Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет

им. Н.Е. Жуковского

«Харьковский авиационный институт» Факультет

самолетостроения

Доклад по дисциплине НИРС на тему:

«Методы борьбы с деформациями и напряжениями

при сварке»

Харьков 2010

Содержание

• Введение
• Деформации при сварки
• Различные методы борьбы с деформациями
• Анализ литературы

Введение

Важным вопросом, слабо освещенным в научной литературе, является вопрос о деформации конструкций с остаточными напряжениями в процессе их эксплуатации.

При первом нагружении конструкции рабочие напряжения, складываясь в некоторых зонах с остаточными напряжениями, достигают предела текучести металла и вызывают пластические деформации. Эти пластические деформации после устранения рабочих напряжений не исчезают и являются необратимыми.

Деформации при первом нагружении происходят так, как при нагрузке конструкции, обладающей несколько меньшей жесткостью В жестких конструкциях остаточные деформации, вызванные первым нагружением, не выходят за допустимые пределы и, как правило, не нарушают условий нормальной работы изделия.

Деформации при сварки

Влияние сварочных деформаций, напряжений и перемещений на служебные характеристики сварных соединений и конструкций весьма многообразно. Укажем лишь на основные примеры отрицательного влияния.

Остаточные напряжения отражаются на точности сварных конструкций при механической обработке и последующей эксплуатации. Определить расчетным путем величину ожидаемой деформации в реальных конструкциях в настоящее время не представляется возможным, если не говорить о простейших конструкциях, которые можно свести к пластине или балке. Известные данные свидетельствуют о том, что при небольшой величине снимаемого слоя металла по отношению к размерам обрабатываемого сечения решающее влияние на деформации оказывает не величина остаточных напряжений, а жесткость конструкции. Чем выше жесткость конструкции, тем менее скажется перераспределение напряжений и изменение момента инерции после механической обработки на ее деформации.

Имеются, однако, и другие примеры, подтверждающие влияние жесткости деталей на их деформации. При обработке тонкостенные деталей с размером в поперечнике около 40 мм и длиной около 600 мм возникали деформации изгиба и скручивания, легко обнаруживаемые на глаз.

Деформации могут возникнуть в процессе вылеживания. Однако это замечание относится почти исключительно к конструкциям из легированных сталей, когда в результате сварки появляется остаточный аустенит, который распадается с течением времени. Практически конструкции из углеродистых сталей самопроизвольно с течением времени не деформируются.

Влияние сварки на прочность сварных соединений при переменном нагружении определяется суммарным действием нескольких факторов: а) наличием остаточных напряжений, б) наличием концентраторов, свойственных сварным соединениям, в) изменением свойств металла под влиянием термомеханического цикла сварки. Остаточные напряжения в зависимости от их знака могут оказывать положительное и отрицательное влияние на прочность. Изменение свойств металла после сварки вследствие пластической деформации и эффекта термической обработки обычно происходит в сторону повышения прочности металла. Однако определяющим фактором для вибрационной прочности является наличие концентраторов напряжений, на фоне которых остаточные напряжения и изменение свойств металла оказываются не столь существенными. Единого мнения о влиянии этих факторов пока нет.

Пластические деформации и остаточные напряжения при наличии концентраторов в условиях пониженных температур могут оказывать резко отрицательное влияние на сопротивление сталей началу хрупкого разрушения. Остаточные напряжения могут понизить жесткость конструкции. Деформации при возрастании растягивающих напряжений происходят так, как если бы зоны с у = уТ вообще отсутствовали в сечении. Очевидно, что жесткость сечения, оцениваемая, например, через EF или EJ, будет в этом случае ниже.

Местная устойчивость тонкостенных элементов конструкции определяется величиной действующих в них напряжений -- сжатия или сдвига. Нередко местная потеря устойчивости наступает от остаточных напряжений еще до приложения рабочих нагрузок. Естественно, что жесткость сварной конструкции, у которой имеются элементы, потерявшие устойчивость, будет ниже. Потеря местной устойчивости может явиться непосредственной причиной потери общей устойчивости.

Очевидно, что замедленные разрушения при отсутствии рабочих нагрузок не могут развиваться без остаточных напряжений первого рода. При данном виде разрушения существенным является уровень остаточных напряжений.

Коррозионная стойкость и прочность металла изменяются при наличии остаточных напряжений определенного уровня и схемы. Например, переход от одноосных напряжений к двухосным снижает стойкость титанового сплава ОТ4 в бромистометаноловой среде.

Необходимость устранения деформаций сварных конструкций в производственных условиях вызывается следующими причинами. Деформации затрудняют сборку отдельных узлов, а в некоторых случаях делают ее даже невозможной. Значительные деформации заставляют увеличивать припуск на механическую обработку. Перемещения бывают настолько значительными, особенно у протяженных деталей, что не удается уложиться в отведенный припуск на механическую обработку. Коробление деталей ухудшает нередко качество последующей сварки деталей, например точечной или роликовой. Ухудшаются эксплуатационные качества изделий. Деформации грибовидности, например, уменьшают момент инерции сечения на несколько процентов. Деформации изгиба протяженных элементов уменьшают их устойчивость.

При значительных деформациях изделие может не отвечать требуемым баллистическим свойствам, иметь повышенное сопротивление при движении в газе или жидкости. Может появиться вибрация отдельных элементов во время движения. В значительном числе случаев деформации приходится устранять только потому, что изделие не удовлетворяет проектным формам и эстетическим требованиям.

Различные методы борьбы с деформациями

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.

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

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.

Порядок наложения швов: а -- обратноступенчатый, б, в -- комбинированный

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.

Мероприятия по уменьшению собственных напряжений при сварке можно разделить на конструктивные и технологические. Грамотный подход к конструированию сварных соединений и правильное расположение швов в сварной конструкции ведет не только к облегчению изготовления конструкции, но способствует также снижению собственной напряженности. К конструктивным мероприятиям относятся:

1. Выбор основного металла и электродов для изготовления проектируемой конструкции. Основной металл не должен иметь склонности к образованию закалочных структур при остывании на воздухе. Электроды должны давать наплавленный металл, пластические свойства которого не ниже пластических свойств основного металла. Это в первую очередь относится к связующим швам, сечение которых под действием внешней нагрузки работает совместно с основным металлом.

2. Для уменьшения плоскостных и объемных напряжений не допускать скопления швов и избегать пересечения их, особенно в конструкциях, которые при эксплуатации будут работать на ударную и переменную нагрузку.

3. Избегать применения сварных швов, образующих небольшие замкнутые контуры, например вставка латок, приварка усилений, так как это увеличивает плоскостную напряженность.

4. Избегать применения косынок, накладок и т. п., так как все это ведет к увеличению плоскостных напряжений. Количество швов должно быть возможно меньше, а сечение их не должно превышать заданных проектом размеров.

5. При расстановке ребер жесткости располагать их необходимо так, чтобы при сварке нагреву подвергались одни и те же места основного металла, так как это уменьшает поперечную усадку стенки, а следовательно, и всей конструкции.

6. Применять преимущественно стыковые швы, которые являются менее жесткими и у которых концентрация силовых напряжений значительно меньше, чем в угловых швах.

7. В стыковых соединениях деталей разной толщины в целях более равномерного нагрева и провара стыкуемых кромок, а также в целях равномерного распределения силового потока следует скашивать кромку листа, имеющего большую толщину.

8. Проектируя сложные сварные конструкции, необходимо предусматривать возможность изготовления их в виде отдельных сварных узлов, которые потом соединяются в целую конструкцию. Это уменьшает влияние связей на усадку швов и снижает плоскостную напряженность.

9. В сварных конструкциях, состоящих из деталей сложной конфигурации, необходимо применять штампованные и литые узлы, которые свариваются с остальными деталями всей конструкции.

10. Расположение швов не должно затруднять механизацию сварочных работ, т. е. применение автоматической сварки под флюсом и других механизированных методов сварки, повышающих качество наплавленного металла и производительность работ.

11. Обязательно предусматривать и проектировать специальные сборочно-сварочные приспособления и кондукторы, обеспечивающие точность сборки и правильную последовательность сварочных работ.

Технологические мероприятия в процессе сварки могут быть самые разнообразные в зависимости от характера соединений и начальных условий. Их можно разделить на мероприятия, проводимые в процессе сварки, и мероприятия, проводимые после сварки. Основными из них являются следующие.

1. Выбор правильного теплового режима сварки в части нагрева основного металла. Как правило, для уменьшения пиков остаточных напряжений и избежание трещин при сварке свободных деталей и, особенно, закаливающихся сталей тепловой режим сварки целесообразно повышать, чтобы увеличить объем разогреваемого металла и уменьшить этим скорость остывания. При сварке больших толщин и закаливающихся сталей целесообразно давать предварительный подогрев. Наоборот, при сварке в стык жестко закрепленных деталей в целях избежание трещин и разрывов следует стремиться к уменьшению поперечной усадки и применять пониженные тепловые режимы. Сварку закрепленных деталей большой толщины следует производить многослойными швами, причем сперва ложить слои попеременно по кромкам разделки, а затем заполнять средину шва. Применять для этого следует электроды, дающие наплавку с повышенными пластичными свойствами.

2. Выбор правильной последовательности наложения швов. Порядок наложения отдельных швов должен быть таким, чтобы свариваемые детали находились в свободном состоянии, особенно это относится к стыковым швам, у которых большая поперечная усадка. Поэтому в первую очередь свариваются стыковые швы, а затем угловые. Так, при сварке двутавровых балок сперва завариваются стыки полок и стенки, а затем поясные швы. При сварке цилиндрических резервуаров или полотнищ судовых секций сперва сваривают стыки каждого пояса, а затем сваривают пояса между собой. Так же при сварке барабанов или цилиндров паровых котлов: сперва сваривают продольные швы обечаек, а затем кольцевые швы между обечайками. Сварку каждого шва в отдельности необходимо выполнять напроход или от середины к краям, но ни в коем случае не варить от краев шва к его средине. Прихватки при сборке или закрепления, создаваемые ранее наложенными швами, должны находиться от места стыка на расстоянии не менее 0,5 м. Нельзя ставить прихватки на пересечении швов.

3. Для уменьшения влияния поперечной усадки уменьшать зазоры в стыковых швах. Сварку производить с глубоким проваром корня шва. Процесс сварки вести быстро, чтобы остывание по толщине и длине шва было более равномерным. В этом отношении большие преимущества имеет автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом.

4. Швы больших сечений целесообразно выполнять в несколько слоев. При многослойной сварке частично производится постепенный отпуск ранее наложенных слоев и уменьшается объем металла, в котором остаточные напряжения растяжения достигают высоких значений. Многослойные швы, особенно при сварке жестких деталей, рекомендуется выполнять с перевязкой слоев. Длина участков должна быть 50--70 мм, чтобы металл одного слоя не остыл до наложения последующего слоя.

5. Для уменьшения влияния жестких связей, создаваемых швами, и удобства автоматизации сварки рекомендуется отдельно сваривать узлы, а потом соединять их в целую конструкцию.

6. Чем выше температура окружающей среды, тем равномернее и медленнее происходит остывание шва, и собственные напряжения снижаются. Сварка на морозе, на сильном ветре, сквозняке часто приводит к трещинам. Место сварки должно быть защищено от атмосферных осадков, холода и сквозняков.

7. Точность сборки гарантирует равномерное сечение швов и уменьшает пики напряжения от поперечной усадки в отдельных участках шва. Необходимо помнить, что высокая точность сборки -- есть важнейшее и необходимое условие повышения качества сварки.

8. Применение кондукторов для сборки к сварки способствует понижению напряжений. В кондукторах с зажимами, позволяющими взаимное перемещение деталей при усадке швов, напряжения понижаются. В кондукторах с жесткими закреплениями тоже наблюдается некоторое снижение напряжений. Хотя в процессе наложения швов из-за жестких связей остаточные напряжения будут большие, но после снятия с кондуктора остаточные напряжения снижаются. Действие жестких кондукторов подобно предварительному растяжению, которое, как известно, ведет к снижению остаточных напряжений. Если при сборке конструкции ставились прихватки, то в процессе сварки они должны быть хорошо проварены.

9. Предварительный подогрев изделия и поддержание его в процессе сварки снижает собственные напряжения. Предварительный подогрев создает более равномерное распределение тепла по сечению изделия при остывании шва. Подогретый перед сваркой металл остывает одновременно с остыванием шва, и усадка шва не встречает препятствий со стороны прилегающих зон основного металла. Даже подогрев до 150-- 200°С часто обеспечивает сварку больших толщин углеродистых и легированных сталей без появления трещин. Лучше предварительный подогрев производить до более высоких температур. Подогрев рекомендуется применять при сварке сталей с содержанием углерода более 0,3%. Подогрев является целесообразным и при сварке больших толщин из низкоуглеродистой стали.

10. С целью уменьшения собственных напряжений в некоторых случаях целесообразно производить местный подогрев соседних областей около шва. Так, при выполнении универсального стыка двутавровой балки сперва заваривают стыки полок, затем подогревают их и заваривают стык стенки. Напряжения в стыковом шве стенки будут понижены вследствие свободной усадки благодаря укорочению стыков полок при выравнивании температуры. Точно также при заварке трещины щели полезно предварительно нагреть области А и В. Перед заваркой трещины концы ее необходимо закруглить (засверлить).

11. Глубокий провар корня поясных швов таврового соединения способствует уменьшению поперечных напряжений вследствие более свободного перемещения полки в направлении вертикальной оси стенки. Ввиду этого при автосварке под флюсом, дающей глубокий провар, поперечные напряжения в поясных швах меньше, чем при ручной сварке.

Перечисленные мероприятия способствуют уменьшению собственных напряжений при сварке, гарантируют допустимое их значение для предотвращения трещин в процессе сварки и для повышения эксплуатационной надежности конструкции. В ответственных сварных конструкциях, работающих в тяжелых условиях, для повышения их работоспособности производят после сварки снятие собственных напряжений. Это важно для конструкций, изготовляемых из легированных сталей или из сталей с повышенным содержанием углерода. Для снятия или уменьшения остаточных напряжений после сварки применяют следующие способы:

1. Общий высокий отпуск сварного изделия в термической печи. Сварное изделие помещают в печь, нагревают вместе с печью до 600 -- 700°С и выдерживают в печи около 3 мин на 1 мм толщины металла. При указанной температуре малоуглеродистая сталь переходит в пластическое состояние, и напряжения исчезают. Затем печь выключают, и сварное изделие, свободное от собственных напряжений, равномерно остывает вместе с печью.

2. Местный отпуск путем нагрева до 600°С околошовной зоны индукционным методом или газопламенной горелкой. Местный отпуск полностью не устраняет остаточных напряжений, но все же значительно снижает их.

3. Механический способ снятия собственных напряжений путем растяжения конструкции до напряжений предела текучести, равномерно распределенных по ее поперечному сечению. После разгрузки сварная конструкция в значительной мере освобождается от остаточных напряжений, вызванных сваркой. Механический способ вызывает наклеп, понижает пластические свойства сварных швов и может понизить дальнейшую работоспособность сварной конструкции. Применять такой способ для снятия собственных напряжений не рекомендуется. К тому же этот способ очень громоздкий.

Как видим, наиболее радикальным мероприятием по устранению собственных напряжений является общий отпуск в термических печах. Однако это мероприятие для громоздких конструкций практически невыполнимо. Поэтому, естественно, возникает вопрос: является ли обязательным освобождение сварной конструкции от собственных напряжений для повышения ее эксплуатационной работоспособности? Несомненно, что отпуск сварных конструкций, в которых имеются закалочные зоны или образовались очаги хрупкого состояния в сварных швах, весьма полезен и даже необходим. Что касается сварных конструкций из сталей, у которых содержание углерода до 0,25% и швы обладают достаточной вязкостью, то вопрос о том, что общий отпуск значительно повышает работоспособность сварного изделия является дискуссионным.

Испытания показывают, что ударная вязкость и вибрационная выносливость сварных соединений, у которых собственные напряжения были сняты термическим отпуском, мало превышает ударную вязкость и вибрационную выносливость сварных соединений, которые не подвергались отпуску. В сварных швах, находящихся в хрупком состоянии, собственные напряжения оказывают отрицательное влияние даже на статическую прочность сварных конструкций.

деформация металл сварка

Анализ литературы

1. Теория сварочных деформаций и напряжений / В.А. Винокуров, А.Г. Григорьянц. - М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

В книге изложены современные представления об образовании деформаций, напряжений и перемещений, вызываемых сваркой. Приведены расчетные и экспериментальные методы определения и результаты исследований. Рассмотрен ряд методов уменьшения и устранения сварочных напряжений и деформаций. Нашедших применение в производстве.

2. Мавлютов Р.Р. Концентрация напряжений в элементах авиационных конструкций. М.: Наука, 1981. 141 с.

В книге излагаются вопросы расчета и экспериментального исследования концентрации напряжений в типичных элементах авиационных конструкций. В отличие от известных работ основное внимание в ней уделяется вопросам исследования концентрации напряжений в деталях, работающих в условиях упругости, пластичности и ползучести при сложном нагружении. Приводятся алгоритмы и комплексы программ расчета концентрации напряжений с помощью ЭВМ.

3. Талыпов Г.Б. Сварочные деформации и напряжения. Л. «Машиностроение», 1973. 280 с.

В книге дается физико-механическое обоснование приближенной теории сварочных деформаций (напряжений), ее применение к конкретным задачам, а также анализ имеющихся опытных и производственных данных по исследованию влияния сварочных напряжений на прочность конструкций. Теория дает возможность приближенного определения сварочных деформаций и напряжений после сварки и остывания в изделия из металлов, температуры объемных превращений которых выше тех, при которых они теряют способность сопротивляться пластическим деформациям. Анализ опытных данных показывает, что сварочные напряжения могут привести к существенному снижению прочности конструкции. Даются рекомендации, направленные на уменьшение влияния этих напряжений на прочность.

4. Гатовский К.М., Кархин В.А.. Теория сварочных напряжений и деформаций /. -Л., 1980. 332 с

Размещено на Allbest.ru