Projektowanie_spoin_we_wspolczesnych_technikach_spawania(1).pdf

Temat numeru |

Technologie ł ączenia

Projektowanie spoin

we współczesnych technikach spawania

Dotychczasowe podejście do projektowania połączeń spawanych sprowadza się do policzenia naprężeń

i pomnożenia ich przez współczynnik bezpieczeństwa na niewiedzę technologiczną projektanta.

Ale czy do materiałów niejednorodnych można stosować abstrakcyjne pojęcie naprężeń

spawalniczych?

Ryszard Jastrzębski

pierem pomalowanym na kolor stali. Pro-

jektant, na podstawie obciążenia i ugięcia,

przy założeniu jednorodności materiału, policzy naprę-

żenia w dowolnym punkcie belki. Po przebiciu papieru

okaże się jednak, że w miejscu policzonych naprężeń jest

powietrze, które nie przenosi sił wewnętrznych...

Przyjrzyjmy się zatem naszej spoinie w przekroju.

Spoina jest zahartowana, a w jej otoczeniu, zwanym

strefą wpływu ciepła, są wszystkie możliwe strefy wpły-

wu ciepła. Wydawałoby się, że w tak mikroskopowych

obszarach nie da się wyznaczyć krzywych rozciągania,

a własności wytrzymałościowe materiału w skali mikro

można tylko porównywać na podstawie mikro twar-

dości Vickersa. Kilka lat temu pojawiły się w USA mi-

kroskopowe maszyny wytrzymałościowe działające jak

dziurkacz, który wycina mikro otwór w folii przekroju

poprzecznego spoiny. W procesie skalowania urządze-

nia z wykresu zależności siły wycinania mikro otworu

i przemieszczenia po przemnożeniu przez stałą wartość

otrzymuje się wykres otrzymywany z rozciągania dużych

próbek. Rysunek 1 pokazuje kilka takich krzywych roz-

ciągania. Wraz ze wzrostem stopnia zahartowania krzy-

wa jest bardziej stroma i przy mniejszym odkształceniu

następuje pękanie. Gdyby spoina była zbiorem sprężyn

to w wyniku rozciągania, po przekroczeniu dopuszczal-

nego odkształcenia najsztywniejszej sprężyny, sprężyna

ta by pękła, ale pozostałe sprężyny przenosiłyby obcią-

żenie. Ponieważ spoina jest kryształem, to pęknięcie

mikroobszaru spowoduje pękanie całej spoiny. Oznacza

to, ni mniej ni więcej, że w przypadku materiałów nie-

jednorodnych posługiwanie się pojęciem naprężeń nie

ma sensu. Zamiast kontrolować naprężenia należy więc

badać odkształcenia i jedynym sensownym podejściem

jest w tym wypadku ustalenie kryterium maksymalne-

go odkształcenia najbardziej kruchego mikro fragmentu

spoiny. Jest to właściwie rewolucja w dziedzinie badań

wytrzymałości materiałów. Chociaż, z doświadczenia

jednak wiadomo, że przy dopuszczaniu suwnic i mo-

stów drogowych do ruchu próba obciążenia polega na

kontroli odkształceń.

Rys 1 Krzywe wytrzymałości różnych obszarów złącza

spawanego. Wpływ podgrzewania na odkształcenia cieplne

i zapas na odkształcenia krzywych wytrzymałości.

14 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | marzec 2010 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Projektowanie spoin

we współczesnych technikach spawania

W yobraźmy sobie kratownicę pokrytą pa-

| Temat numeru

Technologie ł ączenia

Przeanalizujmy model dr Mariana Bala z AGH dla

stali energetycznych 10H2M. Załóżmy, że spoina od-

kształci się termicznie o L1. Z wykresu na rysunku 1

wynika, że spoina pęknie w punktach B,C,D.

Jeżeli podgrzejemy miejsce spawania na szerokości

150 mm od złącza to odkształcenie zmniejszy się o ΔL

i wyniesie L2. Z wykresu wynika, że podgrzewanie spo-

woduje pęknięcie w punkcie D. Z drugiej strony, pod-

grzanie spowoduje mniejsze zahartowanie i krzywa D

zamieni się na krzywą C, co spowoduje, że spoina nie

pęknie lecz będzie miała mniejszy zapas na odkształce-

nie. Jeżeli miejsce spawania było by wcześniej obrabiane

plastycznie na zimno to ta obróbka spowoduje utratę za-

pasu na odkształcenie (bardziej strome krzywe wytrzy-

małości z rys 1) i spowoduje to pęknięcie spoiny pomi-

mo podgrzewania. Dlatego Urząd Dozoru Technicznego

nie dopuszcza spoin na „kolanach”, a ich odległość od

miejsca odkształceń plastycznych na zimno powinna

wynosić 150 mm.

spawania i pełnego badania wytrzymałości płyt prób-

nych i określenie parametrów spawania i energii linio-

wej, przy której wyniki wszystkich prób będą pozytyw-

ne. Dopuszczone są wówczas parametry spawania, przy

których energia liniowa wynosi – od 0,8 energii liniowej

spawania w pozycji naściennej, do 1,2 energii liniowej

spawania w pozycji pionowej.

Można się zastanawiać dlaczego normy europejskie

wprowadziły pojęcie energii liniowej i skąd ono się wzię-

ło, i czy kontrola energii liniowej zawsze jest słuszna. Po-

niżej spróbujemy przybliżyć tę sprawę.

Kontrola procesów cieplnych spawania opiera się na

rozwiązywaniu równań różniczkowych wymiany ciepła

podczas spawania. W latach 70-tych pojawiły się prace

opisujące procesy rozchodzenia się ciepła poprzez roz-

wiązywanie równań wymiany ciepła. Ponieważ w przy-

padku topienia metalu problem jest dosyć trudny, gdyż

rozwiązania takich równań różniczkowych udaje się

uzyskać stosunkowo prosto dla funkcji liniowych, po-

minięto bardzo istotny element – nieliniowe wprowa-

dzenie ciepła topienia. Dla dociekliwego zyka byłoby to

niedopuszczalne, lecz względy praktyczne i możliwość

wyliczania szybkości chłodzenia i przewidywania har-

towania się strefy wpływu ciepła zwyciężyły. O dziwo,

Kontrola ilościowa procesów cieplnych

spawania na etapie projektowania

Jednym z etapów projektowania jest dopuszczanie tech-

nologii do spawania na podstawie norm europejskich

i ISO. Obliguje to wykonawcę do przeprowadzenia prób

model punktowego źródła ciepła

model zalewania rowka metalem o temperaturze T

rys. 2

Stary i nowy

model

analizy

procesów

cieplnych

spawania

y=0

0,6

1,2

2,4

3,6

-20

-16

-12

-8

[cm]

-4

T=f(U•I,x,y)

-2

-4

-6

1100

x, cm

800

300

500

1600

250

-20

-16

-12

-8

-4

Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | marzec 2010 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Temat numeru |

Technologie ł ączenia

Aby ocenić wpływ ciepła topienia na metalurgię nale-

ży ocenić stosunek dostarczonej energii do energii zuży-

tej na topienie spoiny.

matematycy wykonujący obliczenia cyfrowe metodą ele-

mentów skończonych, zamiast próbować zbliżyć się do

rzeczywistości, próbowali dopasować funkcję „od tyłu”,

wstawiając wirtualny rozkład temperatury łuku. Było to

możliwe dlatego, że w latach 80-tych tylko obecny rektor

UJ, prof. Musioł dysponował stanowiskiem do badania

rozkładu temperatury łuku. Przy istniejących wtedy

komputerach „Odra”, pomiary fotopowielaczem trwały

kilka godzin, a obliczenia – kilka tygodni.

Dopiero niedawno pojawiły się laserowe techniki

pomiaru punktowego temperatury łuku w czasie rze-

czywistym, gdzie dwa promienie lasera barwnikowego

zderzają się, tworząc jeden strumień, który niesie infor-

mację o punktowej temperaturze łuku elektrycznego.

Z punktu widzenia funkcjonowania mózgu łatwiejsze

do analizy rozwiązania analityczne bardziej tra ają do

inżynierów niż obliczenia numeryczne. Duże uprosz-

czenia rozwiązań teoretycznych pomagały zwykle roz-

wiązać bieżące problemy, ze względu na swoją prosto-

tę. Jednak z uwagi na to, że umysł ścisły powtarzając

niektóre, nawet nieprawdziwe wzory, tak się do nich

przyzwyczaja, że bierze je za pewnik, więc rozwój teo-

rii procesów cieplnych spawania został zablokowany na

długie lata.

Światowe koncerny na owe robiące badania podsta-

wowe w oparciu o specjalistów nie związanych ze spawa-

niem, mogły dzięki temu utrzymać dominującą pozycję

na rynku spawania stali kwasoodpornych, gdyż inżynie-

rowie spawalnicy z konkurencyjnych rm zmniejszali

energię liniową zamiast tak szkolić spawaczy, aby przy

tej samej energii liniowej zwiększać przekrój spoiny,

czyli obniżać temperaturę jeziorka spawalniczego cie-

płem topienia drutu.

gdzie:

Q- ciepło dostarczone; Qtopienia- ciepło potrzebne

do stopienia spoiny;

E m – ilość energii zużytej na wykonanie 1kg spoiny;

E liniowa – energia liniowa;

U- napięcie łuku; I- prąd spawania; S- przekrój po-

przeczny spoiny;

V sp – szybkośc spawania; Cv – ciepło topienia; ρ - gę-

stość; μ- sprawność

C wł. – ciepło właściwe

Odzwierciedlenie tych wzorów przedstawia amery-

kańska norma na owa (Rys. 3).

Przy stałej energii liniowej wytrzymałość wzrasta

wraz ze wzrostem objętości ściegu czyli jego przekroju.

W tradycyjnych spawarkach ilość stopionego drutu zale-

żała od prądu spawania i przy ustalonej energii liniowej

przekrój ściegu też był ustalony. Nowe urządzenia prądu

zmiennego niesymetrycznego pozwalają zmieniać prze-

krój ściegu, przy tej samej energii liniowej E:

E liniowa l = 0,8 x U x I/ Vsp.

Rys. 3 prezentuje te nowe możliwości urządzeń spa-

walniczych.

Warto się zastanowić, dlaczego spawania termitowego

szyn o bardzo dużej energii liniowej (krótki czas zalewa-

nia formy) nie udało się wyprzeć spawaniem elektrycz-

nym. Zalewanie formy ciekłym metalem o temperatu-

rze topienia jest podobne do ciągłego odlewania stali.

Pomimo polewania wodą wlewków instalacji ciągłego

odlewania stali nic się nie dzieje. Podobnie zalewanie

16 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | marzec 2010 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

| Temat numeru

Technologie ł ączenia

Rys. 3 Zależność wytrzymałości od ilości ciepła wprowadzonego na jednostkę masy spoiny

oraz zależność wytrzymałości przy stałej energii liniowej od objętości metalu spoiny

rowka spawalniczego pokazane na rysunku 2 nie powin-

no wpływać na strukturę spoiny i strefy wpływu ciepła.

Dzieje się tak ze względu na dużo większą przewodność

ciepła stali zakrzepniętej niż stali ciekłej. Dopiero pod-

wyższenie temperatury zalewania ciekłym metalem po-

woduje cykliczność krzepnięcia i przegrzewanie strefy

wpływu ciepła. Dlatego wzrost energii liniowej z rów-

noczesnym wzrostem przekroju spoiny poprzez wzrost

szybkości stapiania nie powinien zwiększać średniej

temperatury jeziorka i wpływać na własności spoiny.

Można było więc ustalać energię liniową przez kontro-

lowanie ilości ściegów spoiny.

Na pole powierzchni przekroju wpływa szybkość to-

pienia drutu i głębokość wtopienia. Tradycyjne urzą-

dzenia spawalnicze dawały stałą szybkość topienia, co

oznaczało, że ilość stopionego drutu była zależna od

prądu spawania i przekrój spoiny przy tej samej energii

liniowej nie ulegał zmianie.

Projektowanie techniki spawania

Dawniej zwiększenie szybkości topienia można

było uzyskać poprzez zamianę drutu pełnego na

stopiwo w postaci rurki, o większej powierzchni

topienia, czyli drutu proszkowego. Dlatego dru-

tami proszkowymi można było spawać więk-

szymi energiami liniowymi i uzyskiwać dobrą

udarność w niskich temperaturach i mniejszą

szerokość strefy naprężeń spawalniczych roz-

ciągających (równych granicy plastyczności).

Możliwość regulacji balansu i o setu przebiegu

prądu zmiennego prostokątnego, niesymetrycznego,

umożliwia regulację głębokości wtopienia i szybkości

stapiania drutu, a więc przekroju spoiny przy tej samej

energii liniowej.

Istniały też inne, mało stosowane przez nadzór, a wy-

korzystywane przez ekspertów spawania, wizualne spo-

soby zwiększenia przekroju spoiny przy tej samej energii

liniowej (pokazane na rys.4). Pierwszy sposób to znacz-

łuk na początku jeziorka

łuk na końcu jeziorka

zimne jeziorko

gorące jeziorko

głębokość wtopienia

duże wtopienie

przyklejenie

gorące jeziorko

zimne jeziorko

ne skrócenie łuku przy spawaniu TIG. Drugi sposób to

zmiana położenia łuku w stosunku do jeziorka przy spa-

waniu MAG i MIG.

Jak wynika z rysunku 4, szerokość jeziorka można kon-

trolować nie tylko przez długość łuku, ale również przez kąt

rozwarcia. W spawaniu półautomatycznym GMAW wiel-

kość jeziorka możemy kontrolować napięciem łuku i kątem

rozwarcia łuku. Napięcie łuku zależy od pola powierzchni

bocznej łuku, która jest powierzchnią strat energii promie-

niowania (zakłada się, że w środku łuku promieniowanie

powoduje jonizację i nie wychodzi na zewnątrz).

Zmniejszając kąt rozwarcia przy tym samym napięciu,

zwiększamy wielkość jeziorka i jego temperaturę. Wynika to

z zasad termodynamiki, że ciepło nie ginie i służy do topienia

Rys. 4. Wpływ

położenia łuku

w stosunku

do jeziorka na

temperaturę łuku

i głębokość

wtopienia

Jak wynika z powyższego wzoru przy tradycyjnych

urządzeniach spawalniczych wytrzymałość połączeń

spawanych będzie zależała wyłącznie od napięcia, które

w tych urządzeniach zmienia się w niewielkim zakresie.

Dopiero zastosowanie funkcji ARC Force zmniejszające

w sposób dynamiczny napięcie łuku wraz ze wzrostem

prądu pozwala na uzyskanie złotej barwy ściegów ze sta-

li wykonanych metodą MAG.

Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | marzec 2010 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Temat numeru |

Technologie ł ączenia

Jak ważnym problemem w projektowaniu jest

kryterium odkształceń i możliwości zgubie-

nia odkształceń cieplnego skurczu spoiny

podczas montażu przekonali się projektanci

mostów. Jeżeli półka dźwigara jest wykonana

z trzech nakładek po 40 mm (taką grubość

dopuszcza norma mostowa) to aby pospawać

doczołowo blachy wszystkich nakładek trzeba

zaprojektować wstawki w wyżej położonych

nakładkach. Jeżeli przyjmiemy odległość 150

mm to nakładki będą miały długości odpo-

wiednio: 300 i 600 mm i będzie to za mało,

aby zgubić skurcz spoiny blachy o grubości

40 mm, wynoszący 8 mm. Aby spoiny nie

popękały trzeba założyć odległość do spoin

pachwinowych nakładek blokujących od-

kształcenia – 300 mm, co daje długość nakła-

dek: 600 i 1200 mm, a więc dwa razy więcej

niż wynikałoby to z przepisów UDT. Oznacza

to również, że spoiny nakładek powinny być

niedospawane do miejsca układania spoiny

doczołowej na długości 300 mm. Poza tym,

nie wszystkie ściegi przenoszą to samo ob-

ciążenie i w takim samym stopniu podlegają

zahartowaniu. Najbardziej odkształcony jest

przetop i on też jest najbardziej zahartowany,

co powoduje, że w przetopie mogą wystąpić

mikropęknięcia, które podczas obciążenia

podłoża i grzania jeziorka spawalniczego. Ponieważ topienie

następuje w wyniku zycznego kontaktu gorących gazów

z podłożem, ilość stopionego podłoża zależy od przepływu

gorących gazów (topienie przez przewodnictwo cieplne mo-

żemy pominąć), którego miernikiem jest przepływ jonów,

czyli prąd elektryczny ( przy stopniu jonizacji 5%; x 20).

Jeżeli nie zmieniamy przepływu, a tylko odsuwamy blachę

(wydłużamy łuk) to wysokość topionego walca czyli głębo-

kość wtopienia powinna maleć. W rzeczywistości mecha-

nizm jest ba rd ziej skompli kowa ny. Sk ładowa pionowa ciśnie-

nia odsuwa ciekły metal na boki i pozwala gorącym gazom

(rys. 5) docierać do podłoża i topić coraz głębsze warstwy.

Składowa pozioma transportuje ciekły metal do nadlewu

(spawanie w prawo, metodą ciągnięcia) lub przed łuk i wte-

dy składowa ciśnienia ugina ciekły metal z topionego dru-

tu, gazy nie docierają do podłoża i zamiast topić i chłodzić

ciepłem topienia, grzeją jeziorko (spawanie w lewo, metodą

ciągnięcia). Przy spawaniu MIG najkorzystniejszy jest kąt

odchylenia od pionu 7º. Teorię, że przy spawaniu łuk elek-

tryczny służy tylko do wywołania różnicy temperatur, a róż-

nica temperatur napędza ruch gorących gazów od gorącego

obszaru w pobliżu elektrody do zimnej blachy, potwierdza

rysunek 5. Przy zmianie biegunowości powinna wystąpić

zmiana kształtu łuku jak na rysunku 5a. Rys. 5b pokazuje,

że taka zmiana nie nastąpiła i łuk nadal rozszerza się w kie-

runku blachy.

a. zmiana biegunowości

b. zmiana biegunowości

drut proszkowy rytlowy szybkokrzepnący

24V

18% CO 2

82%Ar

180A

α=ß

22V

15V

20V

18V

18% CO 2

82% Ar

160A

180A

kropla otoczona żużlem nie paruje

Rys. 5 Wpływ długości łuku i kąta rozwarcia łuku na wielkość jeziorka i napięcie łuku

18 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | marzec 2010 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: