Svařovací napětí a deformace – Svařování kovů

Při svařování kovových konstrukcí vznikají vnitřní pnutí a deformace, které způsobují mnoho obtíží při výrobě a provozu svařovaných konstrukcí.

Svařovací napětí a deformace mohou způsobit následující nežádoucí důsledky:
— změna navržených rozměrů svařovaných konstrukcí;
— deformace a změna tvaru svařovaných jednotek a konstrukcí jako celku (deformace);
— výskyt trhlin a prasklin během výrobního procesu svařovaných konstrukcí;
— destrukce svařovaných konstrukcí během provozu.

Pojem napětí a deformace. Změna tvaru a rozměrů pevného tělesa působením síly (zatížení) se nazývá deformace. Rozlišuje se mezi elastickou a zbytkovou deformací.

Pokud se tvar a rozměry tělesa obnoví po ukončení působení síly (po odstranění zatížení), pak se deformace nazývá elastická. Pokud se po odstranění zatížení pevné těleso neobnoví do svého předchozího tvaru a rozměrů, deformace se nazývá zbytková (plastická). Velikost deformace je určena velikostí působícího zatížení (úsilí). Čím větší je úsilí, tím větší deformaci způsobuje. Velikost úsilí se posuzuje podle napětí, které toto úsilí v pevném tělese (konstrukci) způsobuje. Mezi napětím a deformací, kterou způsobuje, existuje přímá, neoddělitelná souvislost.

Napětí je síla působící na jednotku plochy průřezu pevného tělesa (konstrukce). Rozlišují se vnější a vnitřní síly. Vnější síly vznikají vnějším zatížením: vlastní hmotností konstrukce; hmotností břemene při jeho pohybu zdvihacími mechanismy; tlakem větru působícím na stěnu konstrukce atd. Vnitřní síly vznikají nerovnoměrným ohřevem a ochlazováním konstrukce během její výroby nebo provozu, změnami struktury kovu v důsledku teplotních účinků.

Napětí a deformace vznikající nerovnoměrným ohřevem a ochlazováním konstrukce se nazývají tepelné. Tepelné namáhání může způsobit změnu geometrických rozměrů, deformaci a deformaci konstrukce a může vést ke vzniku trhlin v kovu konstrukcí. Absence nebo přítomnost upevňovacích prvků a spojů má významný vliv na velikost tepelného namáhání a deformací kovu.

Příčiny napětí a deformací během svařování.

Napětí a deformace ve svařovaných konstrukcích jsou způsobeny různými důvody. Mezi nevyhnutelné důvody patří ty, bez kterých nemůže svařovací proces probíhat: nerovnoměrné ohřev, tepelné (licí) smrštění kovu, strukturální změny ve svarovém kovu a v oblasti ovlivněné svarem. Mezi průvodní důvody přispívající ke vzniku napětí a deformací patří ty, bez kterých svařovací proces nemůže probíhat: nesprávná konstrukce svařovaných celků (blízké umístění svarů, jejich časté křížení, nesprávně zvolený typ spojení); nesprávná technologie svařování (svařovací režim, průměr elektrody, způsoby nanášení svarů); nízká kvalifikace svářeče; porušení geometrických rozměrů svarů.

Přítomnost koncentrovaného zdroje tepla (oblouku) pohybujícího se podél svarové linie a způsobujícího nerovnoměrné zahřívání kovu je hlavní příčinou vnitřního napětí ve svařovaných konstrukcích. Napětí vzniká, když je volné roztahování a smršťování kovu během zahřívání a chlazení bráněno sousedními částmi kovu, které zůstávají studené. Kov svarové zóny sousedící se svarem je vystaven stlačení kvůli nemožnosti volné tepelné roztažnosti, které brání málo zahřáté a studené části základního kovu (výrobku). Když se svarový spoj ochladí, roztavený svarový kov se nemůže volně smršťovat, stejně jako se kov svarové zóny nemůže osvobodit od stlačení kvůli překážkám ze stejných sousedních málo zahřátých a studených částí základního kovu. V důsledku těchto jevů se ve svarovém spoji nevyhnutelně objevují inherentní napětí: po vyrovnání teplot zůstane svar natažený a svarová zóna bude stlačena.

V důsledku odlévacího (tepelného) smršťování má roztavený kov tendenci zmenšovat svůj objem, v důsledku čehož v sousedních vrstvách kovu vznikají tahové síly, které jsou příčinou vzniku napětí. Čím menší je objem roztaveného kovu ve svarové lázni, tím menší jsou vznikající napětí. Strukturální transformace (změny tvaru, velikosti, orientace kovových zrn) způsobují tahové a tlakové vnitřní síly, které způsobují napětí. Při svařování nízkouhlíkových ocelí jsou napětí ze strukturálních transformací nevýznamná a nemají praktický význam. Oceli se zvýšeným (více než 0,35 %) obsahem uhlíku, stejně jako většina legovaných ocelí, získávají ze strukturálních transformací značná napětí, dostatečná k tomu, aby se ve svarovém spoji objevily trhliny.

Velikost a rozložení napětí a deformací závisí na tuhosti svařovaných konstrukcí, přičemž velký význam má tloušťka kovu. Při svařování kovu o tloušťce do 3 mm se objevují převážně velké deformace a napětí jsou velmi malá. Svařování kovu o tloušťce 4-20 mm je doprovázeno značnými deformacemi a zbytková napětí se začínají objevovat současně se zvětšováním tloušťky kovu. Při svařování kovu o tloušťce nad 20 mm jsou deformace nevýznamné, ale zbytková napětí mohou dosáhnout značných hodnot. Zbytková svařovací napětí se objevují ve vrstvách kovu nejblíže ke švu a ve vzdálenosti 50-70 mm od švu prudce mizí. Rozlišuje se mezi zbytkovými svařovacími napětími a deformacemi – podélnými, příčnými a úhlovými.

Zbytková svařovací napětí existují ve svařovaných konstrukcích sama o sobě, a to i bez vnějších sil a zatížení. Studium svařovacích napětí a deformací je velmi důležité při volbě racionálních forem svařovaných konstrukcí a technologie jejich výroby. Pokud jsou konstrukční formy a technologie svařování dobře promyšleny, pak zbytková napětí nemusí být nebezpečná pro výkon svařovaných konstrukcí a zbytkové deformace jsou minimalizovány.

Opatření ke snížení svařovacích napětí a deformací. Snížení vnitřních napětí a deformací je nejdůležitějším úkolem konstruktérů, kteří navrhují konstrukce, a svářečů, kteří tyto konstrukce vyrábějí. Opatření ke snížení zbytkových napětí a deformací lze rozdělit na konstrukční a technologická.

1. Výběr základního kovu a elektrod pro výrobu konstrukcí.

Je vhodné použít základní kov, který nemá tendenci vytvářet zpevňující struktury při ochlazování na vzduchu. Používejte elektrody, které poskytují svarovému kovu plastické vlastnosti ne nižší než plastické vlastnosti základního kovu.

2. Racionální návrh konstrukcí a jednotek.

Počet svarů by měl být co nejmenší, průřez svarů by neměl překročit návrhovou hodnotu. Stanovuje se minimální objem navařeného kovu. Nejlépe se používají tupé svary, které jsou méně tuhé. Úhel zkosení hran a mezera mezi dosedacími hranami by měly být co nejmenší. U tupých spojů dílů různých tlouštěk by měla být hrana silnějšího plechu zkosená – tím je zajištěno rovnoměrné prohřátí a provaření dosedacích hran a rovnoměrné rozložení napětí.

Zabraňte hromadění svarů a jejich křížení, zejména u konstrukcí pracujících s proměnným zatížením. Vyhněte se použití svarů, které tvoří malé uzavřené obrysy: vkládání záplat, svařování výztuh. Vyhněte se použití různých vyztužení, překrytí a výztuh.

3. Složité svařované konstrukce by měly být vyráběny ve formě samostatných svařovaných jednotek, které jsou poté spojeny do jedné konstrukce – tím se snižuje vliv spojů na smršťování švů.

Technologické činnosti:
1. Zajistěte vysoce přesnou montáž jednotek a konstrukcí pro svařování. To je nejdůležitější podmínka pro zlepšení kvality svařování. Přesná montáž zaručuje rovnoměrný průřez švů po celé délce – tím se snižuje koncentrace napětí v jednotlivých úsecích švu.
2. Správně zvolte režim svařování. Při svařování součástí, které umožňují volný pohyb v důsledku tepelných účinků na ně, a také při svařování kalených ocelí, by měl být použit výkonnější režim svařování. V tomto případě svařujte s maximální přípustnou lineární energií oblouku. Tím se zvětší objem zahřátého kovu a zpomalí jeho chlazení. Pro rovnoměrné ohřev kovu po celé jeho tloušťce je vhodné zvýšit hustotu proudu, aby byl průvar kovu hlubší. Použití svarů s hlubokým průvarem snižuje příčné smrštění po celé tloušťce kovu a snižuje úhlová napětí a deformace. Při svařování pevně upevněných součástí by měly být použity nižší režimy svařování, což snižuje příčné smrštění. V tomto případě použijte elektrody, které zajišťují zvýšenou plasticitu navařeného kovu.
3. Správně zvolte pořadí svarů. Pořadí svarů by mělo být takové, aby napětí a deformace z předchozích svarů byly kompenzovány (vyváženy) při provádění následných svarů. Nejprve se svařují tupé svary, po nich rohové svary. U plechových konstrukcí se nejprve provádějí příčné svary, které spojují plechy do pásů, poté podélné svary, které spojují pásy dohromady. Při svařování I-nosníků se nejprve svařují tupé svary stěn a polic a poté rohové přírubové svary. Svařování dlouhých svarů se provádí od středu k okrajům nebo naopak – postupně od jednoho okraje svaru k druhému.
4. Při svařování silného kovu používejte vícevrstvé svařování. Při vícevrstvém svařování pevně upevněných silných dílů se střídavě nanášejí jednotlivé vrstvy svaru podél okrajů drážky a poté se vyplní střed svaru. Vícevrstvé svary se provádějí v hromadě nebo kaskádě. Svařovací zóna se neustále zahřívá, což zajišťuje rovnoměrnější rozložení tepla v kovu. Při vícevrstvém svařování dochází částečně k tepelnému popouštění dříve nanesených vrstev, což zlepšuje strukturu svarového kovu a snižuje v něm zbytková napětí.
5. Předehřátí základního kovu před svařováním a související ohřev během svařovacího procesu výrazně snižuje zbytková svařovací napětí a deformace ve svařovaných konstrukcích. Zahřátý základní kov se ochlazuje současně se svarem a smrštění svaru není bráněno sousedními zónami základního kovu.
6. U kritických svařovaných konstrukcí pracujících za náročných provozních podmínek se po svařování odstraňují vlastní zbytková napětí, aby se zlepšily jejich vlastnosti. To je zvláště důležité u konstrukcí vyrobených z legovaných ocelí a ocelí se zvýšeným obsahem uhlíku.
Pro uvolnění zbytkového napětí po svařování se používají následující metody:
a) Obecné vysoké tepelné popouštění svařovaného výrobku v ohřívací peci. Výrobek se umístí do pece, zahřeje na teplotu 600-700 °C a udržuje se na této teplotě. V důsledku takového tepelného působení ocel přechází do plastického stavu a pnutí mizí. Po vypnutí pece svařovaný výrobek, bez zbytkových pnutí, rovnoměrně chladne spolu s pecí.
b) Lokální tepelné popouštění konstrukce (výrobku) ohřevem oblasti blízko svaru na teplotu 600 °C. Ohřev se provádí indukcí nebo zpracováním plynovým plamenem. Lokální popouštění zcela neodstraňuje zbytková pnutí, ale může je výrazně snížit.