Deformace a pnutí při svařování: základní metody eliminace

Svářeč musí sledovat nejen správný tvar švu, ale také předvídat dopad svařování na budoucí konstrukci. Vzhledem k tomu, že během elektrického svařování nebo spalování plynem se kov lokálně zahřeje na 3000-5000 ⁰C a zbytek zůstává studený, vznikají vnitřní pnutí, která deformují výrobek. Takové fyzikální jevy nejen kazí vzhled produktu, ale také vedou ke zničení kloubů, které jsou vystaveny dodatečnému namáhání. Podívejme se podrobněji na to, jak vnitřní napětí vznikají, jaké jsou jejich typy a co dělat, abychom jim zabránili nebo je odstranili.

V tomto článku:

• Příčiny napětí a deformace při svařování
• Výskyt napětí a deformací kovu
• Jak se klasifikují deformace během procesu svařování?
• Jak zabránit deformaci při svařování
• Boj proti zbytkovému napětí a deformaci

Co je napětí a deformace kovu

Nejprve si tyto jevy definujme. Svařovací napětí – jedná se o mechanický efekt generovaný v zóně svařování a ovlivňující samotný spoj a okolní strukturu.

• protahování;
• kompresní;
• ohýbání;
• kroucení.

Deformace svařování je změna tvaru konstrukce vlivem vnitřní síly (napětí) nebo změna struktury materiálu. K některým deformacím dochází okamžitě, zkreslují parametry výrobku, jeho rovinu a symetrii. Další deformace se objevují později v podobě změny rozměrů, koroze a destrukce svarů.

Nejjednodušší příklad napětí a deformace nastane, když jsou dva tenké plechy oceli spojeny souvislým jednostranným svarem. Výsledkem je, že výrobek ztrácí svou rovinnost, protože se plechy ohýbají a přitahují k sobě, struktura získává tvar V. Čím více švů, průchodů a složitosti výrobku, tím vyšší je pravděpodobnost vnitřního pnutí.

Možnost dalšího provozu konstrukce závisí na stupni deformace. V některých případech se to stává nemožným nebo nebezpečným, takže svářeči musí znát příčiny těchto jevů a v rámci možností jim předcházet nebo je napravovat.

Proč při svařování dochází k pnutí a deformacím?

Hlavním důvodem namáhání kovu při svařování je lineární roztažnost od ohřevu. Vzhledem k tomu, že se materiál v oblasti stehu velmi zahřeje, ale v ostatních částech zůstává studený nebo mírně teplý, dochází k fyzickému nárazu. Když se šev ochladí, stáhne se a táhne s sebou připojené strany obrobku, což vede k deformaci.

K pnutí nevyhnutelně dochází při svařování dvou různých materiálů, jako je běžná a uhlíková ocel nebo uhlíková a vysoce legovaná ocel. Mají různé teploty tání a podle toho i koeficienty tepelné roztažnosti. Jeden materiál natahuje druhý, pokud jsou pevně spojeny.

Strukturální změny jsou možné, když je materiál vytvrzen během procesu ohřevu ze svařování. Jeho hustota a objem se mění a napětí působí na sousední oblasti a způsobuje v nich trhliny. Toto jsou přirozené důsledky procesu svařování a níže si probereme, jak jim předcházet a jak jim předcházet.

Mezi sekundární příčiny napětí a deformace patří:

Rychlé ochlazení materiálu obrobku. Svářeči spěchají, aby pokračovali v práci, ale kvůli vysoké teplotě nemohou udržet svařované díly, takže je ponoří do nádoby se studenou vodou nebo je nasypou nahoru. Nesprávné výpočty svařování. Je třeba vzít v úvahu, kde se kov při zahřátí roztáhne, a udělit pro to tolerance. Chyby při montáži. Nedodržení vůlí specifikovaných na výkresech nebo svařování bez řezných hran v případě potřeby povede k nadměrnému namáhání a deformaci konstrukce. Malá vzdálenost mezi švy. Pokud umístíte stehy blízko u sebe, povrch se nevyhnutelně přehřeje a roztáhne a poté se stáhne. Při navrhování konstrukce je důležité umístit švy v dostatečné vzdálenosti od sousedních spojů. Chyby při výběru režimu svařování. Příliš vysoký proud, nesprávně zvolený průměr elektrody nebo nesprávný úhel držení hořáku vedou k přehřívání dílů a zkreslování konstrukčních parametrů. Chyby v posloupnosti stehů. Zkušení svářeči vědí, že namáhání kovu lze kontrolovat vyrovnáváním výrobku střídáním svarů na různých místech. Bez přísného sledu a střídání topných stran se výrobek jednoduše ohne do oblouku.

Některé deformace v určitých strukturách jsou nevyhnutelné a jejich projevy lze pouze omezit. Jiné jsou přímým důsledkem porušení technologie práce a přítomnost nebo nepřítomnost takových deformací ve struktuře závisí pouze na zkušenostech svářeče.

Jak se klasifikují deformity?

Jak jsme viděli dříve, na základě důvodů jejich vzniku jsou napětí a deformace dvou typů: tepelný и strukturální. První z nich jsou spojeny s vystavením vysokým teplotám a chlazení a druhé se změnou krystalové mřížky. Někdy se oba typy stresu a napětí vyskytují současně.

V místě, kde se objeví napětí, může být místní (ve švu, spoji, jedné části obrobku) popř v celé konstrukci. Například špatně svařená plechová nádoba bude celá hrudkovitá (stěny budou zvlněné) nebo se strany stanou konkávními.

Podle směru deformací se rozlišují: lineární (zobrazí se pouze jedním směrem) ploché (rozbíhají se v různých směrech podél roviny) a trojrozměrný (ovlivňuje tři osy konstrukce).

Podle doby působení je napětí dočasný и reziduální. První nastává během procesu svařování a zmizí po vychladnutí dílů. Deformace, i když se objevily, také zmizí, proto se nazývají plasty (samotný kov má správný tvar). Ve druhém případě působí napětí v materiálu i po ochlazení dílů a deformace z něj vyplývající jsou považovány za elastické.

Jak zabránit deformaci při svařování

Často je možné omezit nebo zabránit vzniku deformací během svařování ve fázi návrhu a montáže poskytnutím prostoru pro smrštění materiálu. Například svářeč potřebuje spojit dva sloupky s příčnými obloukovými nebo lichoběžníkovými propojkami, aby dodržel středovou vzdálenost přesně 500 mm (nebo 400, 600 mm). Při montáži uspořádejte díly tak, aby středová vzdálenost byla 503 mm. Po svařování vznikne napětí, které přitáhne strany k sobě a šířka ve středu stojanů bude přesně 500 mm. Tolerance jsou obdobně stanoveny pro ostatní strany, pak bude výrobek odpovídat parametrům uvedeným na výkresech.

Další příklad montáže se zamezením deformace. K trubkovému stojanu o tloušťce stěny 1,5 mm musí být přivařeno 6-10 dalších prvků (trubek), ale všechny budou umístěny na jedné straně. Četné švy tuto stranu nejprve zahřejí a poté ji utáhnou, čímž se sloupek nevyhnutelně ohne. Když to pochopíte, zpočátku jej mírně ohněte v opačném směru. Nejlépe je použít šablonu s možností fixace (uchycení), kdy se pod spodní středovou část výrobku umístí měděné podklady tloušťky 3-4 mm. Zbývající prvky jsou přivařeny k takovému stojanu a po uvolnění svorek se vyrovná.

Samozřejmě ve výše uvedených příkladech nelze určit okem určení šířky tolerance pro následné utažení nebo tloušťku substrátů pro záměrné ohýbání. Vše závisí na počtu švů a tloušťce svařovaného kovu. Proto se nelze obejít bez speciálních výpočtů. Pokud však výrobek není příliš kritický, můžete tolerance určit testováním na hrubých polotovarech.

Mezi další techniky, které svářeči používají, aby zabránili zkreslení, patří:

• Střídavé umístění cvočků na obou stranách, aby odolalo vnitřním utahovacím silám.
• Přelamování dlouhých švů na kratší.
• Svařování dlouhých úseků metodou obráceného kroku.
• Zkrácení délky spojů, pokud to neovlivní pevnost konstrukce.
• Svařování sousedních paralelních švů v různých směrech tak, aby se napětí z nich navzájem kompenzovalo.
• Snížení teploty snížením proudu, přerušované obloukové svařování nebo pulzní svařovací stroje (Pulse) (relevantní pro svařování hliníku a tenkých kovů).
• Pokud je to možné, snižte počet průchodů.
• Fixace obrobků a sestav v přípravcích, zabraňující pohybu dílů při svařování.
• Střídavé překrytí na každé straně v případě oboustranného svařování.
• Snížené zahřívání díky umístění tenkých plechů na měděné desky, které absorbují teplo.

Je důležité nedávat vedle sebe více než tři stehy různých směrů. Míru namáhání ovlivňuje tvar konstrukce. Například rám auta ve tvaru C je povoleno svařovat pouze podélně (aplikují se podélné švy), nikoli příčné, jinak se nosník ohne.

Boj proti zbytkovému napětí a deformaci

Zbytková napětí jsou eliminována tak, aby neovlivňovala spoje a celou konstrukci nejúčinněji žíháním. Produkt se umístí do pece, komory nebo se připojí ke zdroji indukčního ohřevu a zahřeje se na teplotu 550-680 ⁰C. U výrobků ze silnostěnných materiálů je poskytována určitá doba žíhání (několik minut až několik hodin), aby se konstrukce dostatečně zahřála. Výrobek se pak nechá pomalu vychladnout spolu s pecí.

To může trvat den nebo déle, ale pouze v tomto případě je napětí ve vysokopevnostní oceli zcela uvolněno. Pokud tak neučiníte, dojde k vnitřnímu napětí, které zničí šev nebo tepelně ovlivněnou oblast.

Někdy ke zmírnění stresu stačí lokální zahřátí produktu. To se provádí pomocí plynových hořáků nebo ručních hořáků připojených k propanovým a kyslíkovým lahvím. Teplota 800 ⁰C a mírný tlak na studený okraj konstrukce umožňují dosažení správné polohy. U trubkových dutých prvků byste měli být obzvláště opatrní, abyste nezničili kruh zploštěním válcové části.

Vzniklé zbytkové deformace jsou eliminovány mechanickým působením vytvářeným tlakem. Pro velké tlusté díly se používá hydraulické zařízení (lis, tyče). Malé struktury z tenkého plechu se vyrovnávají údery gumových paliček, aby na kovovém povrchu nezůstaly promáčkliny. Náraz by měl být v opačném směru.

Dalším způsobem mechanického odstranění deformací je válcování materiálu nebo válcování. Vhodné pro plechové a ploché výrobky. Díky systému válečků a válečků se konstrukce ohýbá v opačném směru.

Napětí a deformace při svařování kovů jsou nevyhnutelné. Ale pochopením jejich povahy a znalostí jejich charakteristických rysů se můžete naučit je zvládat a minimalizovat je. V ostatních případech je důležité vědět, jak výrobek opravit a dát mu rovnoměrný, symetrický vzhled.

Odpovědi na otázky: zda se stát svářečem – klady a zápory profese

Jak přivařit profilovou trubku k rovině pod úhlem 90⁰?
Skrýt Další podrobnosti

Aby nedošlo k deformaci, zejména k výplni rohů, nejprve umístěte jeden spon, vyrovnejte trubku a upevněte ji druhou sponkou na opačné straně. Podobně jsou postupně uchopeny další dvě strany. Svařování se provádí ve stejném pořadí, aby se vertikální část nepohybovala.

Jak kritická je deformace se stranovou odchylkou 0,5⁰?
Skrýt Další podrobnosti

Vše závisí na velikosti produktu. Na malé konstrukci dlouhé 20 cm to nemusí být vůbec znát. Pokud je však délka svařované trubky 1 m, bude druhá hrana blokována o 15 mm. Pokud je velikost přepážky 2 m, bude rozdíl mezi okraji 3 cm.

Pomůže svorka zabránit deformaci při svařování produktu?
Skrýt Další podrobnosti

Ano, správně umístěné svorky slouží jako stejné příchytky na zadní straně, nedovolí, aby kov při krystalizaci stáhl svařované díly. Je důležité svařit výrobek ze tří stran a teprve poté odstranit svorky, abyste svařili čtvrtou stranu.

Jaký kov je potřeba žíhat, aby se eliminovalo pnutí?
Skrýt Další podrobnosti
Obvykle se žíhá vysokopevnostní ocel, jako je uhlíková ocel.
Co byste neměli dělat při svařování v zimě?
Skrýt Další podrobnosti

Čerstvě svařený výrobek neházejte do sněhu ani jej nepokládejte na led, aby se ochladil. Struktura zeslábne a švy mohou prasknout.

Kam jde kov při umístění švu?
Skrýt Další podrobnosti

Obvykle je obrobek tažen ve směru, ze kterého je aplikován šev. Pokud bylo svařování provedeno na horní přírubě profilové trubky, bude obrobek vytažen nahoru. Pokud zespodu – dolů. Pochopení tohoto pomůže začínajícímu svářeči předvídat napětí a napětí, ke kterému dojde, aby mohl součást správně upnout.

Deformace kovu při svařování je jev, který vede k porušení geometrie výrobků a následně k vadným výrobkům. To lze pozorovat i při práci zkušených svářečů. Dodržování řady pravidel umožňuje snížit pravděpodobnost deformace a získat vysoce kvalitní a spolehlivé spojení.

Existuje mnoho důvodů pro deformaci kovu během svařování. O tom, s čím jsou spojeny, jaká opatření jsou přijata k prevenci tohoto jevu a co dělají pro jeho nápravu, si přečtěte v našem materiálu.

Příčiny deformace kovu při svařování

Pokud je kovový předmět vystaven mechanickému namáhání, dochází v něm k napětí a deformaci. První je charakterizována silou tlaku vyvíjeného na jednotku plochy. Druhým je porušení rozměrů a tvaru výrobku vlivem síly.

Stresy se objevují po částech pod vlivem téměř jakéhokoli úsilí. Může to být natahování, ohýbání, mačkání nebo řezání. Během svařování je třeba pečlivě sledovat jak napětí, tak napětí. Při překročení přípustných hodnot může dojít ke zhroucení konstrukce (částečně nebo úplně).

Doporučené články o kovoobrábění

• Třídy oceli: klasifikace a interpretace
• Druhy hliníku a oblasti jejich použití
• Vady kovových výrobků: příčiny a metody hledání

Deformace při svařování vznikají pod vlivem různých typů napětí objevujících se uvnitř výrobku. Odborníci spojují hlavní důvody jejich vzhledu do dvou velkých skupin: hlavní, které jsou považovány za nevyhnutelné a neustále se objevují při svařování, a také doprovodné, jejichž odstranění je docela možné.

Mezi hlavní příčiny deformace a napětí během svařování patří:

• Konstrukční úpravy, které při působení na kov způsobují napětí (tahové a tlakové). K tomu dochází při ochlazování dílů vyrobených ze slitin nebo slitin s vysokým obsahem uhlíku. V tomto případě jsou narušeny rozměry výrobku a také zrnitost materiálu. V důsledku toho se změní počáteční objem, což vede ke zvýšení napětí uvnitř součásti.
• Nerovnoměrné vytápění. Primárnímu ohřevu během svařování je vystavena pouze pracovní plocha výrobku. S rostoucí teplotou se materiál roztahuje a ovlivňuje mírně zahřáté vrstvy kovu. Při přerušovaném ohřevu dosahuje koncentrace napětí svaru vysokých hodnot. Jeho indikátor závisí na provozní teplotě, tepelné vodivosti materiálu a úrovni lineární roztažnosti.
• Slévárenské smrštění. Vyskytuje se při krystalizaci materiálu, je charakterizován zmenšením objemu kovu a vzniká v důsledku svařovacího napětí (podélného a příčného), které se objevuje při procesu smršťování taveniny.

Namáhání při svařování může být způsobeno nejen mechanickými vlivy. Slitiny různých kovů mají obecně své vlastní deformace a napětí. Dělí se na dočasné a zbytkové. Plastická deformace kovu při svařování způsobuje zbytkovou deformaci, která nezmizí ani po ochlazení materiálu. Dočasné vznikají při svařování pevně fixované části.

Boční nebo doprovodné deformace během svařování zahrnují:

• jakékoliv odchylky od norem v technologickém postupu – příkladem může být špatná příprava dílu pro svařování, nesprávná volba elektrody, porušení svařovacího procesu apod.;
• nesrovnalosti a chyby vzniklé v návrhu výrobku – může to být nesprávně zvolený typ švu, často umístěné spoje, malá mezera mezi svary atd.;
• nízká profesionalita a malá zkušenost mistra.

Téměř každá chyba může způsobit koncentraci napětí ve svaru. Kvůli nim vznikají technologické závady ve spoji: neproniknutí, praskliny, bubliny a jiné závady.

Druhy deformací kovů po svařování

Existuje několik druhů stresu. Liší se časovým intervalem (dobou působení), povahou vzhledu a dalšími faktory.

Níže je uvedena tabulka možných napětí (jaká nastávají a proč se ve svaru objevují).

Povaha vzhledu
Typ napětí
Důvod porušení
Z důvodů výskytu
Nerovnoměrné zahřívání způsobené změnami teploty během svařování
Strukturální

Pokud se kov zahřeje nad maximální nastavenou teplotu, dochází ke změnám ve struktuře materiálu

Na celý život
Objeví se během fázových modifikací, ale zmizí během chlazení
Reziduální
Zůstává v detailu i po odstranění příčin výskytu
Podle dotčené oblasti
Dostupné ve všech provedeních
Vyskytuje se výhradně v zrnech kovové konstrukce
Přítomný v krystalové mřížce materiálu
Podle směru dopadu
Podélný
Objevuje se podél linie švu
Příčný
Umístěno napříč osou spoje
Děje se to pouze jedním směrem
Podle stavu napětí
Rovinný
Šíří se dvěma různými směry
K nárazu dochází ve třech osách

Během procesu svařování dochází k následujícím typům deformace:

• Místní i obecné. Při lokálních deformacích podléhají změnám pouze části konstrukce. Obecné deformují výrobek zcela a okamžitě, mění jeho rozměry a ohýbají geometrickou osu.
• Dočasné a konečné. Zbytkové (konečné) deformace zůstávají ve výrobku i po vychladnutí, přičemž se v určitých okamžicích objevují přechodné.
• Elastické a plastové. Když se tvar a rozměry výrobku po dokončení svařování obnoví, je deformace považována za elastickou. V přítomnosti trvalých vad – plast.

Materiál může být deformován mimo rovinu svařovaného výrobku nebo uvnitř ní.

Vícesměrné síly působící vzhledem k průřezu materiálu vedou ke vzniku různých napětí: tlaku nebo ohybu, tahu, kroucení, smyku.

Zkoušení svarů a výpočet deformací kovu při svařování

Švy musí být testovány na spolehlivost a pevnost spojů. Při kontrole se také kontroluje přítomnost závad. To vám umožní rychle odhalit a odstranit vady, které vznikají během procesu svařování.

Existuje několik typů ovládání, které vám umožní najít nedostatky:

• destruktivní – proces, který se často používá v průmyslových podnicích, umožňuje testovat fyzikální vlastnosti švu;
• nedestruktivní – zahrnuje vnější kontrolu švu, ultrazvukovou nebo magnetickou detekci defektů, kapilární metodu, testování propustnosti a další metody.

Při výrobě svařovaných konstrukcí je důležité určit pravděpodobná napětí a deformace během práce. Důvodem je, že mění tvar a velikost výrobku, snižují jeho pevnost, což vede ke změnám ve výkonu struktury, které zdaleka nejsou k lepšímu.

Je nutné pečlivě vypočítat deformace a napětí při různých procesech svařování, správně naplánovat sled operací tak, aby v důsledku toho bylo na konstrukci aplikováno minimální napětí a počet defektů měl tendenci k nule.

Metody eliminace deformace kovu při svařování

Deformaci materiálu, ke které dochází při svařování, lze odstranit rovnáním. Může být za studena mechanické, termomechanické a tepelné, včetně lokálního i obecného vytápění. Před provedením posledně jmenovaného je výrobek pevně upevněn v zařízení, které vyvíjí tlak na variabilní části konstrukce. Poté se vloží do předehřáté trouby.

Podstatou tepelné metody je stlačování kovu při jeho ochlazování. Dochází k procesu zahřívání natažené oblasti hořákem nebo obloukem. Materiál obklopující topnou plochu musí zároveň zůstat studený, což zabraňuje výraznému rozpínání horké plochy. Poté, jak se produkt ochladí, struktura se postupně narovná. Tato metoda je nejvhodnější pro eliminaci deformací nosníků, pásů plošného materiálu atd.

Principem rovnání za studena je neustálý dopad zatížení na výrobek. K tomuto účelu se používají různé lisy a válce, které existují pro válcování dlouhých struktur podél nich. Ke korekci deformací tahových konstrukcí se používá tepelné rovnání. Nejprve se shromáždí přebytečný kov a poté se problémová oblast zahřeje.

Těžko říct, která metoda je výhodnější. Pro každý typ, umístění (vně nebo uvnitř), charakteristiky deformace a napětí, jakož i rozměry a tvar výrobku existují způsoby, jak je eliminovat. Důležité jsou mzdové náklady a účinnost metody.

Způsoby, jak se vyhnout deformaci kovu při svařování

Odstraňování problémů je mnohem obtížnější než jim předcházet. Tento axiom platí stejně pro svařování. Manželství vždy vede k dalším finančním investicím. K jeho prevenci je nutné zaměřit se na opatření, která pomáhají bojovat proti deformacím a namáháním.

Při zodpovězení otázky, jak se vyhnout nebo minimalizovat deformaci při svařování plechu, byste měli pamatovat na vztah mezi příčinami výskytu a preventivními opatřeními. Před zahájením práce je proto třeba vše pečlivě vypočítat a připravit. Teprve po dokončení této etapy bude možné svařovat kovové konstrukce.

Síla působící na konstrukci je přímo úměrná stupni její deformace. To znamená, že čím větší síla působí na výrobek, tím větší je jeho deformace.

• Navazování a předehřívání Tyto druhy ohřevu pomáhají zlepšit kvalitativní vlastnosti jak samotného svarového spoje, tak i oblastí nacházejících se v jeho bezprostřední blízkosti. Kromě toho se snižují plastické deformace a zbytkové napětí. Tato metoda se nejčastěji používá pro slitiny, které jsou náchylné k tvrdnutí a vzniku krystalizačních trhlin.
• Šití v opačném pořadí Pokud je délka větší než 1 000 mm, šev se rozdělí na díly o délce 100 až 150 mm. Nový spoj se vytvoří v opačném směru od hlavního svařování. V tomto případě se kov zahřívá rovnoměrněji, což snižuje deformaci. Tato metoda není metodou sekvenční aplikace.

• Kování švů Zahřátý i studený materiál podléhá kování. Zdá se, že náraz roztlačí kov od sebe. Tím se snižuje napětí v tahu. Tato metoda se nepoužívá u konstrukcí vyrobených z kovu, který je náchylný k tvorbě tvrdnoucích struktur v něm.
• Vyrovnání deformací Podstatou metody je zvolit pořadí, ve kterém bude třeba provést švy. Nový šev musí nutně vytvořit deformaci, která bude působit proti předchozímu. Tato metoda se často používá při svařování oboustranných spojů.
• Pevné upevnění dílů Svařování předchází pevné a tuhé upevnění výrobku v přípravcích. Po dokončení procesu se konstrukce zcela ochladí a poté se odstraní z upevňovacího prvku. Významnou nevýhodou metody je pravděpodobnost vnitřního pnutí ve výrobku.
• Tepelné zpracování Svařování bez deformace kovu lze provádět tepelným zpracováním. Současně se výrazně zlepší vlastnosti spoje a okolního kovu, sníží se napětí uvnitř výrobku a vyrovná se struktura švu. Popouštění, žíhání (skládající se z nízkoteplotního nebo plného) a normalizace jsou operace, které tvoří tepelné zpracování kovu. Normalizace je považována za optimální způsob zpracování švů výrobků vyrobených z nízkouhlíkových ocelí.

Vedoucí obchodního oddělení