Как минимизировать деформации при сварке алюминия

Вопрос от сварщика: В прошлом я изготовил несколько довольно сложных стальных конструкций, в которых периодически возникали проблемы с деформацией. Я рассматриваю возможность перехода на алюминий в качестве материала для замены некоторых из этих конструкций. Меня интересуют следующие вопросы: какие деформаций я могу ожидать при сварке алюминия? И как я могу ее предотвратить?

Ответ: Мы должны рассмотреть основные причины возникновения деформаций в любой конструкции, сваренной дуговой сваркой, и некоторые особенности алюминия в частности. Сварочные деформации можно определить как “неравномерное расширение и сжатие металла шва и прилегающего к нему основного металла во время цикла нагрева и охлаждения в процессе сварки”. Деформации возникают при дуговой сварке всех материалов, и принципы, лежащие в основе этой статьи, в принципе одинаковы.

Понимание сварочных деформаций при сварке

Если равномерно нагреть кусок металла без ограничений в печи до заданной температуры, а затем дать ему остыть до первоначальной температуры, он сначала расширится (до степени, зависящей от его коэффициента расширения), а затем сожмется при охлаждении до первоначального размера. Если мы применим этот вид равномерного нагрева и охлаждения к неограниченной структуре, процесс нагрева и охлаждения не должен привести к ее деформации.

К сожалению, при дуговой сварке мы применяем неравномерный локализованный нагрев конструкции. Этот нагрев ограничивается зоной сварного шва и его ближайшими окрестностями. Кроме того, в процессе сварки нагрев и охлаждение происходят при различной степени ограничения. Часть сварного изделия за пределами зоны сварки, которая не нагревается или нагревается до гораздо более низкой температуры, действует как ограничитель для части, которая нагревается до более высоких температур и подвергается большему расширению. Неравномерный нагрев, приводящий к неравномерному расширению и сжатию, наряду с усадкой металла шва и основного металла, а также частичное сдерживание со стороны менее подверженных воздействию высокой температуры частей конструкции являются основной причиной проблем с термической деформацией, возникающей при сварке.

Деформация при сварке алюминия и углеродистой стали

Теоретически, при сварке алюминия по сравнению с углеродистыми сталями влияние некоторых основных факторов, вызывающих деформацию, может быть несколько усилено. Алюминий обладает высокой теплопроводностью; это свойство может повлиять на деформацию и существенно повлиять на свариваемость. Теплопроводность алюминия примерно в пять раз выше, чем у низкоуглеродистой стали. Алюминий также имеет высокую усадку при затвердевании, около 6 % по объему, а также высокий коэффициент теплового расширения. Когда мы свариваем алюминий дуговой сваркой, мы применяем высокий локализованный нагрев материала в зоне сварки и вокруг нее. Существует прямая зависимость между величиной изменения температуры и изменением размеров материала при нагреве. Это изменение основано на коэффициенте расширения. Это мера линейного увеличения на единицу длины в зависимости от изменения температуры материала.

Алюминий имеет один из самых высоких коэффициентов расширения и при одинаковом изменении температуры изменяется в размерах почти в два раза больше, чем сталь. Однако нередко для сопоставимой со стальной алюминиевой конструкции требуется большая толщина материала. Это конструктивный момент, который может быть использован для обеспечения необходимой жесткости и требуемой прочности. Поскольку вес алюминия примерно на 1/3 меньше веса стали, мы можем удвоить первоначальную проектную толщину алюминиевой конструкции и при этом получить лишь 2/3 веса исходной конструкции из стали. Значимость такого увеличения толщины материала будет заключаться в существенном уменьшении возможности деформации.

Какие методы мы можем использовать для уменьшения термических деформаций?

Методы борьбы с деформацией при сварке алюминия такие же, как и при сварке других материалов; однако в зависимости от толщины материала и конструкции может потребоваться уделить больше внимания следующим аспектам:

1. Избегайте чрезмерного количества сварных швов в конструкции: Сохраняйте целостность конструкции
Вероятно, наиболее распространенной причиной чрезмерной термической деформации является чрезмерное количество сварных швов, проходов в конструкции изделия. Чтобы уменьшить деформацию, мы должны стараться свести к минимуму силы нагрева и усадки. Сварной шов должен содержать только то количество сварки, которое необходимо для выполнения его эксплуатационных требований. Правильный выбор размера угловых швов в соответствии с требованиями к эксплуатации соединения может помочь уменьшить деформацию. Не следует выполнять сварные швы, размеры которых превышают указанные в технических чертежах. Сварщики должны быть обеспечены измерительными приборами и шаблонами сварщика, чтобы они могли измерять свои швы и убедиться, что они не производят швы, размеры которых значительно превышают указанные. При выполнении стыковых соединений следует контролировать подготовку кромок, подгонку и усиление шва, чтобы минимизировать количество наплавленного металла и тем самым уменьшить нагрев и усадку.

2. Выбор правильного соединения с разделкой кромок
При сварке более толстого материала соединение с двойной V-образной разделкой требует примерно вдвое меньше металла для сварки, чем соединение с одинарной V-образной разделкой кромок, и является эффективным методом уменьшения деформации. Переход на подготовку J-образной или U-образной канавки также может помочь снизить требования к металлу шва в соединении.

3. Переход на прерывистые угловые швы
По возможности нужно рассмотреть использование прерывистых сварных швов. Часто можно сохранить адекватные требования к прочности и сократить объем сварки на 70 %, используя прерывистую сварку вместо непрерывной, если это позволяет конструкция.

4. Расположение сварных швов относительно нейтральной оси
Сбалансируйте сварку и расположите сварные швы вблизи нейтральной оси сварной конструкции. Нейтральная ось сварной конструкции – это центр тяжести поперечного сечения детали. Размещение одинаковых по размеру сварных швов по обе стороны от этой естественной центральной линии может уравновесить одну силу усадки против другой. Размещение сварного шва вблизи нейтральной оси конструкции может уменьшить деформацию за счет меньшей силы воздействия усадочных напряжений, которые могут вывести конструкцию из равновесия.

5. Минимизация сварочных проходов
По возможности уменьшите количество сварочных проходов. Несколько проходов большим электродом предпочтительнее, чем много проходов маленьким электродом. Дополнительное тепловое воздействие может вызвать большую угловую деформацию в многопроходных одинарных угловых и многопроходных одинарных швах с V-образной разделкой.

6. Выберите правильный процесс сварки
Тщательно выбирайте процесс сварки. Используйте процесс, который обеспечивает максимальную скорость сварки и позволяет выполнить сварной шов за минимальное количество проходов. Эти технологии обеспечивают точное количество свариваемого металла при очень высокой скорости. К счастью, в современных процессах дуговой сварки используются высокие скорости сварки, которые помогают бороться с деформациями.

7. Соблюдайте последовательность сварки или обратный ход
Для минимизации деформаций используйте правильную последовательность сварки сварных швов изделия, также используйте способ обратный ход. Техника обратного хода позволяет вести общий процесс сварки в одном направлении, но при этом накладывать каждый отдельный сварной шов в противоположном направлении. Это дает нам возможность использовать предыдущие швы в качестве блокирующего эффекта для последующих сварок последующих швов.

8. Сварка правильным способом
По возможности сваривайте соединение или конструкцию от центра наружу. По возможности чередуйте стороны для последовательных проходов при двусторонней многопроходной сварке. Еще более эффективным методом контроля деформаций является одновременная сварка обеих сторон двухстороннего шва.

9. Предварительная сборка свариваемых деталей
Предварительно установите свариваемые детали так, чтобы они могли принимать нужную форму или положение после усадки шва. Это метод использования усадочных напряжений для работы в процессе производства. Путем экспериментов мы можем определить правильную величину смещения, необходимую для компенсации усадки сварного шва. Затем нам остается только контролировать размер сварного шва, чтобы получить стабильно выровненные сварные детали.

10. Рассмотрите возможность использования фиксирующих зажимов
Рассмотрите возможность использования ограничителей, таких как зажимы, приспособления и зажимные приспособления, а также сборка встык. Фиксация сварного соединения на месте с помощью зажимов, закрепленных на прочной опорной плите, чтобы удержать сварное соединение в нужном положении и предотвратить его деформацию во время сварки, является распространенным методом борьбы с ней. Другой метод заключается в том, чтобы поместить две сварные детали встык и плотно прижать их друг к другу. Сварка завершается на обоих узлах, и перед снятием зажимов им дают остыть. Предварительный изгиб можно комбинировать с этим методом, вставляя распорки в подходящих местах между узлами перед зажатием и сваркой.

11. Включите алюминиевые профили
Рассмотрите возможность использования алюминиевых профилей. Алюминий можно легко приобрести в стандартных и индивидуальных профилях. Многие производители используют преимущества алюминиевых профилей, чтобы уменьшить количество сварки в изготавливаемых компонентах. Алюминиевые профили дает прекрасную возможность уменьшить количество сварочных работ (потенциальную деформацию), облегчить сборку и часто улучшить эстетику сварного изделия.

Заключение
Деформация сварного шва вызывается локальным расширением и сжатием металла при его нагреве и охлаждении в процессе сварки. Ограничение со стороны ненагретого окружающего металла приводит к постоянным изменениям внутренних напряжений. Если эти напряжения достаточно высоки и не могут адекватно противостоять структуре, возникает деформация. Множество факторов определяют, какие уровни напряжений возникнут, их направление и приведут ли они к неприемлемым деформациям.

К этим факторам относятся размер и форма сварных швов и их расположение в свариваемой конструкции, тепловложение в процессе сварки, размер и толщина материала свариваемых деталей, последовательность сборки, последовательность сварки и другие. В идеале, чтобы избежать деформации, в конструкции должно быть как можно меньше сварки, особенно если речь идет о тонком металле. В случае с алюминием у нас есть несколько вариантов, доступных нам на стадии проектирования, которые могут помочь устранить излишнюю сварку. Использование отливок, профилей, поковок, гнутых или рулонных форм часто помогает минимизировать количество сварки и тем самым уменьшить деформацию.

Одним из методов понимания и планирования предотвращения деформаций является использование специализированного компьютерного программного обеспечения. Компьютерное программное обеспечение было разработано как инструмент для понимания и прогнозирования деформаций, вызванных процессами сварки. Это программное обеспечение способно прогнозировать остаточные напряжения и деформации после сварки, что позволяет инженерам по сварке оптимизировать процесс (последовательность сварки и/или условия фиксации).
Многие сложные алюминиевые конструкции свариваются каждый день без чрезмерных деформаций. Часто это достигается благодаря совместным усилиям конструкторов, технологов и сварщиков. Проектировщикам необходимо тщательно рассмотреть доступные варианты, чтобы уменьшить объем сварки в конструкции. Кроме того, необходимо располагать необходимые сварные швы в зонах, которые меньше всего способствуют деформации. Производителю необходимо разработать, использовать и контролировать необходимое оборудование (сварочный процесс, крепление и т. Д.) и технологии (последовательность сварки и методы балансировки) для уменьшения влияния сварочного процесса, способствующего деформации.

Возврат к списку