А.П. Летуновский, Г.В. Новиков, компания «МАГНИТ плюс»
В последние годы огромное внимание во всем мире уделяется послесварочным методам обработки сварных соединений. Практика изготовления сварных конструкций из различных марок сталей и сплавов показывает, что получаемые сварные соединения часто имеют иные прочностные характеристики, чем основной металл. Вызвано это в первую очередь остаточными сварочными, механическими напряжениями, которые приводят к появлению различного рода дефектов, таких как, образование трещин, стресс-коррозионных растрескиваний, появление питингов, ускоренное протекание коррозионных процессов и других. На сегодня известно несколько методов снятия механических напряжений, это термообработка, методы пластической деформации, низкочастотная виброобработка, ультразвуковая ударная обработка и другие.
Такие виды обработки как термическая обработка, обкатка сварных соединений роликами, проковка сварных швов и др. усложняют технологию изготовления металлоконструкций и, кроме того, не всегда являются допустимыми, особенно в конструкциях, выполненных из термически обработанных металлов или металлов, склонных к образованию хрупких структур. Помимо этого, указанные виды обработки не всегда устраняют недостатки сварочного соединения, а иногда и вносят дополнительно концентраторы механических напряжений.
При использовании метода комплексной термообработки требуется наличие печи, которая требует больших энергетических и финансовых ресурсов, так же предполагаются затраты на транспорт и погрузочно-разгрузочные работы, аренду или выделение территории для окончательного остывания обработанных изделий, что так же является финансовой стороной вопроса, и последнее процесс достаточно емкий по времени.
Ультразвуковая ударная обработка
Ультразвуковая ударная обработка относится к методу пластической деформации, но процесс проходит на ультразвуковой частоте. Установлено, что импульсные и циклические напряжения, инициируемые ультразвуковой ударной обработкой, а также сжимающие напряжения в приповерхностных слоях пластически деформированного металла обуславливают снижение уровня остаточных сварочных напряжений на 25–50% а иногда и выше, повышение предела усталости металла в 1,5–3 раза в зависимости от различных марок сталей.
Как известно в сварном шве металлоконструкций в процессе сварки образуются высокие растягивающие напряжения. В результате ультразвуковой ударной обработки в поверхностном слое образца создаются сжимающие напряжения (глубина наклепа) на глубине до 2 мм, а релаксации происходят гораздо глубже.
Результаты исследований свидетельствуют о достаточно высокой эффективности ультразвуковой ударной обработки. Повышение сопротивления усталости сварных соединений обусловливается влиянием двух основных факторов: снижением растягивающих остаточных сварочных напряжений и поверхностным пластическим деформированием металла на ультразвуковой частоте, приводящим к образованию благоприятных напряжений сжатия в зонах концентраторов.
Исследования коррозионных свойств сварных соединений в морской среде показали, что после ультразвуковой ударной обработки сопротивляемость соединения коррозии возрастает в несколько раз.
В Америке проводились циклические испытания мостовых конструкций, и по утверждению ученых ультразвуковая ударная обработка повышает срок службы сварных мостовых конструкций на 50 лет. В 2009 ООО «МАГНИТ плюс» совместно с ООО «ВНИИ ГАЗ» и РГУ НГ им. И.М. Губкина проводили работы на производственной базе ООО «Газпромтрансгаз Санкт-Петербург» по отработки технологии ремонта газопроводов с дефектами КРН с применением аргонодугового переплава с последующей ультразвуковой ударной обработкой, работы проводились с поэтапным контролем механических напряжений, определением состояния дефектного участка, замерами напряженного состояния после сварочных работ и после ультразвуковой ударной обработки.
Из результатов проведенной работы установлено, что ультразвуковая ударная обработка, также как и термообработка, создает в обработанной (околошовной) зоне сжимающие напряжения, где до обработки в процессе сварки образовались растягивающие напряжения, что является положительным фактором с позиции эксплуатационной надежности сварной конструкции. При этом ультразвуковая ударная обработка оказывает более эффективное воздействие на перераспределение остаточных сварочных напряжений, по сравнению с термообработкой.
Метод низкочастотной виброобработки предназначен для снятия остаточных механических напряжений в металло-конструкциях больших габаритов с высокими требованиями прочностных характеристик. При использовании метода происходит определение собственной частоты металлоконструкции, после чего конструкция подвергается вибрационной обработке на этой частоте в течение 15–20 минут, в результате чего происходит перераспределение механических напряжений. Метод низкочастотной виброобработки позволяет обрабатывать не только малогабаритные конструкции, но и массой свыше 100 тонн, где не всегда возможно применение термообработки.
Использование метода вибрационной обработки изделий снимает ряд вопросов, возникающих при выборе между термообработкой и виброобработкой. Отпадает необходимость печи, нет необходимости в транспорте и в поиске территории временного хранения, время обработки снижается до минимума, там, где ранее обрабатывали одно изделие, при этом методе может быть обработано значительно больше изделий. При серийном выпуске изделий, обработка может проводиться на вибростенде, и будет вестись автоматически по таймеру. Совокупность экономий на каждом этапе дает ощутимый экономический эффект в целом. Если по сравниваемым методам рассмотреть экономический эффект, а так же их влияние на окружающую среду, условия труда рабочих и прочие факторы, экономически привлекательными можно назвать методы виброобработки деталей и ультразвуковой ударной обработки сварных соединений.
ООО «МАГНИТ плюс» продолжает исследования в области упрочнения сварных соединений и снятия остаточных сварочных напряжений, а так же других вспомогательных технологий, таких как снятие фаски под сварку, размагничивание, изготовление различной магнитной оснастки и др.
Как избежать деформаций при сварке? Способы устранения сварочных деформаций
Главная>>Качество и контроль сварки>>Деформации и напряжения при сварке Статья «Как избежать деформаций при сварке? Способы устранения сварочных деформаций» является заключительным продолжением для статей «Деформации и напряжения при сварке. Причины сварочных деформаций и напряжений» и «Виды деформаций и напряжений при сварке».
Для уменьшения внутренних деформаций и напряжений применяют ряд технологических приёмов по технике и очерёдности выполнения швов и их расположению, по выбору правильной конструкции изделия, по выбору режимов ручной дуговой сварки (или другого способа сварки).
Остаточные напряжения
В металле напряжения возникают во время сварки и по завершению процесса. В последнем случае они формируются по мере охлаждения детали и называются остаточными. Такие напряжения практически во всех конструкционных материалах присутствуют в течение всего эксплуатационного периода. Они представляют наибольшую опасность для изделий, так как являются причиной изменения габаритов и формы деталей. Поэтому так важно снять напряжение в металле после сварки. Это позволит исключить вероятность изменения внешнего вида изделия и уменьшить степень снижения его эксплуатационных характеристик. Если же остаточные напряжения в материале слишком большие, то существует вероятность, что деталь невозможно будет использовать.
Формоизменение изделий, изготовленных с помощью сварки, происходит из-за перемещения соединенных элементов, так как в каждой точке металла появляются деформации. Существуют несколько видов изменения формы:
Меры по предотвращению сварочных деформаций
Одним из способов устранения сварочных деформаций является сварка в кондукторах — специальных приспособлениях, позволяющих жёстко закрепить изделие. Кроме этого, часто применяют предварительную деформацию свариваемых деталей. Направление предварительной деформации должно быть противоположно ожидаемой деформации при сварке. Такая мера называется ещё методом предварительного изгиба.
Такой метод используют для предотвращения угловых деформаций при сварке угловых швов и при сварке нахлёсточных соединений. При сварке листового металла малой ширины, их выгибают в сторону, обратную от предполагаемой деформации.
В случае сварки листов большой ширины, их сварные кромки предварительно изгибают. Для предотвращения деформаций при сварке тавровых и двутавровых соединений, их закрепляют в приспособления, которые изгибают детали в сторону, обратную предполагаемой деформации.
Термообработка
Одним из вариантов снятия напряжения является высокотемпературный отпуск. Техническое мероприятие применяется во время сочленения углеродистых сплавов. Оно осуществляется за счет нагрева до 630-650 °C. После выдержки температуры, длящейся 2-3 минуты на 1 мм толщины стали, деталь охлаждается.
Снижение температуры изделия проводят медленно. Это позволяет избежать повторного образования напряжения. Скоростной параметр зависит от состава металла. Он уменьшается с увеличением в сплаве элементов, влияющих на его закалку.
Термообработка после сварки для устранения напряжений и деформаций
Отпуск после сварки для снятия напряжений
При сварке углеродистых конструкционных сталей выполняют общий высокотемпературный отпуск. Для этого сварное изделие нагревают до температуры 630-650°C, выдерживают при этой температуре и охлаждают. Время выдержки определяется из расчёта 2-3мин на миллиметр толщины металла.
Охлаждение сварного соединения должно происходить медленно, чтобы при остывании вновь не возникли внутренние напряжения. Скорость охлаждения стали определяется, в зависимости от её химического состава. Чем больше в составе стали присутствует элементов, способствующих закалке, тем меньше скорость охлаждения при отпуске после сварки. Часто сварное соединение охлаждают вместе с печью до температуры 300°C, а затем на обычном воздухе.
Отжиг для устранения внутренних напряжений
Отжиг для устранения напряжений и деформаций при сварке выполняется полный или низкотемпературный. При полном отжиге сварное изделие нагревают до температуры 800-950°C, выдерживают и охлаждают вместе с печью. После такого отпуска вязкость и пластичность сварного шва увеличивается, а твёрдость уменьшается.
При низкотемпературном отпуске сварное соединение нагревают до температуры 600-650°C и охлаждают вместе с печью. При таком отпуске, нагрев металла происходит до температур, ниже критических, поэтому, преобразований в кристаллической структуре металла не происходит.
Аргонодуговой прием
Смысл аргонодуговой обработки состоит в расплавление участка, находящегося между сварным швом и основным металлом. Процесс выполняется неплавящимся электродным стержнем в аргоновой среде. Такое воздействие позволяет избавиться от напряжений в переходной зоне. Однако в дальнейшем происходит кристаллизация, в результате которой они снова появляются. Величина вновь появившихся напряжений существенно меньше начальных значений. Разница достигает 70%.
Совет! Используя такой прием можно не только уменьшить напряжение, но и получить плавный переход на участке, расположенным между швом и металлом конструкции. Благодаря этому у металлоконструкции повышается прочностная характеристика.
Жаропрочные металлы
Этот тип сплавов отличает высокое (до 65%) содержание легирующих добавок, которые придают материалу устойчивость к высоким температурам.
Сложность сварки жаропрочных сталей таким образом, помимо обеспечения прочности шва, заключается в сохранении вышеупомянутых качеств.
Наиболее распространенная технология: сварка неплавким вольфрамовым электродом в среде инертных газов, гелия или аргона.
Аустенитные и нержавеющие сплавы сваривают также под флюсом. С целью сохранения мелкокристаллической структуры таких материалов, используют модификацию шва.
Для этого, применяют присадки с высоким содержанием легирующих компонентов (хром, молибден).
При использовании инверторных приборов используют соответствующие электроды либо проволоку.
Изделия из жаростойких металлов, обычно закаленные. Но поскольку околошовное пространство остывает медленно, каленый металл отпускается, теряя твердость. Чтобы этого не произошло после сварки теплоустойчивых сталей выполняют их закалку. Нагревая до 1000-1100 градусов и резко охлаждая.
Термическая правка
Этот метод подразумевает под собой нагрев сочленения при использовании газового пламени. Может также применяться электродуга, образующаяся от неплавящегося электродного стержня. Нагрев материала осуществляется до 750-850 °C. Затем происходит быстрое расширение сплава. Однако рядом расположенные слои не дают металлу расширяться. Из-за этого возникает пластическая деформация нагретой зоны. Когда происходит охлаждение, предварительно нагретый участок начинает сжиматься. В итоге деформация полностью или частично устраняется.
Зная, как снять напряжение металла после сварки, удастся уменьшить вероятность снижения прочности сварных конструкций. Это особенно важно в условиях, которые способствуют появлению хрупкого разрушения шва. Используя вышеописанные методы, удается избежать дефектов при эксплуатации сварной металлоконструкции.
Техника сварки, позволяющая избежать сварочных деформаций
Существуют разные варианты техники сварки, позволяющие уменьшить сварочные напряжения и поводки. При выполнении сварочных швов большой длины, используют обратноступенчатый способ сварки на проход (схема а) на рисунке слева). При выполнении многослойной сварки, наплавляются каскадные сварные швы, или горкой. Каждый из этих слоёв (кроме первого и последнего) проковывают.
Кроме этого, сварные швы выполняются таким образом, чтобы каждый последующий шов вызывал напряжения, противоположные напряжениям от предыдущего шва (схемы б) и в) на рисунке слева).
Последовательность сварки не должна препятствовать возможной свободной деформации сварной металлоконструкции. Например, при сварке листового настила из металлических полос, необходимо, в первую очередь, сваривать листы в каждом слое настила, а затем сваривать слои между собой (см. рисунок справа).
При сварке вязких материалов, применяют способы сварки, позволяющие снизить остаточные напряжения. К таким способам относятся закрепление свариваемой детали в специальных приспособлениях. В таких приспособлениях свариваемые детали собирают, сваривают и остужают.
Кроме этого, применяют различные приёмы, позволяющие быстро отводить тепло от сварного изделия, например, при охлаждении под струёй воды, или отвод теплоты с помощью медных подкладок.
Если свариваемый металл склонен к формированию закалочных структур, то резкое охлаждение сварного шва и зоны термического влияния приводит к возникновению внутренних напряжений и образованию холодных трещин в металле.
Для того, чтобы уменьшить перепад температур в металле, пред сваркой выполняют предварительный подогрев. Если сварочные работы ведутся при низких температурах, то подогрев обязателен даже если выполняется сварка низкоуглеродистых сталей.
Пережог
Это самый неисправимый брак. При нагреве металла или сплава обязательно нужно следить за температурой, временем и конца нагрева. Окалина растёт, если увеличено время нагрева, а при быстром или интенсивном нагреве могут появиться трещины. Пережог сплава происходит вследствие диффузии кислорода на границах зёрен, где сразу образуются окислы, которые разъединяют зёрна при высокой температуре сплава и при этом сразу резко падает прочность. А пластичность в это время приходит к нулю. Этот брак сразу отправляется на переплавку.
Подготовка к проведению работ
Перед тем как сваривать нержавеющие элементы, их следует правильно подготовить к проведению работ. Основные моменты здесь заключаются в следующем:
Как осуществляется сварка нержавейки
Перед выполнением сварки нержавеющей стали необходимо ее подготовить. Очень важно уделить внимание кромкам свариваемых деталей – они должны быть зачищены до стального блеска. Также следует обезжирить поверхность с помощью растворителя, авиабензина или ацетона.
Для сваривания нержавейки можно применить одну из следующих технологий:
Ручная MMA-сварка, как правило, используют при отсутствии высоких требований к качеству шва. Основная сложность данной технологии заключается в правильном выборе электрода, который нужно подбирать в соответствии с маркой металла. Обычно для таких целей применяют электроды с основным покрытием, изготовленным из карбонатов магния и кальция, или рутиловым покрытием, созданным на основе двуокиси титана. Если в первом случае сваривание осуществляется исключительно обратнополярным постоянным током, то во втором допускается применение тока с переменной характеристикой.
Таблица для подбора электродов
TIG-сварка эффективна для сваривания тонких листов нержавейки. Чтобы добиться высокого качества шва, следует использовать присадочную проволоку с более высоким уровнем легирования, чем у основного металла. В качестве защитной среды зачастую применяется 100% аргон, однако в некоторых случаях для повышения стабильности дуги и увеличения скорости процесса аргон могут разбавлять гелием.
TIG сварка изделий из нержавейки
TIG сварка выхлопных систем
Аргонодуговая сварка TIG с вольфрамовым электродом
Полуавтоматическая технология MIG/MAG является наиболее универсальной для сварки нержавеющей стали, так как позволяет работать с разными толщинами: для тонких листов подходит метод короткой дуги, для толстых – струйного переноса. С целью защиты шва обычно используют смесь аргона (98%) с диоксидом углерода (2%). Не рекомендуется увеличивать концентрацию углекислоты и, тем более, применять ее в чистом виде, поскольку это приводит к появлению металлических брызг и нарушению структуры шва. Подробнее о сравнении углекислого газа и сварочных смесей читайте в нашей статье.
Особенности работы с нержавеющей сталью
Приступая к сварочному процессу, необходимо учитывать несколько важных моментов, характерных для нержавейки:
Сваривание изделий из нержавейки это распространенная задача на производстве. Как показывает практика, попытки сэкономить на качестве защитных газов приводят к уменьшению надежности и долговечности сварного соединения. Качество имеет первостепенное значение для всего результата работы. Например, здесь можно ознакомиться с защитными газовыми смесями, которые применяются для различных видов металлов, и их типовыми характеристиками.
Последствия напряжения сварного шва
Последствия напряжения различают и по характеру деформации — упругая поверхностная может быть устранена или постепенно сойдет сама в процессе остывания. Пластическая деформация шва необратима, устранить ее без переваривания практически невозможно, при этом изменяется структура металла и его прочностные свойства.
Равномерность распределения
При оценке деформации используется коэффициент неравномерности, который позволяет учесть направление сил напряжения и заранее принять профилактические меры. Например, неравномерность будет выраженной, если часть заготовки контактирует с массивными холодными тисками, фиксируется ими, а при остывании именно в этой зоне формируется зона наибольшего напряжения. Имеет значение и разница в габаритах деталей — больший размер связан с изменением динамики нагрева и остывания, при соединении с фрагментом меньшего размера возникает неравномерно распределенное усилие.
Какое бывает окисление у разных сталей?
Хромоникелевая сталь — её называют жаростойкой потому, что она практически не поддаётся окислению.
Легированная сталь — у неё образуется плотный, но тонкий слой окалины, который защищает от дальнейшего окисления и не даёт растрескиваться при ковке.
Углеродистая сталь — она теряет около 2–4 мм углерода с поверхности при нагреве. Это для металла очень плохо, так как он теряет прочность, твёрдость и сталь ухудшается в закаливании. А особенно очень пагубным является обезуглероживание для ковки небольших деталей с последующей закалкой. Чтобы не было трещин на высоколегированной и высокоуглеродистой стали, их надо нагревать медленно.
Обязательно нужно обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определена температура для начала и конца ковки. Делать это надо для того, чтобы металл при нагреве не приобретал крупнозернистую структуру и не снижалась его пластичность.
Но перегрев заготовки можно исправить методом термообработки, но для этого нужно дополнительная энергия и время. Если металл нагреть до ещё большей температуры, то это приведёт к пережогу, что дойдёт до того, что в металле нарушится связь между зёрнами и он полностью разрушится при ковке.
Другие виды
При сварке нержавейки шов нередко, оказывается подверженным коррозии. Это вызвано как выгоранием части легирующих добавок, так и занесением в сварную зону излишнего содержания железа.
Чтобы этого избежать необходима пассивация сварных швов нержавеющей стали путем их зачистки, либо травления кислотой (как правило — азотной). В процессе пассивирования, на поверхности металла образуется прочная окисная пленка, которая становится его надежной защитой.
Явной приметой снижения уровня легирования, является значительное изменение цвета зоны как самого шва, так и прилегающего к ней металла.
Серьезные проблемы при выполнении неразъемных соединений создает сварка анодированной стали. Дело в том, что слой анодированного покрытия при создании шва неизбежно разрушается. Если после окончания сварочных работ не произвести его восстановление, изделие на стыке быстро начнет ржаветь.
К счастью, восстановление анодированного покрытия не представляет особых проблем, даже в домашних условиях. Для этого достаточно источника постоянного тока не менее 12 Вольт, а также пищевой соды и обычной поваренной соли.
Методы снижения сварочных напряжений и устранения остаточных деформаций
Сообщение об ошибке
Методы снижения сварочных напряжений и устранения остаточных деформаций
Если меры предотвращения образования сварочных напряжений и деформаций оказываются недостаточными, появляется необходимость в устранении (снятии) возникших напряжений и деформаций.
В ряде случаев можно ограничиться высоким отпуском отдельных элементов конструкции. Так, при изготовлении сферических резервуаров для хранения различных продуктов ограничиваются только отпуском лепестков с приваренными люками. Отпуск отдельных узлов применяют также при изготовлении сварных рам тележек вагонов и локомотивов. Такие операции значительно проще, чем отпуск всей конструкции, и, как показал опыт, обеспечивают требуемую эксплуатационную надежность.
Высокий отпуск является дорогой операцией, удлиняющей технологический процесс изготовления конструкции, и его следует применять в действительно необходимых случаях. Если механическая обработка проводится на детали, не прошедшей отпуска, то в связи с перераспределением напряжений может произойти изменение ее размеров. В большинстве случаев при сварке изделий из стали с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов можно ограничиться только предварительным местным или общим подогревом и не проводить последующей термообработки.
Термопластический метод снятия напряжений. Метод основан на создании пластических деформаций в зоне шва, что осуществляется путем нагрева смежных со швом участков основного металла.
При этом достигается тот же эффект, что и при растяжении внешними силами. Снятие напряжений достигается только при тщательной регулировке источника нагрева и определенной скорости перемещения его вдоль шва.
Снятие сварочных напряжений путем нагружения конструкции до напряжений, равных пределу текучести металла. Эффективной мерой снятия сварочных напряжений в конструкциях, изготовляемых из незакаливающихся сталей, является воздействие на сварную конструкцию внешних сил, от которых в ней возникают напряжения, равные пределу текучести металла. Нагружение конструкции должно быть статическим и проводиться в условиях, когда металл находится в пластическом состоянии (при положительной температуре). Такой метод снятия напряжений особо следует рекомендовать для конструкций, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (низкие температуры, большие скорости приложения нагрузок) перед вводом их в работу.
Если в первый период эксплуатации конструкция работает в условиях, когда металл находится в пластическом состоянии, происходит смягчение остроты концентраторов напряжений. При этом сварочные напряжения не повлияют на статическую прочность конструкции при тяжелых условиях ее эксплуатации. При снятии напряжений этим способом не все элементы конструкции могут быть нагружены до предела текучести. Поэтому напряжения снимаются только в элементах, наиболее нагруженных от прилагаемых нагрузок, в остальных, например в участках с приваренными ребрами, фланцами и т.п., они остаются почти без изменений.
Нагружение до предела текучести конструкций, при сварке которых возможно образование малопластических закалочных структур в околошовной зоне, не приводит к снятию сварочных напряжений. В этом случае сварочные напряжения могут быть сняты только высоким отпуском. Выполнен ряд исследовательских работ по уменьшению либо полному устранению сварочных напряжений при помощи ультразвука.
На рис. 2, а показаны деформированная балка с приваренными косынками и места, подлежащие нагреву при правке. Если балка таврового сечения деформируется после сварки в сторону пояса, то рекомендуется править ее, как показано на рис. 2, в, и нагревать ряд участков самого пояса. В практике часто наблюдается сложная деформация стенки и пояса (рис. 2, б). Для устранения такой деформации производят нагрев как вертикальной стенки, так и пояса.
Для правки сварных конструкций требуется определенный навык. Поэтому, если в производственных условиях неизбежна правка конструкций, то для выполнения термической правки необходимо специально обучать рабочих. В случае деформации тонкого листа, приваренного к массивной раме, правку можно осуществлять путем нагрева в симметрично расположенных точках с выпуклой стороны листа. Нагрев следует начинать от центра выпуклости.
Устранение деформации путем механической правки. Для устранения деформации механическую правку можно осуществлять на прессах или при толщине металла до 3 мм вручную ударами молотка. Этот вид правки менее целесообразен, чем термическая правка, и его применение следует ограничивать. При механической правке образуется местный наклеп, повышающий предел текучести металла. Пластические свойства металла резко снижаются, особенно у кипящей стали. Вызываемая наклепом неоднородность механических свойств сказывается отрицательно на статической прочности конструкции и при эксплуатации конструкции под переменными нагрузками.
