Технологические операции правки конструкции после сварки.
При сварочных деформациях, превышающих допускаемые, в ряде случаев удается восстановить требуемую геометрическую форму изделия путем правки (рихтовки) некоторых элементов конструкции.
Механические способы – они основаны на создании пластических деформаций удлинения в холодном состоянии с целью исправления пластических деформаций укорочения или изгиба, вызванных сваркой (холодная правка). Этот способ применяют при толщине заготовок менее 7…8 мм. 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 заданных проектных значений. Необходимо учитывать, что чрезмерная деформация при рихтовке изделия 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. Она основана на создании пластических деформаций конструкции – в горячем состоянии при электрическом или газовом нагреве. Этим способом можно устранить искривление толстостенных сварных элементов, а также выпучины в листовых конструкциях. При этом способе правки металл нагревают пятнами или участками, чем вызывают пластические деформации укорочения – сжатия. Углеродистые стали обычно нагревают пламенем до 600...800°С. Необходимо стремиться к кратковременному и концентрированному нагреву, чтобы соседние зоны оставались ненагретыми и сопротивлялись расширению нагретого металла. О результатах правки можно судить лишь после полного остывания конструкции. Листовые элементы иногда после нагрева осаживают молотом на плоскости. Так как нагретый металл имеет низкий предел текучести (он пластичен), то он легко осаживается, и в нем при этом возникают пластические деформации укорочения.
Сварные конструкции небольшого размера с целью правки путем снятия внутренних напряжений подвергают отжигу в жестких зажимных приспособлениях. Так, после сварки конструкцию упруго деформируют и зажимают в приспособлении, чтобы она приобрела правильную форму. После нагрева ее вместе с приспособлением до температуры 550...650°С и последующего 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 только напряжения устраняются в зонах растяжения и сжатия. Следовательно, деформации, искажающие геометрическую форму детали, могут сохраниться.
К дорогому способу горячей правки прибегают только в технически и экономически обоснованных случаях.
Рис. 7 Схема правки нагревом
а – тавровой балки; б – выпучин листа.
2.8. Зона термического влияния сварного шва
Известно, что сварка предназначена для надежного, прочного и плотного соединения заготовок в составную деталь или сложную конструкцию. Но эти условия, не всегда достигаются в полной мере, так как в сварном шве и околошовной зоне в процессе их сварки и охлаждения происходят изменения внутреннего строения (структуры) металла. 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 течении 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 ширина этой зоны 4...10 мм, при газовой сварке – 20...25 мм, при автоматической сварке под слоем флюса при большой скорости нагрева ширина зоны термического влияния невелика – 2...2,5 мм. Чем уже околошовная зона термического влияния, тем выше механические свойства сварного соединения.
При сварке низкоуглеродистой стали (с содержание углерода менее 0,25 %) структурные изменения в зоне термического влияния 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 разных температур. А 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.
В сварном шве наплавленный металл 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 поперечным 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 стали (более 1539°С); образуется крупнозернистая структура.
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, они приближаются к свойствам основного металла заготовок. 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 ниже, чем на участке 3.
Пятый участок. Нагрев – 700...500°С. Если сталь перед сваркой не подвергалась пластической деформации, в холодном состоянии (менее 300°С), 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; поэтому недопустимо сваривать и нагревать стальные грузовые тросы;
– 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.
Таким образом, образование зоны термического влияния сварного шва сопряжено с ухудшением прочностных и пластических свойств свариваемого металла. Это наиболее слабое место в сварном соединении и это необходимо обязательно учитывать, как при проектировании сварных конструкций, так и при их эксплуатации.