2.8.3. Технологические операции, проводимые после сварки.
– механические способы основаны на создании пластических деформаций удлинения в холодном состоянии с целью компенсации пластических деформаций укорочения, вызванных сваркой (холодная правка). Применяют гибку, растяжение, осаживание металла по толщине под прессом. прокатку, проковку. Последние две операции выполняют в пределах шва и околошовной зоны. В результате холодной правки размеры и конфигурация изделия доводятся до проектных размеров. Необходимо учитывать, что чрезмерная деформация может вызвать появление трещин в шве и околошовной зоне, что для конструкции недопустимо. Холодную правку выполняют с помощью прессов, домкратов, вальцев или вручную кузнечным инструментом;
– термические способы (горячая правка) основаны на создании пластических деформаций. Горячую правку выполняют при электрическом или газовом нагреве. Этим способом можно устранить искривление сварных элементов, а также выпучены в листовых конструкциях. Нагрев, как правило, производится вне зон пластических деформаций, возникающих при сварке. При этом способе правки нагревают пятнами или участками удлинившиеся после сварки волокна конструкции, чем вызывают пластические деформации укорочения – сжатия. Углеродистые стали обычно нагревают пламенем пятнами до 600...800°С. необходимо стремиться к кратковременному и концентрированному нагреву, чтобы соседние зоны оставались ненагретыми и сопротивлялись расширению нагретого металла, вызывая в нем усадку. О результатах правки можно судить лишь после полного остывания конструкции. Листовые элементы иногда после нагрева осаживают молотом на плоскость. Так как нагретый металл имеет низкий предел текучести, то он легко осаживается, и в нем при этом возникают пластические деформации укорочения.
Сварные конструкции небольшого размера с целью правки снятия внутренних напряжений подвергают отпуску в жестких зажимных приспособлениях. После сварки конструкция упруго деформируется и зажимается в приспособлении, приобретенная правильную форму. После нагрева ее вместе с приспособлением до 550...650°С и медленного охлаждения освобожденная из приспособления конструкция сохраняет форму, которая была ей придана в приспособлении. Термическая правка путем общего нагрева конструкции при отпуске без использования приспособления невозможна, так как напряжения снижаются как в зонах растяжения, так.
Рис. 7 Схема правки нагревом
а – тавровой балки; б – выпучин листа.
и в зонах сжатия, а равновесие сил почти не нарушается. Следовательно, деформации, искажающие геометрическую форму детали, сохраняются. К этому дорогому способу правки прибегают в экономически и технически обоснованных случаях.
2.9. Зона термического влияния сварного шва и ее свойства.
Известно, что сварка предназначена для надежного, прочного и плотного соединения заготовок в составную деталь или сложную конструкцию. Но этими условиями не всегда достигаются в полной мере, так как в сварном шве и околошовной зоне в процессе их сварки и охлаждения происходят изменения строения (структуры). Эти изменения сопровождаются ухудшением механических свойств шва и околошовной зоны в сравнении со свойствами металла заготовок, что иногда приводит к выходу конструкций из строя и даже авариям. Каковы же причины таких изменений и как их можно предупредить, или в какой мере учитывать?
При сварке плавлением к кромкам соединяемых заготовок подводят сварочное пламя электрической дуги или горящих газов, которое расплавляет эти кромки и присадочный материал с образованием сварочной ванночки жидкого металла. Этот процесс длится в течение 10...25 с. После удаления источника тепла металл ванночки охлаждается за 50...80 с и образуется сварной шов. Обязательным условием успешной сварки плавлением является температура сварочного пламени 2700...4000°С. При меньшей температуре источника тепла сварочная ванночка будет образовываться очень медленно и неэффективно вследствие высокой теплопроводности холодного металла и больших потерь тепла. Во время интенсивного нагрева и расплавления основной и присадочный металлы сильно перегреваются. В узкой зоне плавления заготовок кристаллизуются зерна, принадлежащие к основному и наплавленному металлу. Соседние участки основного металла по обе стороны шва в процессе сварки тоже нагреваются, причем, по мере удаления от шва температура их нагрева все меньше и меньше. Эта узкая зона нагретого металла называется зоной термического влияния. Размеры зоны термического влияния зависят от способа и технологии сварки, от теплопроводности и теплоемкости того или иного свариваемого металла. Так, при ручной электродуговой сварке электродами с покрытием 4... 10мм, при газовой сварке – 20...25мм, при автоматической сварке под слоем флюса ширина зоны термического влияния невелика –2...2,5мм. Чем уже околошовная зона термического влияния, тем выше механические свойства сварного соединения.
При сварке низкоуглеродистой сварке (с содержание углерода менее 0,25%) структурные изменения в зоне термического влияния значительно в меньшей степени снижают ее механические свойства в сравнении с тем, как сильно изменяются эти свойства при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легированных сталей.
При сварке стали, в зависимости от удаления слоев металла от шва, эти слои нагреваются в зоне термического влияния до темпера-тур выше критических и ниже критических. В зависимости от температуры нагрева в различных слоях стали происходят и различные структурные превращения.
В зоне термического влияния условно выделяют шесть участков, нагретых до разных температур и претерпевших различные структурные превращения.
Наплавленный металл сварного шва имеет столбчатое крупно-зернистое строение, характерное для литой стали, прочность и предел текучести которой несколько ниже, чем основного изделия. Некоторая компенсация прочностных характеристик шва достигается его несколько большим сечением и легированием.
Первый участок. Он примыкает непосредственно к металлу шва. Основной металл на этом участке в процессе сварки частично расплавляется и представляет собой смесь твердой и жидкой фаз. Температура на этом участке выше температуры плавления металла (более 15390 С).
Затвердевший металл по механическим свойствам близок к металлу шва.
Второй участок. Здесь сталь нагревается до температур от 1500°С до 1100 °С. в результате сильного перегрева после охлаждения на этом участке образуется крупнозернистая – грубоигольная структура. Металл этой зоны обладает НАИБОЛЬШЕЙ хрупкостью и является САМЫМ СЛАБЫМ местом сварного соединения.
Третий участок. Температура стали в пределах от 900°С до 1100°С. Здесь после медленного охлаждения изделия образуется мелкозернистая структура нормализованной стали, механические свойства которой выше, чем в первых двух зонах. При электродуговой сварке эта зона преобладающая, а при газовой сварке выражена слабо.
Четвертый участок. Нагрев – 900...700°С, участок неполной перекристаллизации. В нем наряду с крупными зернами феррита образуются мелкие зерна феррита и перлита. Механические свойства стали выше, чем на участках 1 и 2, но ниже, чем на участке 3.
Пятый участок. Нагрев – 700...500°С. Если сталь перед сваркой не подвергалась пластической деформации, то структурных изменений в ней на этом участке не происходит. Если же сталь упрочнялась холодной пластической деформацией, то на этом участке происходит рекристаллизация с потерей приобретенных свойств и падением ударной вязкости.
Шестой участок. Нагрев ниже 500°С. Если предварительно сталь пластически не упрочнялась, то она не претерпевает заметных структурных превращений, однако наблюдается резкое падение ударной вязкости – синеломкость. Если же сталь предварительно пластически упрочнялась, то в этой зоне происходит частичная рекристаллизация с некоторым (до 30...40%) снижением ее твердости и предела текучести.
Из рассмотренного видно, что зона термического влияния является зоной активной реакции металла на нагрев. Учитывать влияние этой зоны необходимо в следующих случаях:
– при сварке сталей, предварительно подвергнутых холодной пластической деформации происходит потеря приобретенных свойств;
– при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легированных сталей образуются закалочные структуры, обладающие значительной хрупкостью, которая может привести к трещинообразованию в зоне термического влияния;
– изделия после сварки должны охлаждаться медленно во избежание образования в околошовной зоне закалочных структур;
– учитывать особенности зоны термического влияния необходимо и при выборе способа сварки изделий.