Сварочные деформации: почему ведёт металл, виды поводок и как их уменьшить

Почему ведёт металл

Если деталь равномерно нагреть в печи и так же равномерно остудить, она вернётся к прежним размерам. При сварке нагрев местный. Механизм такой: металл у шва нагрет сильнее всего и расширяется, а холодный металл вокруг его сдерживает. При остывании шов и соседний металл сокращаются, и неравномерная усадка оставляет деформацию — сварочные деформации.

Насколько сильно металл расширяется, показывает простая формула.

Пример. Полоса длиной 1000 мм свободно нагрета от 20 до 500 °C, ΔT = 480 K. Средние коэффициенты по справочным данным: 11,7·10⁻⁶ 1/K для углеродистой стали (интервал 20–628 °C) и 17,6·10⁻⁶ 1/K для аустенитной нержавеющей (20–500 °C). Расчёт оценочный.

• Углеродистая сталь: 11,7·10⁻⁶ · 1000 · 480 ≈ 5,6 мм.
• Аустенитная нержавейка: 17,6·10⁻⁶ · 1000 · 480 ≈ 8,4 мм.

Нержавейка расширяется в полтора раза сильнее и хуже отводит тепло, поэтому её ведёт сильнее. Алюминий меняет размер почти вдвое сильнее стали. Подробнее о них — в уроке «Нержавейка и алюминий».

Виды деформаций

Различают шесть видов сварочных деформаций.

• Поперечная усадка — детали стягиваются к шву поперёк него, узел становится уже.
• Продольная усадка — шов укорачивается вдоль своей оси и укорачивает деталь.
• Угловая деформация — кромки поворачиваются вокруг шва. Её усиливает каждый новый проход в многопроходных угловых швах и в V-образной разделке с одной стороны.
• Изгиб (выгиб) — шов, смещённый от середины сечения, укорачивает одну сторону балки, и она прогибается.
• Поворот кромок — ещё не сваренные кромки впереди дуги сходятся или расходятся, зазор меняется.
• Потеря устойчивости — тонкий лист от сжатия при усадке выпучивается волнами.

У сварного двутавра поясные угловые швы загибают края полок к стенке — это грибовидность — и выгибают балку по длине. ГОСТ 23118-2019 (табл. Б.1, пп. 1.2 и 1.3) ограничивает перекос стенки относительно полки и грибовидность полки: не более 0,005B в стыках и местах примыкания и 0,01B в прочих местах, где B — ширина полки.

Меньше наплавленного металла

Чем больше металла наплавлено, тем больше тепла и усадки. Перевар — одна из самых частых причин сильных деформаций. Что может сделать сварщик:

• Катет — как на чертеже. Больше катет — заметно больше наплавки, а прочности по требованиям чертежа это не добавляет. Поэтому у сварщика должен быть шаблон для контроля катета.
• Сборка без лишнего зазора. Широкий зазор приходится заполнять металлом, в стыковых швах контролируют разделку, сборку и усиление. Сборка разобрана в уроке «Подготовка кромок и сборка».
• Меньше проходов. Несколько крупных валиков лучше множества мелких, каждый новый проход добавляет угловую деформацию.
• Прерывистые швы, если они на чертеже. Объём сварки при этом можно уменьшить до 70 %. Сплошной шов вместо прерывистого «для надёжности» добавляет деформации.

Решения конструктора — X-образная разделка вместо V-образной, швы ближе к центру тяжести сечения — сварщик не меняет, но должен понимать, зачем они. X-образная разделка требует примерно вдвое меньше металла, чем V-образная.

Порядок сварки

Порядок наложения шва выбирают так, чтобы тепло и усадка не копились с одного конца. Основные способы — напроход, обратноступенчатый, симметричный и вразброс.

• Обратноступенчатая сварка. Шов делят на участки. Общее направление одно, но каждый участок варят в обратную сторону — к уже сваренному. Предыдущий участок «запирает» следующий.
• От середины к краям. Усадка уходит к свободным концам, а не копится в одном. СП 70.13330.2012 (п. 10.1.16) для монтажных соединений требует: шов короче 300 мм варить в одном направлении, длиннее — от середины к краям в двух направлениях.
• Вразброс. Короткие участки в разных местах шва, чтобы не перегревать одно место. Для тонкого металла рекомендуют обратноступенчатую сварку и сварку вразброс.
• Симметрично. Двусторонние швы — поочерёдно с разных сторон, а лучше одновременно двумя сварщиками. Одинаковые швы по обе стороны от центра сечения уравновешивают друг друга.

Порядок сварки ответственного узла задаёт технологическая карта. Если в ней порядок указан, отступать от него нельзя: он рассчитан на этот узел.

Обратный выгиб и закрепление

Обратный выгиб. Детали собирают с наклоном или выгибом в сторону, противоположную будущей деформации, и усадка приводит их в нужное положение. Величину выгиба подбирают пробными сварками, а потом держат размер шва постоянным — иначе выгиб уже не совпадёт с усадкой.

Закрепление. Детали зажимают на жёсткой плите струбцинами или в **кондукторе**, используют также клинья. Узлу дают остыть в кондукторе. Без кондуктора ставят частые прихватки, на аустенитной нержавейке — чаще, чем на углеродистой стали.

Сборка спиной к спине. Два одинаковых узла стягивают вместе, сваривают и разжимают только после остывания. Прокладки между ними дают ещё и обратный выгиб.

Теплоотвод. Помогают медные подкладки у шва. Дугу держат подальше от меди: медь в шве вызывает трещины.

Влияет и режим. Меньше погонная энергия — меньше деформация: быстрее и ровнее шов — меньше тепла на миллиметр. Как её посчитать, разобрано в уроке «Режимы сварки».

Правка

Если узел всё же повело, его правят. Для этого в деформированном месте создают пластическую деформацию — механически, на прессе или домкратами, либо нагревом, например газовым пламенем.

• СП 70.13330.2012 допускает правку без нагрева только для плавно деформированных элементов; остальное правят с нагревом.
• ГОСТ 23118-2019 и СП 70.13330.2012 требуют править так, чтобы не оставались вмятины, забоины и другие повреждения проката.
• Нержавейку и термоупрочнённый алюминий нагревом правят только по согласованию с технологом. У аустенитной нержавейки примерно при 430–870 °C выпадают карбиды хрома, и стойкость к межкристаллитной коррозии падает. У термоупрочнённого алюминия нагрев снимает упрочнение.

Правка — это лишняя работа и риск для металла. Дешевле не допустить деформацию, чем исправлять её.

Что проверить перед сваркой

• Катет и длина швов — по чертежу, шаблон для контроля катета под рукой.
• Зазоры в сборке не больше допустимых, прихватки стоят часто и в нужном порядке.
• Порядок сварки известен: по технологической карте или обратноступенчатый, от середины, симметрично.
• Обратный выгиб, если он нужен, выставлен по результатам пробной сварки.
• Узел закреплён в кондукторе или струбцинами и будет остывать закреплённым.