Sposoby usuwania naprężeń spawalniczych

Powstałe w wyniku spawania naprężenia spawalnicze można usunąć całkowicie jedynie przez obróbkę cieplną spawanych elementów (rys. 10.16). Można to osiągnąć przez wyżarzenie odprężające lub normalizujące.

Wyżarzenie odprężające powoduje usunięcie naprężeń bez zmian strukturalnych. W celu odprężenia konstrukcji nagrzewa się ją powoli do temperatury wyżarzania odprężającego, wytrzymuje się w tej temperaturze, a następnie powoli studzi,

najczęściej razem z piecem. Dla stali i żeliwa temperatura ta wynosi 650-660 °C. W tej temperaturze granica plastyczności stali jest tak niska (poniżej 60 MPa), że naprężenia wewnętrzne spowodują odkształcenie materiału i ulegną relaksacji.

Wyżarzanie normalizujące konstrukcji stalowych przeprowadza się w temperaturze nieco wyższej niż 910 °C. W procesie tym, oprócz relaksacji naprężeń

następuje ujednolicenie i rozdrobnienie struktury. Normalizowanie jest wskazane dla grubych spoin jednowarstwowych.

187

Rys. 10.16. Zakres temperatur poszczególnych rodzajów wyżarzania naniesionych na układ żelazo-węgiel

W spoinach wielowarstwowych występuje samoistne wyżarzanie poprzednich warstw przez ich nagrzewanie podczas układania następnego ściegu.

Skutecznym sposobem zmniejszania naprężeń spawalniczych jest wstępne podgrzewanie konstrukcji. W złączach wstępnie podgrzewanych powstają znacznie mniejsze naprężenia spawalnicze, ponieważ po spawaniu razem ze spoiną kurczy się

również cała konstrukcja. Temperatura wstępnego nagrzania dla stali waha się w granicach 200-370 °C. W przypadkach, w których ze względu na wielkość

spawanej konstrukcji nie jest możliwe podgrzanie jej w całości, wystarczy ją podgrzać jedynie w wybranych miejscach. Przy ich wyborze należy posługiwać się tzw. „metodą klina”. Metoda ta polega na tym, że grzeje się te miejsca konstrukcji, które

188 w odpowiednich oznaczonych miejscach, stygnąc kurczy się w takim samym kierunku jak spoina, co powoduje zmniejszenie naprężeń spawalniczych.

Innym sposobem zmniejszania naprężeń spawalniczych w obszarze spoiny jest

tzw. odprężanie niskotemperaturowe nazywane inaczej wyżarzaniem miejscowym.

W procesie tym wykorzystywane jest zjawisko nakładania naprężeń spawalniczych

z naprężeniami wywołanymi dodatkowym podgrzewaniem konstrukcji. Proces ten, mimo zmniejszania naprężeń w spoinie, ogólnie wpływa na zwiększenie sił wewnętrznych w złączu spawanym. Może to prowadzić do wzrostu ogólnych odkształceń konstrukcji, w przypadku spawania bardziej elastycznych konstrukcji. Odprężenie niskotemperaturowe stosowane jest w przypadku konstrukcji spawanych o dużych wymiarach, takich jak zbiorniki, poszycia kadłubów itp. Oprócz obróbki cieplnej do odprężenia konstrukcji spawanych jest stosowane odprężanie mechaniczne. W metodzie tej stosuje się zjawisko sumowania się naprężeń zewnętrznych σz i naprężeń spawalniczych σs, których suma nie może osiągnąć

w żadnym miejscu konstrukcji większych wartości od granicy plastyczności Re :

σ

z

+ σ

s

< R

_e (10.7) W granicznym przypadku można przyjąć zależność (10.8), a po obciążeniu konstrukcji obowiązuje zależność (10.9).

σ

z

+ σ

s

= R

_e (10.8)

σ

s

= R

_e

- σ

z (10.9) Zakładając, że naprężenie zewnętrzne σz osiąga wartość Re, otrzymuje się

po odciążeniu konstrukcji σs=0. Zupełne usunięcie naprężeń spawalniczych

za pomocą odprężenia mechanicznego nie jest możliwe ze względu na jednorodność własności plastycznych spawanego materiału w SWC oraz nierównomierny rozkład naprężeń. Ten sposób odprężania nadaje się zwłaszcza do zbiorników i rurociągów. Praktycznie realizuje się go w ten sposób, że zbiorniki lub rurociągi napełnia się wodą, a następnie podnosi ciśnienie do wartości bliskich granicy plastyczności

i wytrzymuje przez krótki czas. Pewną odmianą odprężenia mechanicznego jest odprężanie wibracyjne, polegające

na wprowadzeniu konstrukcji w drgania o częstotliwości 60-100 Hz przy użyciu przymocowanego do niej wibratora. W czasie drgań wibratora w materiale konstrukcji pojawiają się niewielkie odkształcenia, w wyniku których następuje stabilizacja wymiarów. Proces stabilizacji wibracyjnej polega więc na „sprowokowaniu” pojawienia się odkształceń w konstrukcji obciążonej siłami zmiennymi,

tj. po wprowadzeniu jej w drgania. Podobne zjawiska, tzn. samoistne odkształcenie, obserwuje się w czasie sezonowania naturalnego. Można więc stabilizację wibracyjną nazwać „szybkim sezonowaniem”. Obróbka ta nie powinna być stosowana

w przypadkach, gdy jest wymagany znaczny stopień relaksacji naprężeń.

W porównaniu z klasycznym i bardzo skutecznym odprężaniem cieplnym jest

189 na niski poziom naprężeń wywołanych wibrowaniem (do ok. 50 MPa), nie jest ona tak skuteczna w usuwaniu naprężeń jak metody cieplne.

Poprzez obróbkę cieplną lub mechaniczną można się jedynie pozbyć się naprężeń spawalniczych. Nieumiejętne jej przeprowadzenie natomiast może doprowadzić nie tylko do powiększenia naprężeń spawalniczych, ale również, w drastycznych przypadkach, spowodować powstanie dodatkowych odkształceń.

10.4.CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

W ramach ćwiczenia będą zaprezentowane następujące próby:

• Podgrzanie kątownika wzdłuż linii prostopadłej do jego długości, zamocowanego jednostronnie w imadle i odczyt wychylenia na swobodnym końcu, w zależności od miejsca przyłożenia naprężenia. Należy zwrócić uwagę na zmianę kierunku wyginania kątownika po przekroczeniu przez palnik osi obojętnej.

• Spawanie czołowe dwóch płaskich próbek bez sczepiania i ze sczepianiem. Obserwacja zmian położenia krawędzi blach.

• Napawanie punktowe w środku kwadratowej próbki o grubości 3-4 mm, a po jej ostygnięciu przecinanie piłką ręczną od krawędzi do centrum

nagrzania. Obserwacje wielkości szczeliny przy różnej odległości od punktu nagrzania.

UWAGI DO SPRAWOZDANIA

W sprawozdaniu należy:

• naszkicować przebieg poszczególnych eksperymentów, • wyjaśni przebieg odkształcenia,

• opracować wnioski,

LITERATURA

[1]PILARCZYK J., Poradnik inżyniera. Spawalnictwo, Tom 1, WNT, Warszawa 2003.

[2]KACZMAR W., Techniki Wytwarzania. Spawalnictwo, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1979.

[3]FERENC K., FERENC J., Konstrukcje spawane – połączenia, WNT, Warszawa 2006. [4]FERENC K., Spawalnictwo, WNT, Warszawa 2010.

[5]MISTUR L., Spawanie łukowe w osłonach gazowych według wytycznych krajowych

190

W dokumencie Techniki wytwarzania : spawalnictwo : laboratorium (Stron 186-190)