Напряжения и деформации при сварке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Напряжения и деформации при сварке

Деформацией называется изменение формы и размера твердого тела под действием силы.

Напряжение называется сила, приложенная к единице площади поперечного сечения детали или к единице площади ее поверхности.

При сварке металлической конструкции в ней возникают внутренние напряжения и деформации. Различают напряжения и деформации временные и остаточные. Временные напряжения и деформации возникают в конструкциях в момент сварки при изменении температуры. Остаточные напряжения и деформации остаются в сварной конструкции после окончания сварки и полного её остывания. К остаточным деформациям относятся, как правило, необратимые пластические деформации, возникающие в локальных участках напряжённой конструкции, когда величина напряжений в них превышает предел текучести материала конструкции. При этом крайне нежелательными являются растягивающие остаточные напряжения.

а - прогиб; б - угол поворота; в - укорочение; г - выход из плоскости равновесия; д - грибовидность полок.

Рисунок 1 - Виды перемещений при деформации сварных конструкций

деформация напряжение сварка виброобработка

Причины возникновения напряжений и деформаций при сварке:

1) Неравномерное нагревание металла. Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Процессы сварки плавлением характеризуются местным нагревом металла и последующим охлаждением с образованием неравномерного температурного поля в сварном соединении. Следовательно, в свариваемой детали возникают сжимающие и (или) растягивающие термические внутренние напряжения. Их величина зависит от физических свойств металла, размеров нагретой зоны и градиента температуры. При сварке конструкции возможность её свободного перемещения в процессе нагрева и охлаждения ограничена, что увеличивает уровень термических напряжений, величина которых может значительно превышать уровень напряжений, возникающих при нагревании свободно изменяющей размеры конструкции. При этом в процессе расширения нагревающейся жёстко закреплённой конструкции возникают сжимающие внутренние напряжения, при последующем охлаждении в процессе укорочения её возникают растягивающие напряжения. Если величина внутренних напряжений превысит предел текучести металла _т, в конструкции произойдет изменение формы, то есть появятся остаточные деформации. Аналогичным образом возникают внутренние напряжения и деформации при наплавке, например, валика на кромку металлической пластины (рис. 2, а). Наплавленный валик и нагретая часть пластины будут расширяться и растягивать холодную часть, вызывая в ней деформацию растяжения с изгибом. Сам же валик и нагретая часть пластины будут сжаты, поскольку их тепловому расширению препятствует ее холодная часть. Характер распределения напряжений показан на (рис. 2, б)

Рисунок 2 - Напряжения и деформации при наплавке валика на кромку полосы

В результате такого распределения напряжений пластина прогнется выпуклостью вверх. В процессе остывания наплавленный валик и нагретая часть полосы, претерпев пластическую деформацию, будут укорачиваться. Этому укорочению вновь будут препятствовать слои холодной части металла пластины. Теперь уже наплавленный металл и нагревшаяся часть пластины будут стягивать участки холодного металла. Они сожмутся, и пластина прогнется выпуклостью вниз (рис. 2, в), а остаточные напряжения в ней распределятся, как показано на (рис. 2, г).

2) Литейная усадка наплавленного металла. При охлаждении и затвердевании жидкого металла сварочной ванны происходит его усадка, вследствие чего в основном металле, противодействующем этой усадке, возникают продольные и поперечные внутренние напряжения, вызывающие соответствующие деформации сварного соединения (рис. 3). За счет продольной усадки возникает деформация соединения в продольном направлении относительно оси шва (рис. 1, а и в), а поперечная, как правило, вызывает угловые деформации (рис. 1, б).

Рисунок 3 - продольное напряжение(1) и поперечное напряжение(2)

3) Напряжения от структурных превращений в металле. При сварке изделий из углеродистых и легированных сталей напряжения возникают при нагреве до критических температур, при которых происходят фазовые превращения с изменением типа кристаллической решётки и образованием фазы, обладающей большим удельным объёмом и другим коэффициентом линейного расширения. Наибольшие напряжения могут возникнуть при сварке легированных сталей, склонных к закалке. В этих сталях при ускоренном охлаждении превращение структур нагрева идёт не с образованием исходной до нагрева структуры, а с формированием так называемых закалочных структур, обладающих большим удельным объёмом, более высокой твёрдостью, хрупкостью и пониженной пластичностью. Такие превращения сопровождаются возникновением структурных напряжений, которые в непластичных сплавах могут привести к образованию трещин. Поэтому сварочные напряжения в закаливающихся сталях более опасны. Для сварки таких материалов необходимо разрабатывать более сложный технологический процесс, регулируя условия предварительного нагрева и охлаждения после сварки.

Способы уменьшения напряжений и деформаций при сварке.

· Правильно выбирать конструкцию сварного изделия

· Рационально располагать сварные швы на изделии

· Применять соответствующие методы сборки и сварки изделий

· Правильно выбирать тепловой режим сварки

· В правильной последовательности выполнять сварные швы

· Использовать предварительный и сопутствующий подогрев при сварке

· Подвергать механической или термической правке изделия

· Подвергать термической обработке изделия после сварки

Способы устранений сварочных напряжений.

Термическая обработка

1) Полный отжиг. Выполняется путем нагревания стального изделия до температуры 820 - 930єС, выдерживая при этом и последующим охлаждением. Полный отжиг обеспечивает:

а) получение мелкозернистое строение металла шва, что повышает пластичность наплавленного металла и металла переходной зоны. При этом благодаря улучшению сцеплению зерен между собой повышается вязкость металла;

б) понижение твердости металла шва, что облегчает последующую обработку резанием и давлением;

в) уничтожение внутренних напряжений в сварном изделии;

2) Нормализация. Отличается от полного отжига большей скоростью охлаждения. Повышенная скорость охлаждения в первые моменты после нагрева позволяет получать мелкозернистое строение металла. С этой целью сварное изделие после нагрева до температуры на 20 - 30єС выше критической и выдержки, вынимают из печи и охлаждают на воздухе.

3) Отжиг для снятия напряжений. Операция довольно сложная. При полном отжиге и нормализации внутреннее напряжение уничтожается, так как, для этого достаточно нагреть изделие до температуры 600 - 650єС, и последующее охлаждение с печью.

4) Отпуск. Изделие нагревается до более низкой температуры. Сварочные напряжения частично остаются в изделии, хотя их пик значительно снижается. При нагреве стального изделия 400 - 500єС снимается 50% напряжения, 200 - 300єС - 10-20% напряжения.

Механическая обработка.

Для снятия остаточных напряжений после сварки используют проковку, прокатку, вибрацию, обработку взрывом и другие способы, основанные на создании пластической деформации противоположного знака, приводящей к снижению или полному устранению растягивающих остаточных напряжений в сварной конструкции. Поверхностную пластическую деформацию выполняют на коротких участках шва и околошовной зоны (150-200 мм) сразу же после сварки или после подогрева его до 150-200°С. При этом в интервале 400-200°С металл обладает пониженной пластичностью, и во избежание надрывов обработку пластическим деформированием не производят. Проковку производят пневматическим молотком с закругленным бойком и массой 0,6-1,2 кг.

При многослойной сварке после выполнения корневого шва проковывают все последующие слои. Виброобработке подвергают металлоконструкции из углеродистых сталей, чугунов, алюминиевых и титановых сплавов. Сущность метода заключается в том, что используя вибровозбудитель, определяют резонансные частоты системы «сварная конструкция - вибровозбудитель». Затем производят виброобработку на выбранных резонансных частотах (в диапазоне 10-120 Гц). Длительность обработки, необходимая для снятия напряжений, составляет несколько минут.

Размещено на Allbest.ru