ZESZY TY N A U K O W E P O L IT E C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Sena: T R A N SPO R T z. 48
2003 N r kol. 1604
Sylw ester M A R K U SIK , T om asz Ł U K A S IK , D am ian G ĄSK A
W P Ł Y W G E O M E T R II Z Ł Ą C Z A S P A W A N E G O N A N A P R Ę Ż E N IA P O JA W IA JĄ C E S IĘ W M IE J S C U S P O D Z IE W A N E G O P Ę K N IĘ C IA Z M Ę C Z E N IO W E G O
S treszczen ie. A rtykuł przedstaw ia w yniki badań tensom etrycznych złączy spaw anych poddanych obciążeniu rozciągającem u na m aszynie w ytrzym ałościow ej. N a podstaw ie otrzym anych w yników pom iarów w yliczono naprężenia „hot spot” d la dw óch różnych typów złącz spaw anych.
INFLUENCE OF WELDED JOINT GEOMETRY ON STRESSES ARISING IN THE PLACE OF ANTICIPATED CRACK INITIATION
S u m m a ry . T his p a p e r presents results o f static researches few sam ples o f w elded joints, statically loaded w hich h ave been m ade using strain gauges. The hot spot stress has been calculated based on the results receiving from researches.
1. W STĘP
T radycyjna m etoda zm ęczeniow a w yznaczania naprężeń w złączach spaw anych oparta była w głównej m ierze na naprężeniach nom inalnych w ystępujących w p rzekroju konstrukcji oraz na określaniu w spółczynników spiętrzenia naprężeń f3 i kształtu O^. T akie podejście do obliczeń pom ija rzeczyw iste w pływ y nieciągłości struktury w strefie w pływ u ciepła połączenia spaw anego na w zrost naprężeń spow odow any w ystępow aniem karbu strukturalnego oraz geom etrycznego. R ozróżnienie naprężeń n om inalnych od naprężeń lokalnych w yw ołanych karbam i strukturalnym i oraz geom etrycznym i nie zaw sze je s t jednoznacznie interpretow ane, ponadto form a kom ponentów spaw anych je s t często tak złożona, że określenie n aprężeń nom inalnych je s t bardzo trudne łub n iem o żliw e [1], P odejście lokalne „hot spot approach” idzie je d e n krok dalej i bazuje n a określaniu naprężeń uw zględniających rów nież geom etrię określonego elem entu konstrukcyjnego.
2. O K R EŚLA N IE N A PR Ę ŻE Ń
R ozkład naprężeń n orm alnych w okół spoiny je st nieliniow y, tak ja k pokazano na rys. 1
N aprężenia karbu = Otn O g Ok
Rys. 1. N ieliniow y rozkład n aprężeń w okół spoiny w raz z rozbiciem na poszczególne składow e
Fig. 1. N on-linear stress d istribution separated to stress com ponents
gdzie: CTm - naprężenia w yw ołane rozciąganiem lub ściskaniem , CTg - naprężenie w yw ołane zginaniem ,
(Tk - nieliniow e naprężenie karbu.
N aprężenie crm są rów ne średnim naprężeniom norm alnym liczonym w p oprzek grubości płyty, są one stałe na całej grubości spoiny. N aprężenia gnące a g są liniow o rozłożone w płycie w poprzek jej grubości. N ieliniow e naprężenie Ok je s t p ozostałym składnikiem naprężeń karbu. P oszczególne składow e m o g ą być oddzielnie w yznaczone analitycznie dla danego rozkładu n aprężeń cr(x), x= 0 na pow ierzchni x=t liczone w p oprzek grubości [2],
3. N A PR ĘŻEN IA G E O M E T R Y C Z N E „H O T SPOT"
„H ot spot” (punkt gorący) to punkt na brzegu spoiny, gdzie p rzew iduje się w ystąpienie pęknięcia zm ęczeniow ego (rys. 2).
Rys. 2. Przykłady pęknięć zm ęczeniow ych w punkcie „hot spot"
Fig. 2. V aruious locations o f crack propagation in „hot spot”
N aprężenia k o n strukcyjne lub geom etryczne zw ane z ang. „hot spot stress” ,
„struktural stress” lub „geom etrical stress” b azu ją na sum ie w artości naprężeń C m i Cfg w tym punkcie (ry s.l). N aprężenia konstrukcyjne uw zględniają efekt w zrostu naprężeń w yw ołanych geom etrią złącza spaw anego, w ykluczając koncentracje n aprężeń zw iązanych z geom etrią profilu samej spoiny, tak ż e nieliniow y skok naprężenia spow odow any lokalnym karbem na kraw ędzi spoiny je s t p o m ijan y p rz y ich w yznaczaniu [3], N aprężenia konstrukcyjne zale żą od w ym iarów złącza oraz obciążeń, s ą w yznaczane na pow ierzchni lub kraw ędzi pły ty w punkcie danego elem entu branego p od uw ag ę (rys. 3). Zw ykle naprężenia te napotykam y w płytach, pow łokach i cienkościennych profilach drążonych. W przypadku „hot sp o t’u ” n a pow ierzchni
W pływ geom etrii złącza spaw anego. 193
płyty naprężenie to m oże być podzielone na dw a składniki a m oraz <rg, które m o g ą być w yznaczone analitycznie lub n um erycznie (M ES). N aprężenia konstrukcyjne są w iększe od naprężeń nom inalnych. M eto d y „hot spot” nie stosuje się w przypadkach, k ied y pęknięcie zm ęczeniow e pow staje w ew nątrz spoiny i propaguje w kierunku w n ętrza złącza oraz dla spoin ciągłych w p rzypadkach n aprężeń w zdłużnych. Często elem enty spaw ane w y stęp u ją w dw uosiow ym stanie naprężeń; w tedy podejście „hot spot stress” stosow ane je s t dla głów nego naprężenia działającego prostopadle (pom iędzy 45° i 90°) do brzegu spoiny [4],
Rys. 3. N aprężenia konstrukcyjne w danych elem entach spaw anych konstrukcji Fig. 3. Structural details and structural stress
4. W Y ZN A C Z A N IE N A P R Ę Ż E Ń „H O T SPO T ”
W yznaczanie tych n aprężeń m oże być przeprow adzone zarów no analitycznie, ja k i eksperym entalnie. Do w yznaczania naprężeń m ożna użyć ekstrapolacji liniow ej lub kw adratow ej [5]. P rocedury ekstrapolacyjne są podobne dla obydw u m etod.
Ekstrapolacja m usi by ć przeprow adzona p oza obszarem w pływ u ciepła, skutków zw iązanych z g eo m etrią sam ej spoiny oraz nieciągłości na jej brzegu, ale na tyle blisko, aby m ożna było zaobserw ow ać gradient w zrostu naprężenia konstrukcyjnego w yw ołanego globalnym i efektam i geom etrycznym i złącza [6]. Rys. 4 pokazuje, ja k rozkład naprężeń na grubości blachy zm ienia się w pob liżu „hot spotu” (punktu gorącego). W odległości 0,4t (t - grubość blachy) od b rzeg u spoiny składow a nieliniow a praktycznie zanika i rozkład je st praw ie liniow y (rys. 4).
Rys. 4. Z m iany rozkładu n aprężeń w raz z oddalaniem się od spoiny
Fig. 4. D evelopm ent o f stress distribution w hen the cross section approaches to the w eld toe
Nieliniowe naprężenia karbu 0V
Fakt ten w ykorzystyw any je s t w technice ekstrapolacyjnej używ anej do w yznaczania konstrukcyjnych n aprężeń „hot sp o t” (rys. 5). D w a tensom etry, A i B, um ieszcza się w odległości 0,4t oraz l,0 t od brzegu spoiny. W yznaczone na nich odkształcenie podstaw ia się
do odpow iednich w zorów : (1), (2). B aza pom iarow a tensom etru nie pow inna przew yższać wartości 0,2t [4], Jeżeli n ie je s t to m ożliw e, gdy badany m ateriał m a m a łą grubość, w tedy brzeg tensom etru pow inno się um ieścić w odległości 0,3t od brzegu spoiny [7],
E kstrapolow ane naprężenia Nieliniow e naprężenia karbu
\
Brz</ ¿ n
sg spoiny _ fTgns
/ l u \
ometr A
T en so m etr B
-„in“
_ 0 ,4 tt 1,0t
Rys. 5. Liniow a ekstrapolacja punktów pom iarow ych
Fig. 5. Linear extrapolation o f the m easured strains to the w eld toe
G dy tensom etry zn ajd u ją się w odległości 0,4t i l,0 t od brzegu spoiny, to strukturalne odkształcenia „hot spot” w yliczane są następująco [4]:
* * , = 1 , 6 7 ^ - 0 , 6 7 ^ ( i )
gdzie:
8hs - odkształcenia hot spot, £,\ - odkształcenia na tensom etrze A, Sb ~ odkształcenia na tensom etrze B.
W yniki otrzym ane w ten sposób porów nyw alne są z w ynikam i obliczeń uzyskanym i przy użyciu m etody elem entów skończonych. Jeżeli w ystępuje jed n o o sio w y stan naprężeń, to konstrukcyjne naprężenia uśrednione obliczane są w g w zoru (3) [4],
lis
E
•£
h s (2)E - m oduł Y ounga (dla stali E = 2 ,1-10 [M P a ]).
5. T EN SO M E TR Y C Z N E P O M IA R Y N A PR Ę ŻE Ń
Do w ykonania p om iarów n aprężeń konstrukcyjnych użyto tensom etrów oporow ych TF-1/120 firm y T EN M E X . P róbne złącza spaw ane, które posłużyły do badań, zostały w ykonane ze stali St3S, a ich w ym iary przedstaw ione są na rys. 6.
- — 160
i
:
: p r ó b k a 1 p r ó b k a 2
Rys. 6. W ym iary próbnych złącz poddanych badaniom
Fig. 6. D im ension o f the w elded jo in ts sam ples w hich have been undergone the researches
W pływ geom etrii złącza spaw anego. 195
Próbki by ły rozciągane w kierunku prostopadłym do brzegu spoiny. N a końcach blach wykonano napoiny zapobiegające w yślizgiw aniu się z uchw ytów m aszyny w ytrzym ałościow ej.
W ykonanie układu pom iarow ego polegało na połączeniu tensom etrów czynnych i kom pensacyjnego z urządzeniam i służącym i do odczytu m ierzonej w artości odkształcenia i sym ulującym i m ostek W h eatsto n e’a. U rządzeniam i tym i były:
w zm acniacz tensom etryczny, skrzynka rozdzielcza, - m iernik uniw ersalny.
W zm acniacz tensom etryczny to w ysokiej klasy, bardzo stabilny, tensom etryczny w zm acniacz pom iarow y typu K W S 3082 firm y H ottinger B aldw in M esstechnik. A parat ten m oże być stosow any zarów no w w ym agających dużej precyzji i dokładności badaniach laboratoryjnych, ja k i w e w szelkich badaniach prow adzonych na obiektach przem ysłow ych.
Ze w zględu n a w ielopunktow y pom iar zastosow ano skrzynkę ro zd zielczą firm y Bruel & K joer typu 1531. W skrzynce tej przew idziano specjalny układ, k tó ry elim inuje wpływ rezystancji p rzew odów pom iarow ych, ja k rów nież połączeń m iędzy skrzynką rozdzielczą i w zm acniaczem K W S.
M aszyna w ytrzym ałościow a użyta do badań b y ła m aszy n ą typu Z D 40 firm y V EB W erkstoffprufm aschinen L eipzig o zakresie działania od 0 do 400 [kN ]. D ziała ona na zasadzie układu hydrauliki siłow ej. D okładne sterow anie m aszy n ą zapew nia panel sterow ania, na którym u m ieszczo n y je s t także, w postaci dużego zegara, w skaźnik w ielkości siły działającej na próbkę. U ch w y ty m ocujące próbki m iały w ym iary 100x80 [mm].
C elem pom iarów było w yznaczenie w artości naprężeń w ystępujących w punkcie przew idyw anego pęk n ięcia zm ęczeniow ego m etodą „hot spot” .
Pom iary zostały w ykonane w L aboratorium M echaniki i W ytrzym ałości M ateriałów Politechniki Śląskiej, W ydziału Inżynierii M ateriałow ej i M etalurgii w K atow icach.
W yniki pom iarów przedstaw iono w tablicy 1. W zakresie stosow alności praw a H ooke’a m ożliw e było obliczenie naprężeń w m iejscach, w których um ieszczone były tensometry. D la stali St3S w artość granicy plastyczności w ynosi 235 [M Pa], D latego dla obciążenia o w artości 100 kN dla próbki n r 1 oraz obciążenia 60 kN i w ięcej dla próbki nr 2 (tablica 1) niem ożliw e by ło obliczenie naprężeń w g w zoru (2). P rzy założonych dla tych pom iarów w artościach sił rozciągających m ateriał przekroczył ju ż granicę sprężystości.
W yraźnie p rzed staw iają to w y k resy zależności w artości siły od m ierzonych w artości odkształceń przedstaw ione n a rys. 7.
T ablica 1
Próbka 1 Próbka 2
F Ea Eb Ehs C s Ea e b Ehs C s
[kN] [%o] [%o] [%o] [MPa] [°/m] t°/oo] [%o] [M Pa]
20 0,230 0,205 0,247 51,8 0,402 0,381 0,416 87,4
30 0,348 0,315 0,370 77,7 0,600 0,494 0,671 140,9
40 0,472 0,401 0,520 109,1 0,760 0,596 0,870 182,7
50 0,596 0,525 0,644 135,1 0,933 0,690 1,096 230,1
60 0,712 0,636 0,763 160,2 1,280* 1,000 1,468 -
70 0,823 0,765 0,862 181,0 1,764* 1,490* 1,948 -
80 0,937 0,870 0,982 206,2 - - - -
90 1,070 1,010 1,110 233,1 - - - -
100 1,940* 1,406* 2 ,300 - - - - -
* - dla tych pom iarów niem ożliw e było w yznaczenie naprężeń, poniew aż przekroczono granicę stosow alności p raw a H o o k e’a
Do obliczenia odkształceń „h o t spot” et,s w ykorzystano w zó r (1), natom iast naprężenia konstrukcyjne a hs obliczono w g w zoru (2).
2,5
ą>
E 1,5
2 1
w TJO
0,5
0
próbka 1
F I
iii
20 30 40 50 60 70
0 tensometr A S tensometr B Obciążenie [kN]
80 90 100
2
1,8
1,6 'ÖT
1 1 ' 4
o a 1,2
2 'c O) o ra 0,8
1
0,6
0,4 0,2
0
próbka 2
¡ lilii
20 30
□ tensom etr A a tensom etr B
40 50
obciążenie [kN]
60 70
Rys. 7. W ykresy p orów naw cze w artości odkształceń otrzym anych na tensom etrach w poszczególnych p róbach
Fig. 7. C om parative graphs o f values received from researches in p articular tests
0101000100010001020100010201
070200010202022348485323482323235301010201000102010201
W pływ geom etrii złącza spaw anego. 197
6. W N IO SK I
1) Przeprow adzone b ad an ia p otw ierdziły słuszność przyjętych założeń do w yznaczania naprężeń konstrukcyjnych m eto d ą „hot spot” . W każdym przypadku pom iarów odnotow ano w iększe odkształcenie zarejestrow ane przez tensom etr A, który b y ł um ieszczony bliżej spoiny. O dkształcenia w ykazane przez tensom etry rosły proporcjonalnie w stosunku do odległości od spoiny zachow ując liniow y charakter. W przypadku badania próbki pierw szej (przy obciążeniu 100 kN ) i próbki drugiej (przy obciążeniu 60 kN i w ięcej) odnotow ano duży w zrost odkształcenia tensom etrów . Było to spow odow ane p rzekroczeniem w tych próbach granicy sprężystości, co w rezultacie uniem ożliw iło obliczenie rzeczyw istego naprężenia. B adanie drugiej próbki w ykazało ok. 70% w zrost naprężenia konstrukcyjnego w stosunku do pierw szej. W ynika stąd, że spaw ane złącze nakładkow e je s t bardziej niekorzystne ze w zględu na w ytrzym ałość zm ęczeniow ą w stosunku do złącza teow ego.
2) Brzeg spoiny je s t new ralgicznym punktem złącza spaw anego, po n iew aż zazw yczaj tam pojaw ia się pierw sze p ęknięcie zm ęczeniow e. Jest to spow odow ane k o n cen tracją naprężeń w tym m iejscu w yw ołane oddziaływ aniem karbu geom etrycznego i strukturalnego.
O kreślenie naprężeń w ty m m iejscu pozw oli na dokładniejsze zaprojektow anie złącza spaw anego w konstrukcji stalow ej unikając jej przew ym iarow ania.
3) Celem obecnie prow adzonych badań nad m etodą w yznaczania n aprężeń na brzegu spoiny, zw an ą „hot spot stress” , je s t określenie podstaw ow ych param etrów w ytrzym ałości zm ęczeniow ej złączy spaw anych n a podstaw ie pom iarów ich geom etrii oraz w yznaczenie kategorii zm ęczeniow ych d la konkretnych złączy. Efektem takich działań m oże być opracow anie procedur szybkiego szacow ania trw ałości zm ęczeniow ej połączeń spaw anych opartych jed y n ie na p om iarach geom etrii gotow ych złączy lub całych konstrukcji spawanych.
Literatura
1. Radaj D ., S onsino C.: F atigue assessm ent o f w elded jo in ts b y local approaches.
A bington P ublishing 1998.
2. Szubryt M .: A naliza stanu naprężeń i ich w pływ u n a w ytrzym ałość zm ęczeniow ą złączy spaw anych w oparciu o tzw. podejście lokalne. B iuletyn Instytutu Spaw alnictw a nr 3/2002.
3. M arkusik S., Ł u k asik T.: M etoda „H ot Spot” w yznaczania n aprężeń w spoinach konstrukcji stalow ych dźw ignic. M aszyny D źw igow o - T ransportow e n r 4/2001.
4. R ecom m endations for fatigue design o f w elded jo in ts and com ponents. Dok. M IS X III-1539-96 w ersja 2002.
5. N iem i E.: Structural stress approach to fatigue analysis o f w elded com ponents. Dok.
MIS X III-1819-00.
6. N iem i E.: D esig n er’s guide for hot spot fatigue analysis. Dok. M IS X III-W G 3-06-99.
7. H enry J., H uther M .: R ecom m endation for hot - spot stress definition in w elded joints.
Dok. M IS X III-1416-91.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Jerzy A ntoniak
Abstract
Fatigue analysis o f w elded jo in ts and com ponents has usually been based on nom inal stress range. T he so -c o lle d hot spot approach goes one step forw ard. H ere th e calculated stress takes the dim ension o f the detail better into account. This calculated stress at the anticipated crack initiation site is called the structural hot spot stress. Structural stress include the m em brane stress concentration and shell bending stressed caused by the detail itse lf but not include the non - linear stress p eak caused b y the local notch at the w eld toe. H ot spot stress m ight be resolved b y analytical o r num erical m ethod o r can b y found b y experim ental method using a strain gauge.
Praca badaw cza w ram ach B W - 454/RT3-3/2003
