Сварочные деформации: виды, причины и как уменьшить коробление при конструировании и сварке

Откуда берутся деформации

Если деталь равномерно нагреть в печи и так же равномерно остудить, она вернётся к исходным размерам. При сварке всё иначе. ESAB описывает механизм так: нагрев местный, зона у шва расширяется сильнее всего, а менее нагретый металл вокруг её сдерживает. При остывании шов и соседний металл сокращаются, и неравномерная усадка в сочетании с этим сдерживанием оставляет деформации.

Масштаб задаёт тепловое расширение. Оценим удлинение полосы длиной 1 м при нагреве от 20 до 500 °C.

Коэффициенты — по IMOA: 11,7·10⁻⁶ 1/K для углеродистой стали и 17,6·10⁻⁶ 1/K для аустенитной нержавеющей (для углеродистой он дан до 628 °C, поэтому расчёт оценочный).

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

Нержавейка удлиняется в полтора раза больше, а теплопроводность у неё, по IMOA, около 28 % от углеродистой стали: тепло держится у шва. Поэтому тонкий лист AISI 304 ведёт сильнее, чем чёрный. Ферритные нержавеющие стали, по Outokumpu, коробятся меньше аустенитных. Алюминий, по ESAB, расширяется почти вдвое сильнее стали и проводит тепло примерно в пять раз лучше.

Виды деформаций

Kobelco выделяет шесть видов: поперечная усадка, продольная усадка, продольный изгиб, угловая деформация, поворот кромок и потеря устойчивости.

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

Величина каждого вида, по Kobelco, зависит от металла и технологии сварки. Надёжные цифры дают пробные сварки на своём изделии.

Что заложить в конструкцию

Самые дешёвые меры — на чертеже. Рекомендации ESAB:

• Не переваривать. Перевар ESAB называет самой частой причиной сильных деформаций. Катет угловых швов — не больше, чем на чертеже, сварщику — шаблон для контроля. В стыковых швах контролируют разделку, сборку и усиление.
• Выбрать разделку. При большой толщине двусторонняя X-образная разделка требует примерно вдвое меньше наплавленного металла, чем V-образная. J- и U-образные разделки тоже сокращают объём наплавки.
• Прерывистые швы вместо сплошных, если позволяет прочность. По ESAB объём сварки при этом можно уменьшить на 70 %.
• Швы — ближе к нейтральной оси и симметрично ей. Нейтральная ось проходит через центр тяжести сечения: чем ближе шов, тем меньше плечо у сил усадки. Одинаковые швы по обе стороны от оси уравновешивают друг друга.
• Меньше швов вообще. Гнутый профиль, прессованный профиль, литьё или поковка вместо сварного узла убирают часть сварки.

Типы соединений и обозначение швов на чертеже — в статье «Сварные соединения и обозначение швов».

Порядок сварки

ESAB советует брать процесс с высокой скоростью сварки и делать шов за наименьшее число проходов: несколько крупных валиков лучше множества мелких. Lincoln Electric уточняет для массивных конструкций без закрепления: много мелких валиков дают больше суммарной деформации, чем несколько крупных.

Порядок наложения шва выбирают так, чтобы тепло и усадка не накапливались с одного конца. Kobelco приводит сварку напроход, обратноступенчатую, симметричную и вразброс.

• Обратноступенчатая сварка. Общее направление — одно, но каждый участок варят в обратную сторону. ESAB объясняет: предыдущий участок «запирает» следующий. Lincoln Electric рекомендует обратноступенчатую сварку и сварку вразброс для тонкого металла.
• От середины к краям. ESAB советует варить узел от центра наружу.
• Двусторонние швы — поочерёдно с разных сторон, а лучше одновременно двумя сварщиками.

Обратный выгиб, прихватки и кондукторы

Обратный выгиб. Детали собирают с предварительным наклоном или выгибом в сторону, противоположную будущей деформации, и усадка приводит их в нужное положение. ESAB подчёркивает: величину выгиба подбирают пробными сварками, а дальше важно держать размер шва постоянным.

Кондукторы и прихватки. Детали зажимают на жёсткой плите струбцинами — Kobelco приводит также клинья. Lincoln Electric советует давать узлу остыть в кондукторе. Без кондуктора ставят частые прихватки. IMOA для аустенитной нержавейки рекомендует ставить их чаще, чем на углеродистой стали.

Сборка спиной к спине. ESAB описывает приём: два одинаковых узла стягивают вместе, сваривают и разжимают только после остывания. Между ними можно поставить прокладки — получится и обратный выгиб.

Теплоотвод. Lincoln Electric рекомендует медные подкладки у шва, а при стыковой сварке нержавейки толщиной 2 мм и меньше — медную подкладку под стык обязательно. Дугу держат подальше от меди: медь в шве вызывает трещины.

Правка

Если узел всё же повело, его правят. По Kobelco для этого в деформированном участке создают пластическую деформацию — механически, на прессе или домкратами, либо нагревом (тепловая, в том числе газовым пламенем).

Для строительных стальных конструкций требования задают нормы:

• СП 70.13330.2012 допускает правку без нагрева (холодную) только для плавно деформированных элементов; остальное правят с нагревом — термическим или термомеханическим методом.
• ГОСТ 23118-2019 и СП 70.13330.2012 требуют править способом, который не оставляет вмятин, забоин и других повреждений на прокате.
• СП 70.13330.2012 при монтаже запрещает ударные воздействия на сварные конструкции из сталей с пределом текучести до 390 МПа при температуре ниже минус 10 °C, свыше 390 МПа — ниже 0 °C.

Тепловая правка годится не для любого материала. У аустенитной нержавейки, по Lincoln Electric, карбиды хрома выпадают при 427–871 °C, и нагрев для правки может снизить стойкость к межкристаллитной коррозии. Кроме того, IMOA отмечает, что прочная аустенитная сталь правится труднее. У термоупрочнённого алюминия нагрев снимает упрочнение — это видно по разупрочнению зоны у шва. Для таких материалов режим правки согласуют с технологом, а лучше не допускать деформаций заранее.

Особенности сварки этих материалов — в статьях «Сварка нержавеющей стали» и «Сварка алюминия».