Урок Деформаціі та Напруги

Напруги та деформації при зварюванні, причини їх виникнення.

Однією із властивостей металів є здатність змінювати розміри при змінах температури.

Залежно від тривалості існування напруги й деформації бувають:

– тимчасові (існують у конструкції в певний момент часу і зникають після охолодження виробу);

– залишкові (залишаються у конструкції після зникнення причини, яка їх викликала).

Залежно від розмірів ділянки розрізняють три види напруг:

1. Напруги першого виду, які діють у крупних об'ємах виробу;

2. Напруги другого виду, які існують у межах зерен металу;

3. Напруги третього виду, які існують у межах кристалічної решітки металу.

За напрямком дії розрізняють такі напруги та деформації:

– поздовжні (вздовж осі шва);

– поперечні (перпендикулярно осі шва).

За видом напруженого стану зварювання напруги бувають:

– лінійні (діють тільки по одній осі в одному напрямку);

– площинні (діють у двох напрямках);

– об'ємні (діють у трьох напрямках).

Напруги бувають розтягуючі й стискаючі.  Зварювальні напруги можуть бути реактивні та залишкові. Реактивні напруги виникають при зварюванні виробів, які знаходяться в жорстко закріпленому стані. Залишкові напруги виникають у виробі завдяки місцевим пластичним деформаціям і залишаються після зварювання.

Деформації, які змінюють розміри всього виробу, називають загальними, а які відносяться до його окремих елементів — місцевими.

Деформації можуть бути пружними й пластичними.

 Пружна деформація Якщо зварювальний виріб після процесу зварювання відновлює початкові розміри й форму,

 Ппластична деформація якщо не відновлює,.

. Якщо напруги перевищують границю міцності, то виникають тріщини.

Причини виникнення напруг і деформацій:

– нерівномірне нагрівання металу.

При наявності жорстких зв'язків між нагрітими і холодними частинами металу утворюють ся стискаючі й розтягуючі напруги;

– ливарна усадка розплавленого металу — це зменшення об'єму металу при його охолодженні. В результаті жорсткого зв'язку з основним металом виникають внутрішні напруги в зварному з'єднанні. Вони бувають поздовжні й поперечні;

– структурні перетворення в металі виникають при зварюванні легованих і високовуглецевих сталей.

Для зменшення внутрішніх напруг застосовують:

– попередній та супровідний підігрів — для сталей, схильних до гартування й утворення тріщин. Підігрівання зменшує пластичні деформації, залишкові напруги та сприятливо впливає на структуру металу шва й біляшовної зони;

– проковування швів — виконують по гарячому або по холодному металу. При цьому проходить розтискання металу в різні сторони, що знижує розтягуючі напруги. Шви на металі, схильному до гартування, не проковують;

– зворотноступінчастий порядок накладання швів (див. рис. 7.14 в) забезпечує більш рівномірне нагрівання металу, при цьому величина деформацій зменшується;

– урівноваження деформацій — почерговість накладання швів вибирають так, щоб кожен наступний викликав деформацію, зворотну до деформації, одержаної після попереднього шва (рис. 8.1 і 8.2);

– зворотні деформації — деталі розташовують під деяким кутом одну до одної. У процесі зварювання кромки наближаються, а деформації зменшуються (рис. 8.3);

– жорстке кріплення деталей — використовують спеціальні пристосування (кондуктори), в яких зварюють деталі, а виймають їх тільки після охолодження. При цьому можливе виникнення внутрішніх напруг;

– термічна обробка — відпал, нормалізація й відпуск — знижують внутрішні напруги, вирівнюють структуру шва та біляшовної зони.

Деформації, викликані зварюванням, є однією із головних причин, які призводять до відхилення дійсних розмірів металевих конструкцій від проектних. Для зменшення деформацій застосовують різні методи регулювання теплового стану металу зварного з'єднання, активне навантаження деталей при зварюванні й компенсацію деформацій. Тепловий стан металу зварного з'єднання регулюють такими способами:

– використовують зварювання таких видів, які потребують менше тепловкладення (механізоване дугове зварювання замість ручного дугового, зварювання тертям замість дугового тощо);

– зменшують об'єм наплавленого металу і переріз зварних швів;

– використовують попередній та супровідний підігрів для зменшення різниці температур між окремими частинами зварюваного виробу;

– регулюють теплові процеси за рахунок охолодження зони зварювання водою, повітрям, тепловідвідними підкладками й пастами.

Способами активного навантаження зварюваних елементів є розтяг деталей в процесі зварювання, вібраційна обробка під час зварювання та проковування швів.

Найефективнішим засобом попередження деформацій є їх компенсація. Для цього використовують такі заходи:

– довгі шви механізованим способом зварюють «на прохід», а ручним дуговим зварюванням — зворотноступінчастим способом;

– при зварюванні багатопрохідних швів кожний наступний шар виконують у протилежному напрямку;

– при зварюванні листових конструкцій в першу чергу зварюють поперечні шви, які з'єднують листи в довгі смуги, а потім їх зварюють між собою;

– при зварюванні двотаврових балок спочатку виконують
стикові з'єднання стінок і тільки після цього зварюють поясні шви;

– при зварюванні виробів із симетричним розташуванням багатошарових швів, зварюють за методом урівноваження деформацій;

– деформації повинні бути рівні за величиною та зворотні за зварювальним напрямком;

– необхідно передбачати раціональну послідовність виконання складально-зварювальних операцій.

Якщо при зварюванні не вдається уникнути виникнення деформацій, то виріб випрямляють холодним (механічним впливом), тепловим безударним і комбінованим способами (нагрівання з механічною дією).

Холодне випрямлення виконують під пресом або вантажем, прокатуванням роликами, у вальцях тощо. Цей спосіб використовують для видовження волокон зони зварних з'єднань.

Теплове безударне випрямлення виконують нагріванням смуг, плям і трикутників без розплавлення поверхні (газовими пальниками, струмами високої частоти, електричною дугою). Тепловий спосіб використовують для скорочення волокон основного металу з метою компенсації скорочення зварних з'єднань.

 Сумарна величина залишкових пластичних деформацій при вирівнюванні залежить від температури нагрівання, потужності джерела нагрівання, розташування місця нагрівання, залишкових напруг, жорсткості конструкції, кріплення виробу та ін.

Комбінований спосіб передбачає нагрівання виробу з використанням механічного впливу із застосуванням скоб, прихватів, стяжок, домкратів або ударів кувалди (молотка). Цей спосіб використовують для скорочення волокон основного металу, щоб компенсувати скорочення зварних з'єднань.