Strona główna / Wiki / Blacha / Kontrola odkształceń spawalniczych

Kontrola odkształceń spawalniczych

Odkształcenia spawalnicze nie są wadą wykonania — to fizyka, której nie wyeliminowano w projektowaniu. Metal spoiny kurczy się podczas stygnięcia o około 1 procent, otaczający ją zimny arkusz ogranicza ten skurcz, a część pochłania różnicę w postaci przemieszczenia. Ta strona omawia przyczyny odkształceń, sposób wyeliminowania ich w projekcie, sposób kontroli w uchwytach i sposób pomiaru pozostałych odkształceń.

Dlaczego skurcz spoin odkształca część

Spojina przechodzi pełny cykl termiczny w ułamku sekundy: topi się w temperaturze około 1500°C i stygnie do temperatury otoczenia. Podczas stygnięcia metal wypełniający spoinę kurczy się. Konstrukcyjne spoiny zwykle kurczą się o około 1 procent swojej długości w kierunku spoiny.

Problem polega na tym, że blacha macierzysta nie kurczy się wraz ze spoiną. Jest już zimna i sztywna. Spoina jest połączona z elementami sąsiednimi, więc siła skurczu musi zostać rozłożona gdzieś —, a część się przemieszcza. Im sztywniejszy i grubszy jest otaczający materiał, tym mniejsze są odkształcenia części i tym wyższe naprężenia szczątkowe. Odkształcenia i naprężenia są dwiema stronami tego samego kompromisu.

CzynnikMniejsze odkształcenia, gdyPowód
Dopływ ciepłaNiższyMniej metalu jest podgrzewanych, schładzanych i kurczonych
Długość spoinyKrótsza lub podzielona na symetryczne segmentyMniejszy całkowity skurcz do pochłonięcia
Sztywność częściWyższa — dodaj krawędzie, żebra lub panele typu sandwichSztywność przenosi skurcz jako naprężenie, a nie zmianę kształtu
Położenie spoinySymetryczne względem środka częściSiły skurczu wzajemnie się znoszą, zamiast kumulować
UnieruchomienieRównomierne i sprężyste podczas spawaniaZapobiega miejscowym odkształceniom, a jednocześnie pozwala na późniejsze uwolnienie

Cztery rodzaje odkształceń

RodzajJak wyglądaTypowa przyczyna
KątoweCzęść obraca się wokół linii spoiny; jedna krawędź się unosiSkurcz spoiny ciągnący wzdłuż pojedynczej linii, bez symetrycznego oporu
WyginanieCzęść wygina się od linii spoinySpoina wzdłuż jednej krawędzi cienkiego panelu; panel nie ma miejsca na skurcz
Krzywizna poprzecznaWygięcie w bok wzdłuż osi spoinySpoina krótsza niż panel, na którym znajduje się, co powoduje niezrównoważony skurcz
SkręcenieNarożniki nie są już współpłaszczyznowe; przekątne mają różne długościAsymetryczny skurcz, zwykle spowodowany niezrównoważoną kolejnością spawania

Skręcenie jest rodzajem, który najczęściej zostaje przeoczony, ponieważ część nadal wygląda płasko w dowolnym pojedynczym widoku. Zmierz przekątne: jeśli różnią się, część jest skręcona.

Zapobieganie za pomocą projektu

Większość odkształceń, których unikasz, jest determinowana na rysunku, zanim ktokolwiek sięgnie po palnik.

Element projektuEfektWpływ na koszt
Zastosuj spawanie laserowe zamiast TIGZnacznie niższy dopływ ciepła i węższa spoinaŚredni — inny proces; może wymagać części kształtowanych na obrys
Spoina ciągła zamiast przerywanejRównomierny skurcz i znacznie mniejszy ruch kątowyNiski — zwykle bez zmian; spoiny przerywane i tak były skrótem
Dodaj krawędź zwrotną w pobliżu spoinyZwiększa miejscową sztywność, dzięki czemu skurcz staje się naprężeniemNiski — jedno dodatkowe zginanie
Spawaj do krawędzi zamiast do płaskiego brzeguKrawędź przeciwstawia się obrotowi, dlatego odkształcenie kątowe wyraźnie się zmniejszaNiski — zmiana części, a nie procesu
Uczyń przekrój symetrycznymSiły skurczu wzajemnie się znoszą, zamiast kumulowaćNiski — decyzja projektowa
Pogrub lokalnie panel wokół spoinyZwiększa sztywność dokładnie tam, gdzie jest potrzebnaŚredni — więcej materiału
Podziel na dwie spawane części zamiast jednejKażda z części odkształca się mniej niż jedna złożona częśćDodaje połączenie — zwykle nie jest warte zachodu

Kolejność spawania ograniczająca przemieszczenia

  1. Najpierw punkty tymczasowe, symetrycznie. Umieść punkty tymczasowe na odpowiadających sobie pozycjach po obu stronach części, a nie w linii wzdłuż środka.
  2. Sprawdź przekątną. Zmierz obie przekątne płaskiego panelu i zapisz liczby przed dalszymi pracami.
  3. Spawaj od środka na zewnątrz. Podziel spoinę na odcinki i wykonuj ją na zewnątrz. Dzięki temu skurcz kieruje się ku swobodnym końcom, zamiast ciągnąć środek.
  4. Naprzemiennie spawaj strony w przypadku spoin symetrycznych. Każda strona ustępuje w tej samej ilości, więc ruch netto pozostaje bliski zeru.
  5. Ponownie mierz między odcinkami. Jeśli przekątna wzrosła bardziej niż wymagana płaskość, przerwij, pozwól ostygnąć i skoryguj przed dodaniem kolejnej porcji ciepła.
  6. Krótkie spoiny wykonuj na końcu. Krótki spoin wzmocniony na końcu powoduje mniejsze przemieszczenie niż długa spoina, dlatego jest odpowiednim miejscem do pochłonięcia naprężeń resztkowych.

Praktyczna zasada: Przekątna jest najtańszym dostępnym wskaźnikiem odkształceń. Dwa odczyty z miarki po każdym odcinku spoiny pozwolą zaoszczędzić więcej poprawek niż jakakolwiek kontrola na końcu.

Mocowanie: Ograniczanie bez wprowadzania naprężeń

Uchwyt utrzymuje element podczas spawania. Zbyt małe ograniczenie powoduje przemieszczenie elementu, zbyt duże wbudowuje naprężenia resztkowe, które ujawnią się później po zwolnieniu elementu. Celem jest równomierne i elastyczne ograniczenie podczas spawania.

TekhnikaJak pomagaKiedy stosować
Mocowanie na linii spoinyTrzyma blachę w pobliżu miejsca, w którym zachodzi skurczCienka blacha, w której przemieszczenia są największe
Mocowanie na swobodnych krawędziachKieruje przemieszczenie na zewnątrz, away od krytycznej powierzchniGdy powierzchnia uszczelniająca musi pozostać płaska
Stopniowany lub segmentowy uchwytUmożliwia kontrolowany, elastyczny ruch zamiast sztywnego blokowaniaDługie spoiny w elementach o średniej grubości
Obciążnik równoważący lub ciężarZapewnia równomierne ograniczenie bez pozostawiania twardych śladów od zaciskówCienkie, polerowane elementy, w których znaczenie mają ślady po zaciskach
Spawanie punktowe przy dużym prądzieUstawia element przy minimalnym dodatkowym ciepleZespoły, które wymagają precyzyjnego ustawienia

Porównanie procesów pod kątem odkształceń

ProcesWejście ciepłaRyzyko odkształceńTypowe zastosowanie
Spawanie laseroweBardzo niskieNajniższeCienkie panele, tace akumulatorów, precyzyjne zespoły
Plazma / łuk (TIG)Średnie do wysokiegoŚrednie do wysokiegoStal nierdzewna i aluminium, gdy wymagana jest spoina o estetycznym wyglądzie
MIGWysokieWysokieWykonanie konstrukcji stalowych, grube elementy
Spawanie punktowe / oporoweZlokalizowaneBardzo niskiePłaskie panele, urządzenia AGD, tylne ścianki szafek

Samodzielnie stosujemy spawanie TIG i laserowe; spawanie punktowe i oporowe zlecamy warsztatowi partnerskiemu. Jeśli element jest wrażliwy na odkształcenia i ma znaczenie estetyczne, poinformuj nas na etapie zapytania ofertowego —, że zwykle taniej jest zmienić proces niż później walczyć z odkształceniami.

Gdy odkształcenia już wystąpiły

SytuacjaRealistyczne opcjeWpływ na koszty
Cienki element, niewielkie wygięcieMechaniczne prostowanie na prasie lub ręcznie o powierzchnięNiski
Element musi pozostać płaski i stanowi powierzchnię uszczelniającąObróbka powierzchni uszczelniającej po spawaniuŚredni — obejmuje pełną operację mocowania i obróbki
Średnie odkształcenie elementu konstrukcyjnegoPonowne spawanie z ograniczeniem lub akceptacja odkształcenia i jego deklaracja na rysunkuWysoki
Naprężenia resztkowe zagrażają dalszej obróbceŻarzenie w celu usunięcia naprężeń przed wykończeniemŚredni — wydłuża czas cyklu

Najlepszą korektą jest zapobieganie. Jeśli rysunek zawiera wymaganie dotyczące małego odchyłki płaskości spawanej cienkiej panelu, uczciwą odpowiedzią jest to, że proces może wymagać zmiany — spawania laserowego, dodania krawędzi usztywniającej lub obróbki powierzchni —, a kupujący powinien wiedzieć o tym przed przedstawieniem oferty, a nie po wykonaniu pierwszego egzemplarza.

Typowe błędy

#BłądKonsekwencjaPrawidłowe podejście
1Spawanie długiej spoiny w jednym przejściuMaksymalny skurcz w jednym kierunku; silne wygięciePodziel spoinę na odcinki, wykonuj od środka na zewnątrz i naprzemiennie spawaj strony.
2Sztywne mocowanie cienkiego paneluNaprężenia resztkowe zostają zablokowane; element odkształca się po zwolnieniuOgraniczaj równomiernie i elastycznie; mocuj w pobliżu spoiny, a nie na krytycznej powierzchni.
3Kontrola płaskości na okoSkręcenie i wygięcie przechodzą kontrolę wzrokowąZmierz obie przekątne i odległość od prostownika.
4Płaskość określona bez warunków pomiarowychDostawca i kupujący mierzą różne rzeczy; niekończący się spórOkreśl powierzchnie, długość i warunki podparcia.
5Spoiny ściegowe stosowane w celu ograniczenia ciepła na sztywnym paneluKątowe odkształcenie przy każdym ścieguCiągła spoina na sztywnym panelu; spoiny ściegowe tylko tam, gdzie potrzebna jest elastyczność.
6Wybrano TIG, gdy wygląd miał drugorzędne znaczenieDodatkowe odkształcenia i koszty bez żadnej korzyści funkcjonalnejStosuj spawanie laserowe do cienkich paneli wrażliwych na odkształcenia.
7Powierzchnia uszczelniająca spawana jako ostatnia na niepodpartej blaszeWygięcie niszczy jedyną powierzchnię, która miała znaczenieZaplanuj spawanie powierzchni uszczelniającej na wcześniejszym etapie i utrzymuj ją płasko zaciśniętą
8Odkształcenie zaakceptowane bez poinformowania kupującegoCzęść zawodzi podczas montażu; problem leży po stronie dostawcyW raporcie z inspekcji zadeklaruj zmierzone odkształcenie

Powiązane strony dotyczące blach

Projektujesz spawaną obudowę, która musi być szczelna? Poinformuj nas na etapie RFQ. Flansza zwiększająca sztywność i zastąpienie spawania TIG spawaniem laserowym są zwykle warte więcej niż największe nakłady na prostowanie po spawaniu.

Omów spawany zespół
Często zadawane pytania
Dlaczego spawanie powoduje odkształcenia blach?

Ponieważ metal spoiny kurczy się podczas chłodzenia. Typowa spoina konstrukcyjna kurczy się w przybliżeniu o 1 procent swojej długości, przechodząc od temperatury spawania do temperatury pokojowej. Otaczająca spoinę zimna blacha ogranicza ten skurcz, więc siła reakcji musi się gdzieś ujawnić: odkształca część. Im cieńszy i mniej sztywny panel, tym więcej tego skurczu pochłania w postaci odkształcenia.

Jakie są cztery rodzaje odkształceń spawalniczych?

Odkształcenie kątowe (część obraca się wokół linii spoiny), wygięcie (część wygina się w kierunku od spoiny), wygięcie boczne (łuk w kierunku poprzecznym do osi spoiny) i skręcenie. Każdy z tych rodzajów można rozróżnić na płaskiej płycie, a to, który wystąpi, zależy od tego, gdzie znajduje się spoina w stosunku do sztywności części. Skręcenie zwykle oznacza niesymetryczny skurcz; wygięcie zwykle oznacza, że spoina znajduje się po jednej stronie cienkiego panelu.

Jak zapobiec odkształceniom spawanej obudowy?

Najpierw projektuj. Tam, gdzie wymagana jest sztywność, stosuj spoiny ciągłe zamiast punktowych, rozmieszczaj spoiny symetrycznie względem środka części, utrzymuj flansze usztywniające lub żebra zewnętrzne w pobliżu spoiny i wybierz proces o małym dopływie ciepła, taki jak spawanie laserowe. Następnie kontroluj odkształcenia w oprzyżu: zaciskaj w punktach, w których zwolnienie nie spowodowałoby odkształcenia części, i sprawdzaj przekątną po każdej spoinie przed wykonaniem kolejnej.

Jaka kolejność spawania minimalizuje odkształcenia?

Spawaj od środka na zewnątrz i zmieniaj naprzemiennie strony, aby utrzymać równowagę dopływu ciepła. Najpierw rozmieść symetrycznie punkty spawane wstępnie, a następnie stopniowo spawaj na zewnątrz. Powszechną zasadą jest podział spoiny na cztery odcinki i spawanie ich w kolejności 1-2-3-4, a następnie 1-2-3-4 w przeciwnym kierunku. Mierz przekątną części po każdym odcinku — gdy zacznie się wydłużać, zatrzymaj spawanie i pozwól jej ostygnąć.

Czy spawanie TIG lub laserowe powoduje mniejsze odkształcenia?

Spawanie laserowe, ponieważ dopływ ciepła jest znacznie mniejszy, a spoina węższa, więc mniejsza objętość metalu ulega skurczowi. Spawanie TIG blach daje szeroką strefę wpływu ciepła i zauważalnie większe odkształcenia. Tam, gdzie ważne są zarówno wygląd, jak i minimalne odkształcenia, lepszym procesem jest spawanie laserowe; tam, gdzie wymagany jest estetyczny lico spoiny, zwykle wybiera się MIG lub TIG, mimo dodatkowych odkształceń, które rekompensuje się w oprzyżu.

Czy odkształcenia spawalnicze można skorygować po fakcie?

Czasami, ale jest to drogie. Łagodne prostowanie mechaniczne sprawdza się w przypadku cienkich, nieznacznie odkształconych części. Przy silniejszych odkształceniach standardowym rozwiązaniem jest ponowne spawanie z zastosowaniem ograniczeń albo odrzucenie części i ponowne nałożenie powłoki. Jeżeli płaskość stanowi wymóg funkcjonalny — dotyczy to powierzchni uszczelniającej, powierzchni pod uszczelkę lub powierzchni stykowej — realistycznym rozwiązaniem jest wykonanie obróbki skrawaniowej powierzchni po spawaniu, co dodaje operację oprzyżowania i operację obróbki skrawaniowej, ale daje powtarzalny wynik.

Czym jest odprężanie i kiedy jest potrzebne?

Odprężanie termiczne pozwala części się rozluźnić przed wykończeniem wymiarowym lub oddaniem do eksploatacji. Jest rzeczywiście potrzebne po spawaniu stali o wysokiej wytrzymałości, po spawaniu grubych lub silnie ograniczonych odcinków oraz przed obróbką spawanych części, w których naprężenia resztkowe spowodowałyby przemieszczenie części podczas obróbki. W przypadku zwykłych obudów ze stali niskowęglowej zwykle nie jest potrzebne i zwiększa koszt oraz czas cyklu.

Jak określić płaskość spawanej części?

Określ warunki pomiaru, ponieważ płaskość bez podanych warunków nie jest wymaganiem. Podaj, między jakimi powierzchniami i na jakiej długości należy wykonać pomiar oraz czy część jest podparta, czy swobodna. W przypadku powierzchni uszczelniającej określ konkretnie płaskość powierzchni uszczelniającej, a nie całej części — i omów to na etapie RFQ, ponieważ spełnienie tego wymagania może oznaczać obróbkę po spawaniu, co zmienia koszt i termin dostawy.