji vytvoří umělá deformace, která je ve znamení opačného znaménka než prováděné svařování. K tomu se používá obecné nebo místní vytápění konstrukce;
• při provádění dlouhých švů použijte pro průchod metodu obráceného kroku;
• používejte podložky odvádějící teplo nebo chladicí směsi, které mohou snížit ohřívací zónu;
• stehy takovým způsobem, že následné spojení způsobí deformace, které jsou obrácené oproti předchozím švům;
• zvolit pro tvárné kovy takové svařovací techniky, které mohou snížit konečné deformace.

Je třeba chápat, že pro minimalizaci deformací při svařování jsou příčiny jejich vzniku a preventivní opatření přímo vzájemně propojeny. Proto je nejprve nutné provést všechny výpočty a přípravné práce a teprve poté přistoupit k procesu svařování kovových konstrukcí.

Metody vyrovnávání svařovacích deformací a napětí

Je mnohem snazší problému předejít, než jej opravit. To platí i pro svařování. Abyste nemuseli čelit odstranění manželství a také se vyhnuli zbytečným finančním nákladům, měli byste věnovat pozornost některým opatřením pro boj proti namáhání a deformacím při svařování.

Doprovod a předehřev

Provádění takových typů vytápění zlepšuje kvalitativní charakteristiky švu a přilehlých oblastí. Metoda také pomáhá snižovat zbytkové napětí a plastickou deformaci. Ohřev se používá u ocelí náchylných ke krystalizačním trhlinám a tvrdnutí.

Šití v obráceném rozloženém pořadí

Pokud délka švu přesahuje 1000 milimetrů, pak by měl být rozdělen na samostatné úseky o délce 100-150 mm a měly by být provedeny proti směru svařování. Použití této metody umožňuje dosáhnout rovnoměrného ohřevu kovu a výrazně snížit deformaci, kterou nelze přičíst případu sekvenčního překrývání.

Švové kování

Kovat lze za studena i zahřátý kov. Kov vlivem síly nárazu se uvolní v různých směrech, čímž se sníží tahové napětí. Pokud je konstrukce vyrobena z kovu náchylného k vytvrzení struktur, pak se na takových výrobcích kování neprovádí.

Vyrovnání deformací

Podstata metody spočívá ve výběru pořadí provádění švů. V tomto případě musí každý následující šev vytvořit opačnou deformaci k předchozímu spojení. To je velmi důležité při svařování oboustranných spojů.

Pevné upevnění dílů

Během celého procesu svařování musí být obrobky pevně a pevně upevněny ve vodičích. Vyndejte až po úplném vychladnutí. Je třeba poznamenat, že tato metoda má jednu nevýhodu – zvýšená rizika vnitřních pnutí.

Tepelné zpracování

Zlepšuje mechanické vlastnosti švu a přilehlých oblastí, vyrovnává strukturu spoje a snižuje vnitřní pnutí. Tepelné zpracování se skládá z různých operací: popouštění, žíhání (plná nebo nízká teplota), normalizace.

Normalizace je považována za nejlepší zpracování svařovaných výrobků a je zvláště vhodná pro výrobky z nízkouhlíkové oceli.

Zajímavé video