1.3.2 Методы уменьшения деформаций и перемещений от сварки

Меры по уменьшению деформаций и перемещений от сварки предусматриваются на всех этапах проектирования и изготовления большинства сварных конструкций.

На стадии разработки проекта нужно принимать такие конструктивные решения, которые бы позволили технологу избежать значительных искажений сварной конструкции и организовать правку при необходимости.

1. Назначают минимальные объемы наплавляемого металла; сечения угловых швов принимают по расчету на прочность и в соответствии с рекомендациями о минимальных катетах швов.

2. Используют способы сварки с минимальным тепловложением, например контактной вместо дуговой, многопроходной вместо однопроходной. При назначении вида сварки следует иметь в виду допустимые скорости охлаждения металла и не превышать их

3. Балочные конструкции проектируют с таким поперечным сечением и расположением швов, чтобы моменты, создаваемые усадочными силами, были уравновешены, а углы излома φ от поперечных швов взаимно компенсировали прогибы. Это обеспечивает минимальный изгиб балок.

4. Следует стремиться к таким последовательностям сборочно-сварочных операций, при которых моменты инерций и площади поперечных сечений швов были бы по возможности максимальными. Например, последовательное наращивание элементов в сложных конструкциях дает большие искажения размеров, чем сборка всей конструкции на прихватках, а затем сварка.

5. В некоторых случаях целесообразно обеспечить свободное сокращение элементов от усадки, чтобы не вызывать искажений конструкции в целом. Например, нахлесточное, еще не сваренное соединение позволяет смещаться листам, не передовая остальной части конструкции усадку. Стыковое соединение листов выполняют до прикрепления их к другим частям конструкции.

6. В конструкциях с тонкостенными элементами швы располагают либо на жестких элементах, либо вблизи них.

7. Во всех случаях, когда есть опасения, что возникнут нежелательные искажения размеров и форм конструкций, проектирование ведут с учетом правки конструкции после сварки.

При разработке технологии и осуществления сварки используют следующие мероприятия:

1. Применяют рациональную последовательность сборочно-сварочных операций. Например, конструкцию расчленяют на отдельные узлы, которые могут быть по отдельности легко выправлены, а затем сварены между собой с минимальными отклонениями. Сложную балочную конструкцию наращивают элементами с определенной последовательностью. Сборку целесообразно вести от наиболее жесткого элемента.

2. Назначают экономичные способы и режимы сварки с минимальным тепловложением и таким характером искажений, который безвреден для качества конструкции.

3. Применяют соответствующую оснастку и приспособления для сборки и закрепления свариваемых элементов. Они эффективны для ликвидации временных перемещений.

4. Назначают размеры заготовок с учетом последующей усадки, например выставление переменного по длине зазора при электрошлаковой сварке, компенсация угла при сварке стыковых соединений, создание предварительной кривизны балки путем выкраивания стенки с кривизной.

5. Предварительной пластической деформацией заготовок перед сваркой создают перемещения, противоположные ожидаемым при сварке.

6. Искусственным охлаждением-подачей воды при контактной сварке, обдувом газоводяной смесью при других способах сварки; использованием охлаждающих подкладок и накладок в зажимных приспособлениях – уменьшают зону пластических деформаций.

7. Создают в зоне сварки приспособлениями или специальными установками напряжения растяжения, чтобы уменьшить усадочную силу. Способ применяют при сварке балок.

8. Создают непосредственно после сварки пластические деформации удлинения проковкой металла специальным инструментом или сварочным электродом при точечной контактной сварке

Для правки конструкций после сварки используют различные механические и термические способы.

Механические способы основаны на создании пластических деформаций удлинения с целью компенсации пластических деформаций укорочения, вызванных сваркой и включают гибку, растяжение, проковку, статическое осаживание металла по толщине под прессом для его удлинения в плоскости, вибрацию, прокатку.

Термические способы также основаны на создании пластических деформаций необходимого знака. При местных нагревах (термическая правка) создают пластические деформации укорочения. Нагрев проводится вне зон пластических деформаций, возникших при сварке.

Термическая правка путем общего нагрева детали при отпуске возможна только с использованием специальных приспособлений, так как напряжения снижаются как в зонах растяжения, так и в зонах сжатия.

В 2. Сварка в твердом состоянии: условия образования сварного соединения, примеры.

В последнее время показано, что металлы можно сваривать и при комнатных температурах без нагрева металла до высоких температур. Соединение металлов происходит в твердом состоянии вследствие образования металлических связей на свариваемых поверхностях при их совместном деформировании.

Сварка в твердом состоянии – это ряд сварочных процессов, при температурах существенно ниже точек плавления основного металла, без добавления присадочного металла или пайки твердого припоя. Давление к соединению может как прикладываться, так и нет. Например, холодная сварка, диффузионная сварка, кузнечная сварка, горячая сварка под давлением и сварка прокаткой.

Для идеального случая процесс образования металли­ческого соединения при холодной сварке можно предста­вить следующим образом. Предположим, что имеются два куска металла с абсолютно гладкими и чистыми по­верхностями. Так как металлы представляют собой кон­гломерат из положительно заряженных ионов и электро­нов, то взаимодействие между облаками электронов и ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, определяет монолитность и прочность кусков металла. При сближении двух металлических поверхностей проис­ходит коллективизация электронов, вылетающих из по­верхностей, в результате чего возникают силы взаимо­действия между поверхностями. При достаточном сбли­жении двух кусков металла образуется общее электрон­ное облако и, следовательно, единый агрегат.

Из приведенных выше рассуждений следует, что при сближении идеально гладких и идеально чистых поверх­ностей между ними самопроизвольно возникают межатом­ные силы взаимодействия, т. е. происходит образование прочного соединения.

Однако строение реальной металлической поверхно­сти весьма сложно и в значительной степени отличается от идеальной — ювенильной поверхности. Геометрия реальной металлической поверхности определяется ее волнистостью и шероховатостью. Волнистость характе­ризует геометрию поверхности в макроскопическом, а ше­роховатость — в микроскопическом масштабе. Нужно также отличать ультрамикронеровности. Геометрию по­верхности можно представить в виде двух кривых: кривой волны и частотной кривой шероховатостей, которые накладыва­ются на кривую волны.

Шероховатости могут быть очень разнообразны по вы­соте микровыступов и расстоянию между их вершинами. Вследствие наличия главным образом микронеровностей действительная площадь поверхностей металла во много раз превышает площадь, замеренную обычными ме­тодами. В верхних слоях металла сосредоточена значи­тельная поверхностная энергия, обусловленная наличием некомпенсированных металлических связей, дислока­ций, вакансий, что в совокупности с развитой поверхно­стью в микро- и ультрамикронеровности вызывает активное взаимодействие атомов металла, расположенных на по­верхности, с внешней средой.

Над металлической поверхностью существует облако непрерывно движущихся свободных электронов, покидаю­щих металл и снова возвращающихся в него. Благодаря этому процессу поверхность металла покрыта двойным электрическим слоем: минус — облако электронов и плюс — дырки верхних слоев металла (за счет покинув­ших металл свободных электронов). Плотность электри­ческого заряда двойного электрического слоя непостоянна по всей поверхности и зависит от ее микрогеометрии. Наибольший потенциал концентрируется на остриях микровыступов. Поэтому микровыступы — наиболее активные участки поверхности.

Вследствие высокой активности поверхностных слоев металла она всегда покрыта окислами, жидкими и газо­выми пленками. Идеально чистая (ювенильная) металли­ческая поверхность, свободная от окисных пленок и адсор­бированных слоев жидкостных и газовых молекул, мо­жет быть создана только в очень глубоком вакууме.

Вакуум 10^-9 мм рт. ст. не предохраняет поверхности металла от возникновения на них слоев из молекул газа. Ювенильная металлическая поверхность может существовать очень короткие моменты времени в изломе металла при совместном деформировании двух частей металла в местах их соприкосновения или после его механической обработки. После механической зачистки поверхности металла в атмосфере сухого воздуха на ней образуется оксидная пленка.

На воздухе микровыступы и впадины поверхности многих металлов, кроме так называемых благородных (золото, платина и др.), мгновенно покрываются пленками окислов, а также слоями адсорбированных молекул газов, воды и жировых веществ. Толщина и последовательность расположения таких пленок может быть различной. Однако непосредственно на поверхности металла обычно находится пленка окислов (рис.02-04, слой А).

Рис. 02-04. Строение поверхности металла в воздушной атмосфере:

А — глубинный слой металла, не затронутый пластическими деформациями;

Б — поверхностный слой полностью разориентированных кристаллитов с про­слойкам окислов;

В — окисный слой, характерная полярность внутренних и внешних границ, а также полярность верхних слоев металла показаны зна­ками «+» и «-»;

Г — адсорбированный слой кислородных анионов и нейтраль­ных молекул воздуха;

Д — слой водяных молекул;

Е — слой жировых моле­кул;

Ж — ионизированные пылевые частицы

Слой окислов сохраняет на границе с металлом отри­цательный потенциал против положительного потенциала самого металла. Наружная поверхность слоя окислов имеет положительный потенциал и они адсорбируют ки­слород, имеющий отрицательный потенциал. Таким образ ом, поверхность металла покрывается двумя двойными электрическими слоями. Окисные пленки обычно очень хрупкие и обладают высокой твердостью.

Кроме пленки окислов, поверхность металлов покрыта газовыми молекулами, жировыми пленками и парами воды. Толщина этих пленок различна. Например, толщина пленки паров воды составляет 50 - 100 молекул. Жировые слои имеют большую толщину. Полностью удалить масляные пленки с металла практи­чески невозможно никакими растворителями, поскольку адсорбционная связь жировых молекул и металла пред­ставляет собой чисто электрическую связь. Полярные жировые молекулы образуют с металлом двойной элек­трический слой, что и обеспечивает весьма прочную связь металла и пленки одномолекулярной толщины. После промывки металла бензином слой органических молекул составляет 1 - 5 мкм, и только при особо тщательной обра­ботке растворителями сохраняется жировая пленка тол­щиной 10 - 100 молекулярных слоев.

Сложное строение реальной металлической поверх­ности существенно меняет картину взаимодействия поверх­ностей при их сближении.

Образование прочного сварного соединения реальных металлов при сварке в твердой фазе совместным деформи­рованием происходит в три условных этапа: