Правилно позициониране и как да се справим с деформациите

Какво е деформация при заваряване?

Деформацията в заваръчния шев е резултат от разширяването и свиването на заваръчния и основния метал по време на нагряване и охлаждане при процеса заваряване. Едностранното заваряване на детайла, ще причини много повече деформация, отколкото ако заваръчните шевове се редуват от едната и от другата страна. По време на нагряване и охлаждане, много фактори влияят върху свиването на метала и водят до деформации, като физическите и механичните свойства, които се променят при прилагането на топлина. Например, когато температурата в зоната на заваряване се увеличава, границата на провлачване, еластичността и топлопроводимостта на стоманата намаляват, докато топлинното разширение и специфичната топлина се увеличават. Тези промени от своя страна засягат топлинния поток и равномерността на разпределението на топлината.

Промените в свойствата на стоманата, с повишаване на температурата и, усложняват анализа на това, което се случва по време на заваряване, както и разбирането на факторите, които водят за деформациите при заваряване.

Причини за деформация

В завареното съединение, силите на разширение и свиване действат върху заваръчния шев и основния метал. В процеса на заваряване, заваръчният шев е максимално разширен от топлината и започва да се втвърдява и смесва с основния метал. При охлаждане той се опитва да се свие до обема, който обикновено би заемал при по-ниска температура, но се възпира да го направи от съседния по-студен метал. Поради това се развиват напрежения в заваръчния шев и съседния основен метал. В този момент заваръчният шев се разтяга (или поддава) и изтънява, като по този начин се приспособява към изискванията за обем на по-ниската температура. Но само онези напрежения, които надвишават границата на провлачване на заваръчния шев се облекчават от това опъване. Докато заваръчният шев достигне стайна температура, възпрепятстван от всякакви движения заради основния материал, ще натрупа напрежения на опън, приблизително равни на границата на провлачане на метала. Ако ограничителите (скоби, които държат детайла, или противоположна сила на свиване) се премахнат, остатъчните напрежения се освобождават частично, тъй като карат основния метал да се движи и по този начин сглобката се изкривява.

Контрол на свиването – какво можете да направите, за да минимизирате деформациите

За да предотвратите или сведете до минимум деформирането на заваръчния шев, трябва да се използват методи, както при проектирането, така и по време на заваряването, за да се преодолеят ефектите от нагряване и охлаждане. Свиването не може да бъде предотвратено, но може да бъде контролирано. Могат да се използват няколко начина за минимизиране на деформациите, причинени от свиване:

Не трупайте повече метал в заваръчния шев от необходимото

Колкото повече метал е използван при заваряването, толкова по-големи са силите на свиване. Правилното оразмеряване на заваръчния шев, според изискванията на съединението, не само минимизира изкривяването, но също така спестява добавъчен материал и време. Количеството добавъчен материал в ъглов заваръчен шев, може да бъде сведено до минимум, чрез използване на плосък или леко изпъкнал край, а в челно съединение, чрез правилна подготовка на краищата и напасване. Излишният заваръчен метал в силно изпъкнал шев не увеличава якостта, но увеличава силите на свиване.

При заваряване на по-дебели материали, над 25мм, скосяването или дори двойното скосяване може да спести значително количество заваръчен метал, което автоматично води до много по-малко деформации.

Като цяло, ако деформацията не е проблем, изберете най-икономичното съединение. Ако деформацията е проблем, изберете или съединение в което заваръчните напрежения се балансират взаимно, или съединение изискващо най-малко количество заваръчен метал.

Използвайте възможно най-малко заваръчни проходи

По-малко проходи с по-големи електроди са за предпочитане, пред по-голям брой проходи с по-малки електроди, когато напречното изкривяване може да е проблем. Свиването, причинено от всяко преминаване, има тенденция да добавя, като по този начин увеличава общото свиване, когато се използват много проходи.

Нанасяйте заваръчните шевове близо до неутралната ос

Деформациите се свеждат до минимум, чрез осигуряване на по-малък напор на силите за свиване, които разместват краищата на заваряване. Както параметрите на заваряване, така и последователността за полагане на шевовете, могат да се използват ефективно за контролиране на деформациите.

Балансиране на заваръчните шевове около неутралната ос

Тази практика компенсира една сила на свиване с друга, за да минимизира ефективно деформациите от заваряване. Тук начина на монтаж и правилната последователност на заваряване са важни фактори.

Използвайте обратно постъпателно заваряване

При тази техниката, общата прогресия на заваряването може да бъде, да кажем, от ляво на дясно, но всеки участък на шева се полага отдясно наляво. При полагането на всяка част от шева, нагретите краища се разширяват, което временно увеличава разстоянието между детайлите. Топлината, разпространяваща се към външните краища на детайлите, разширява външните им ръбове и ги събира обратно заедно. Това разделяне е най-ясно изразено при полагането на първия шев. След всяко следващо полагане детайлите се разширяват все по-малко поради ограничаването от предишните положени шевове. Заваряването по този начин може да не е ефективно във всички приложения и не може да се използва икономично при автоматично заваряване.

Предвиждайте силите на свиване

Предварителното настройване на детайлите, преди заваряване, може да накара свиването да извърши конструктивна работа.

Предварително огъване, предварително настройване или еластична деформация на частите, които ще бъдат заварени, използват противоположни механични сили за противодействие на деформациите, дължащи се на заваряване. Горната част на мястото на полагане на заваръчния шев, която ще съдържа по-голямата част от заваръчния метал, се удължава, след като повърхностите са предварително настроени. Така заваръчния шев е малко по-дълъг, отколкото би бил, ако беше направен върху плоска повърхност. Когато скобите се освободят след заваряване, детайлите се връщат в плоска форма, което позволява на заваръчния шев да облекчи своите надлъжни напрежения на свиване чрез скъсяване до права линия. Двете действия съвпадат и заварените повърхности придобиват желаната равнинност.

При по-сложни възли, по-специално, твърдостта на елементите и тяхното разположение един спрямо друг може да осигури необходимите балансиращи сили. Ако тези естествени балансиращи сили не са налице, е необходимо да се използват други средства за противодействие на силите на свиване в заваръчния метал. Това може да бъде постигнато чрез балансиране на една сила на свиване спрямо друга или чрез създаване на противоположна сила чрез закрепването. Противоположните сили могат да бъдат: други сили на свиване; задържащи сили, наложени от скоби, приспособления или фиксатори; задържащи сили, произтичащи от подреждането на детайлите в сглобката; или силата от увисването на детайл породена от гравитацията.

Планирайте последователността на заваряване

Добре планираната последователност на заваряване включва поставяне на заваръчни шевове в различни точки на сглобката, така че докато конструкцията се свива на едно място, да противодейства на силите на свиване на местата с положени заваръчни шевове. Пример за това е последователно заваряване от двете страни на неутралната ос при направата на заваръчен шев с пълен провар в челно съединение. Друг пример, при ъглов шев, се състои от извършване на прекъснати заваръчни шевове съгласно изградена схема за нанасяне.

Скоби и приспособления, които фиксират детайлите в желана позиция и ги държат, докато заваряването приключи, са може би най-широко използваните средства за контролиране на деформациите в малки компоненти и възли. Задържащата сила, осигурена от скобите, увеличава вътрешните напрежения в заваръчния шев до достигане на границата на провлачване на метала в заваръчния шев. При типичните заваръчни шевове върху плоскост от нисковъглеродна стомана, това ниво на напрежение ще бъде приблизително . Човек може да очаква това напрежение да причини значително свиване или изкривяване, след като завареното изделие бъде отстранено от приспособлението или скобите. Това обаче не се случва, тъй като напрежението е много по-ниско в сравнение с количеството движение, което би възникнало, ако не се използва ограничение по време на заваряване.

Отстранете силите на свиване след заваряване

Един от методите за премахване на силите на свиване е чрез термично облекчаване на напрежението – контролирано нагряване на заваръчния шев до определена температура, последвано от контролирано охлаждане. Понякога два еднакви срещуположни заваръчни шева се заваряват и след това се освобождават от напрежението, докато се държат в изправено състояние. По този начин остатъчните напрежения, които биха имали тенденция да изкривят заваръчните съединения, са сведени до минимум.

Минимизирайте времето за заваряване

Тъй като по време на заваряването се извършват сложни цикли на нагряване и охлаждане и тъй като е необходимо време за предаване на топлина, факторът време влияе върху деформациите. По принцип е желателно заваръчният шев да се завърши бързо, преди голям обем от заобикалящия метал да се нагрее и разшири. Използваният процес на заваряване, типът и размерът на електрода, заваръчният ток и скоростта на заваряване влияят върху степента на свиване и деформиране на заваръчния шев. Използването на механизирано заваръчно оборудване намалява времето за заваряване и количеството метал, засегнат от топлина, и следователно, изкривяване.

Други техники за контрол на изкривяването

Приспособление с водно охлаждане

Разработени са различни техники за контролиране на деформациите на специфични заваръчни шевове. При заваряване на листов материал например, приспособленията с водно охлаждане са полезни за отвеждане на топлината от заваряваните компоненти. Ограничаването със стяги също помага за минимизиране на изкривяването.

Термично облекчаване на напрежението

Освен в специални случаи, намаляването на напреженията чрез нагряване не се използва за коригиране на изкривяването. Има случаи обаче, когато е необходимо облекчаване на напрежението, за да се предотврати появата на по-нататъшно изкривяване преди заваряването да е завършено.

Тези техники могат да ви помогнат да намалите деформациите и остатъчните напрежения във вашето производство.