Zbytková napětí a deformace | Svařování a svářeč

Při svařování dochází k napětí a deformaci v každém bodě svarového spoje nebo konstrukce.. Během počátečního období svařování, kdy se kov zahřívá, a během následného ochlazování se výrazně mění ve velikosti, znaménku a povaze distribuce v určitém úseku a obvykle se nazývají dočasné. Jak postupuje ochlazování, dočasná napětí a deformace se postupně přeměňují na zbytková napětí, která u většiny konstrukčních materiálů existují v kovu po celou další dobu provozu.

V důsledku vzniku deformací v každém bodě kovu dochází k pohybům svařovaných prvků a díky tomu dochází ke změně tvaru svařovaných výrobků. Můžeme rozlišit několik nejtypičtějších typů tvarových změn, které se objevují samostatně nebo v určitých vzájemných kombinacích. Je obvyklé rozlišovat mezi pohyby v rovině svařovaných plechů – podélné zkrácení z podélného smrštění kovu, příčné zkrácení z příčného smrštění, ohýbání v rovině. Dále byste měli upozornit na posuny od roviny svařovaných plechů – úhlové deformace při svařování tupých i T-spojů. Významné místo zaujímají deformace trámových konstrukcí – ohýbání a zkracování od svařování podélných i příčných švů a v některých případech i deformace kroucení trámů. Při svařování tenkostěnných prvků může docházet k deformacím ve formě vybočení v důsledku ztráty stabilní formy rovnováhy při působení tlakových zbytkových napětí v jednom nebo dvou směrech.

Při zahřívání se modul pružnosti oceli postupně snižuje a zvyšuje se koeficient tepelného prodloužení. Mez kluzu se u většiny nízkouhlíkových a nízkolegovaných ocelí se zvýšením teploty přibližně na 500°C prakticky nemění a poté dosti prudce klesá a při teplotě 600 – 650°C má nevýznamnou hodnotu. Obvykle se má za to, že při 600 °C kov ztrácí své elastické vlastnosti a jeho mez kluzu je nulová. U jiných materiálů, jako jsou hliník a slitiny titanu, k tomu dochází při různých teplotách. A samotná podstata změny meze kluzu s rostoucí teplotou u různých materiálů je ve většině případů také odlišná. Většina svařovaných konstrukcí je vyrobena z nízkouhlíkových a nízkolegovaných ocelí. Ve vztahu k těmto materiálům je akceptována schematická závislost meze kluzu na teplotě, pro kterou od 0 do 500 °C zůstává mez kluzu nezměněna a v rozmezí od 500 do 600 °C přímočaře klesá k nule. . Tato změna meze kluzu nastává jak v tahu, tak v tlaku. Změny mechanických a termofyzikálních vlastností kovu při zahřátí je třeba vzít v úvahu při analýze procesů tepelné deformace během svařování.

Teplotní deformace mnoha objemů kovu ve svarovém spoji, jak ve fázi ohřevu, tak ve fázi ochlazování, nemůže být volně realizována v důsledku omezení (vazeb) způsobených různými upevněními z montážního a svařovacího zařízení, jakož i vynucených na vytápěné prostory z méně vytápěných prostor. Z tohoto důvodu dochází u mnoha objemů kovu k plastické deformaci zkrácení (komprese) a prodloužení (tahu), a to jak ve fázi ohřevu, tak ve fázi ochlazování. Tyto deformace se zpravidla z různých důvodů vzájemně nekompenzují. V důsledku toho ve svařovaném výrobku po svařování, nerovnoměrně rozloženém, převážně soustředěném v blízkosti svaru, dochází ke zbytkové plastické deformaci. Zpravidla se jedná o zkracující se deformaci a hlavně podélnou ve vztahu ke švu. Takto se kov smršťuje při svařování. Pokud po svaření výrobek mentálně rozdělíme na elementární objemy a odstraníme mezi nimi silovou interakci, získáme v původním výrobku mnoho různých trhlin, mezer atd., jejichž souhrn vytváří celkový objem smrštění při svařování. Vzhledem k hypotéze kontinuity tělesa před zatížením i po něm by však ve svařovaném výrobku neměly být žádné trhliny nebo mezery, a to je realizováno vytvořením určité silové interakce mezi takovými objemy, což není nic jiného než zbytkové svařovací napětí.

Svarový spoj lze podmíněně rozdělit na tři části – střední, vysoce vyhřívanou, obsahující na obou stranách svar a k němu přiléhající oblasti určité šířky základního kovu a také dvě mírně nebo přibližně nezahřáté obvodové části. Rozložení teploty při svařování po šířce svarového spoje je výrazně nerovnoměrné. Ve vysoce vytápěné oblasti jsou teploty velmi vysoké a odpovídající teplotní deformace v podélném směru je tak velká, že celkově v této zóně dochází kromě pružného stlačení i k velké plastické zkracovací deformaci. Ve fázi ochlazování svarového spoje dochází v této vysoce zahřáté oblasti k podélné plastické deformaci protažením. Z určitých důvodů je plastická deformace prodloužení při ochlazování o něco menší než podobná deformace zkrácení při ohřevu a nedochází k úplné kompenzaci plastické deformace spoje v této oblasti. V důsledku toho zde máme nerovnoměrně rozloženou podélnou deformaci plastického zkrácení. Ve zbytku spojení chybí. V podstatě právě z tohoto důvodu vznikají při svařování zbytková napětí. Zbytková napětí jsou samovyrovnaná v libovolných spojovacích úsecích. Ve střední vysoce vyhřívané oblasti spoje jsou zbytková napětí tahová (znaménko „+“), ve zbytku spoje tlaková (znaménko „-“).

Velikost jevů podélného a příčného smršťování při svařování je ve většině případů různá. Zpravidla převažují jevy podélného smršťování nad příčným. Existují však i případy téměř shodného vlivu jevů podélného i příčného smršťování, např. při svařování kruhového prvku do desky, při svařování krátkých trhlin v plechu, při bodovém kontaktním svařování apod. Poměr mezi tepelným zadání svařování, napětí smršťování a deformace svařovaných konstrukcí. Obecně platí, že čím větší je tepelný příkon svařování, tím větší je šířka vysoce zahřáté zóny svarového spoje, což vytváří velké objemy smrštění, a tedy větší smršťovací síly. To v konečném důsledku vede k větší deformaci produktu.

Relativní deformace v bodě se určí vydělením absolutních deformací naměřených nějakým způsobem na předem zvoleném základu měření hodnotou základny měření. Při použití odporových tenzometrů je způsob stanovení poměrných deformací poněkud odlišný. Nejčastěji se však absolutní deformace při svařování zjišťují pomocí mechanických tenzometrů s číselníkovými úchylkoměry, které mohou mít různou základnu měření, jsou vysoce spolehlivé v provozu a mají dobrou přesnost při určování deformací. V závislosti na umístění (uvnitř plastické zóny nebo mimo ni) ve svarovém spoji bodu, ve kterém se zjišťují napětí, je nutné rozřezat svarový spoj na samostatné prvky s měřícími základnami umístěnými na nich, aby se rozdělil celkový deformace na měřené bázi na elastické a plastické komponenty. Pokud se bod zjevně nachází mimo plastickou zónu, není postup řezání nutný. Stačí provést měření před a po svařování. Rozdíl v odečtech přístroje bude představovat absolutní elastickou deformaci, kterou lze přímo převést na relativní elastickou deformaci a následně pomocí odpovídajících závislostí Hookova zákona na napětí. Jednou z významných nevýhod mechanických metod měření zbytkových napětí je nutnost do určité míry zničit oblast svarového spoje nebo konstrukce v místě, kde probíhá měření. Fyzikální metody, jako je holografická interferometrie a opticky citlivé povlaky, tuto nevýhodu nemají.

Fyzikální metody jsou takové, které jsou založeny na využití nějakého fyzikálního jevu, který se projevuje za přítomnosti mechanického namáhání. Nejpoužívanější fyzikální metodou ve vztahu ke svařovaným výrobkům je metoda magnetoelastická, založená na jevu změn magnetické permeability feromagnetických materiálů pod vlivem mechanických namáhání, která se měří v kovu před a po svařování a zbytková napětí jsou určeno z jeho změny. Spolehlivé výsledky jsou získány měřením zbytkových jednoosých napětí v základním kovu svarového spoje. Použití této metody ke stanovení zbytkových napětí ve svaru a tepelně ovlivněné zóně může vést ke znatelným chybám. To je vysvětleno skutečností, že v důsledku svařování se magnetická permeabilita ve svaru a tepelně ovlivněné zóně mění nejen pod vlivem vznikajících zbytkových napětí, ale také v důsledku změn chemického složení, růstu zrn, změn ve struktuře a dalších jevech.

Ultrazvuková metoda stanovení zbytkových svařovacích napětí je založena na závislosti rychlosti šíření ultrazvukové vlny v kovech na napjatosti. Rychlost šíření ultrazvuku se měří na samostatné části kovu před a po svařování. Změna rychlosti se používá k posouzení velikosti zbytkových napětí. Metoda se používá především pro měření jednoosých napětí. Při měření ve svaru a tepelně ovlivněné zóně jsou vzhledem k heterogenitě vlastností kovu možné chyby ve výsledcích. Výhodou této metody, stejně jako magnetoelastické, je mobilita měření bez rozsáhlých přípravných prací.

V posledních letech se stále více rozvíjí holografie, dvoustupňová metoda záznamu a rekonstrukce čela vlny nesoucí informace o objektu, a používá se k měření stavu napětí-deformace.

Sled svařování jednotlivých konstrukčních prvků může mít významný vliv na stav napětí-deformace v důsledku změn podmínek upevnění svařovaných prvků. Příkladem je případ svařování I-nosníku se stěnou složenou z několika plechů, které je nutné svařit svislými tupými svary. Pokud nejprve svaříte podélné pasové švy a poté na stěnu svaříte příčné tupé švy, vznikne v nich vysoké příčné napětí v důsledku tuhého upevnění jednotlivých plechů stěny v důsledku svařování pasových švů. Při jiném pořadí svařování, kdy se nejprve svařují tupé švy na stěně a poté pasové švy, budou příčná napětí v tupých švech na stěně zanedbatelná kvůli možnosti příčných pohybů stěnových plechů při svařování tupé švy. Ze stejných důvodů při výrobě dna vertikálních válcových nádrží ze samostatných plechů nejprve svařte všechny příčné švy a poté svařte podélné švy. Podobných příkladů lze uvést dostatečné množství. Sekvence svařování je důležitá i z hlediska výsledných deformací deformace. Není náhodou, že pravidlo svařování panelů od středu k okraji za účelem snížení deformace je široce známé. Pokud má sled svařování vliv na rozložení zbytkových podélných deformací plastického zkrácení, pak ovlivňuje i stav zbytkového napětí ve svarovém spoji. Příkladem toho je metoda zpětného svařování, při které, jak známo, dochází ke snížení zbytkových napětí ve spoji v důsledku změny charakteru rozložení zbytkových podélných deformací plastických zkrácení.

Vliv zbytkových napětí na chování konstrukce během provozu je nejvýraznější u křehkých lomů. Zbytková napětí jsou silovým faktorem, jehož účinek se může plně projevit, když je kov svařované konstrukce v křehkém stavu. Lze poukázat na tři aspekty vlivu zbytkových napětí na křehký lom svařovaných konstrukcí. Za prvé, mohou být přidány k namáháním z vnějšího zatížení konstrukce a tím snížit množství vnějšího zatížení potřebného pro porušení. Za druhé mohou v jednotlivých objemech kovu vytvářet objemový napjatostní stav, který komplikuje plastickou deformaci kovu a přispívá k jeho přechodu do křehkého stavu se všemi z toho vyplývajícími důsledky. Konečně za třetí, vzhledem ke složité distribuci v různých úsecích svařovaného výrobku mohou zbytková napětí ovlivnit stabilitu procesu křehkého lomu, což je velmi důležité z hlediska vývoje opatření k jeho prevenci. Studium vlivu zbytkových napětí na křehký lom svařovaných konstrukcí je hlavním vědeckým a technickým problémem velkého národohospodářského významu a je studován výzkumníky v mnoha zemích již řadu let.

Je nutné snížit zbytková napětí a deformace ve svařovaných výrobcích. Analýza jejich vzniku ukazuje, že napěťově-deformační stav svařované konstrukce způsobují následující faktory: a) zbytkové podélné plastické zkrácení v plastické zóně; b) plastická deformace zkrácení ve směru příčném ke švu; c) nesoulad mezi těžištěm průřezu zóny plastické zkracovací deformace a těžištěm průřezu svařovaných prvků (excentrické působení smršťovací síly); d) strukturální změny způsobené ohřevem svařování.

Snížení zbytkových napětí a deformací lze dosáhnout následujícími metodami:

1. Racionální návrh svařovaných výrobků, která spočívá v umístění svarů co nejblíže k těžišti průřezu, aby se snížily ohybové momenty od smršťovacích sil.

2. Racionální volba metody a režimů svařování za účelem snížení přísunu tepla do kovu a tím snížení diagramu zbytkových podélných plastických zkracovacích deformací, které jsou zodpovědné především za zbytková napětí a deformace.

— Při svařování plechů se snažte o co nejrovnoměrnější zahřátí, abyste snížili úhlové deformace.

— Aplikace tepelné pece nebo místní zpracování svařovaných výrobků.

— Aplikace zpracování vibrací.

— Aplikace zpracování výbušnin.

— Aplikace aktivního zatížení svařovaných prvků během procesu svařování.

— Použití montážního a svařovacího zařízení s chlazením.

— Statické zatížení po svařování.

— Předehřev před svařováním.

— Válcování tenkostěnných svarových spojů po svařování.

— Tepelné rovnání po svařování.

Příklady řízení deformace svařovaných výrobků zahrnují tepelné rovnání průhybu svařovaných nosníků, tepelné rovnání lokálních deformací vybočení tenkoplechových prvků svařovaných konstrukcí, rovnání hřibovitých pásnic svařovaných T nosníků nebo I nosníků mechanicky , eliminace deformací při navařování přírub do skořepinových konstrukcí pomocí zpětného ohýbání svařovaných hran, eliminace „korzetových“ deformací při svařování obvodové svary na tenkostěnných válcových skořepinách válcováním zón plastické deformace s válečky atp.