Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
Katedra Technologii materiałów Maszynowych i Spawalnictwa
NAPRĘŻENIA SPAWALNICZE I
ODKSZTAŁCENIA
Temat 4.3
Materiały pomocnicze
Opracował dr inż.. Wojciech Kiełczyński
Gdańsk 2004
Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
Katedra Technologii materiałów Maszynowych i Spawalnictwa
NAPRĘŻENIA SPAWALNICZE I
ODKSZTAŁCENIA
Temat 4.3
Materiały pomocnicze
Opracował dr inż.. Wojciech Kiełczyński
Gdańsk 2004
DEFINICJE
STAN NAPRĘŻEŃ ISTNIEJĄCY W MATERIALE, NA KTÓRY NIE DZIAŁAJĄ
ZEWNĘTRZNE OBCIĄŻENIA ( ŁĄCZNIE Z SIŁAMI CIĘŻKOSCI) LUB INNE
ŹRÓDŁA NAPRĘŻEN ( JAK TERMICZNY GRADIENT) NAZYWAMY
NAPRĘŻENIAMI WŁASNYMI LUB
POZOSTAJĄCYMI. UKŁADY NAPRĘŻEŃ WŁASNYCH W MATERIALE SĄ W
RÓWNOWADZE, TZN. WYPADKOWA SIŁ LUB MOMENTÓW BĘDĄCA ICH
PRZYCZYNA MUSI BYĆ W RÓWNOWADZE
WPROWADZENIE
Oceną stanu naprę ż eń wł asnych – pospawalniczych, z racji praktycznego
aspektu zajmowano się od dawna. Jednak dopiero na począ tku lat
dziewię ć dziesią tych nastą pił a intensyfikacja badań i publikacji. Zasadniczy
cel poznawczy tych prac obejmuje dokł adniejsze poznanie zjawisk termo-
sprę ż ysto-plastycznych zachodzą cych podczas procesu spawania i wynika z
rozwoju zarówno metod obliczeniowych jak i metod doś wiadczalnych.
Problem obecnoś ci naprę ż eń pozostają cych, a ś ciś lej mówią c okreś lenie i
przewidywanie jego rozkł adu w konstrukcji jest przedmiotem
zainteresowania zarówno technologów, konstruktorów jak i badaczy,
zajmują cymi się projektowaniem, wytwarzaniem, i optymalizacją
konstrukcji spawanych
Klasyfikacja naprężeń własnych
• Pierwszego rodzaju makroskopowe-
obejmujące swym zasięgiem szereg ziarn
metalu,
• Drugiego rodzaju obejmujące jedno lub
kilka ziarn,
• Trzeciego rodzaju oddziaływujące w
zakresie sieci krystalicznej.
ŹRÓDŁA NAPRĘŻEŃ
WŁASNYCH
• PRZERÓBKA PLASTYCZNA – kucie, gięcie,
walcowanie itp.
• OBRÓBKA SKRAWANIEM.
• SPAWANIE I CIĘCIE TERMICZNE oraz
procesy pochodne.
• PROCESY OBRÓBKI CIEPLNEJ lub
TERMOMECHANICZNEJ włączając w to
hartowanie, azotowanie, obróbka termiczna
laserem, nawęglanie itp..
NAPRĘ ŻENIA I ODKSZTAŁ CENIA POZOSTAJĄCE W
POŁĄCZENIACH SPAWANYCH
Powstają na skutek nierównomiernego zmiennego w czasie i przestrzeni
rozkł adu temperatur podczas spawania
ZAGADNIENIE CIEPLNE
Sformułowanie Problemu
Równanie różniczkowe przewodzenia ciepła
v
p
q
t
c
+
∇
∇
=
∂
∂
)
(
θ
λ
θ
ρ
)
(
θ
p
c
- ciepło właściwe,
)
(
θ
ρ
- gęstość materiału,
)
(
θ
λ
- współczynnik przewodzenia
ciepła,
θ - temperatura,
v
q - wydajność wewnętrznego źródła ciepła, t - czas.
Warunki brzegowo-początkowe –
h
S
=
1
θ
g
n
S
=
∂
∂
2
θ
(
)
2
2
S
ot
S
n
θ
θ
β
θ
λ
−
=
∂
∂
Warunek początkowy
ot
t
t
o
θ
θ
=
=
Funkcjonał ekwiwalenty do równania różniczkowego przewodzenia ciepła
∫
∑
∫
∫
−
−
−
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
=
S
u
i
i
S
S
V
V
z
y
x
e
Q
ds
q
qdV
dV
z
y
x
J
θ
θ
θ
θ
λ
θ
λ
θ
λ
2
2
2
2
1
Wartość funkcjonału J w całym obszarze V jest równa sumie funkcjonałów
J
e
po wszystkich elementach
∑
=
e
e
J
J
temperaturę
(
)
z
y
x
,
,
θ
wewnątrz każdego obszaru, opisanego w prostokątnym
układzie x, y, z, określa się za pomocą jej wartości węzłowych T
i
,
i pewnych funkcji
interpolacyjnych
(
)
z
y
x
,
,
ϕ
(
)
(
)
∑
=
=
m
i
i
T
z
y
x
z
y
x
1
,
,
,
,
ϕ
θ
gdzie m- jest liczbą węzłów w elemencie.
co w zapisie macierzowym ma postać
T
ϕ
θ
=
∫
∫
∫
∑
−
−
−
=
e
e
V
V
S
i
i
S
T
T
T
T
s
T
s
T
e
TQ
dS
q
T
qdV
T
TdV
T
J
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
λ
,
,
2
1
Macierzowe równanie przewodzenia ciepła
Q
T
AT
=
Β
+
.
gdzie:
A - macierz pojemności cieplnej, T - wektor temperatur w węzłach, B -
macierz przewodnictwa ciepła,
.
T
- wektor pochodnych temperatur w
węzłach, Q – wektor obciążeń zewnętrznych zredukowanych do węzłów
podstawiając:
(
)
t
T
T
T
t
t
t
∆
−
=
∆
+
1
.
gdzie: t – czas,
∆t – krok czasowy
otrzymuje się
t
t
t
t
t
t
t
BT
t
Q
T
B
t
A
∆
+
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∆
−
∆
+
∆
+
∆
+
1
1
t
t
t
t
F
CT
∆
+
∆
+
=
gdzie:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∆
−
=
∆
+
B
t
A
C
t
t
1
t
t
t
BT
t
Q
F
∆
+
+
∆
+
1
V=0,2cm/s
V=0.5cm/s
V=1.0cm/s
ODKSZTAŁCENIA
SPAWALNICZE
PODSTWOWE RODZAJE
ODKSZTAŁCEŃ
Odkształcenia w wytwarzanej konstrukcji
spowodowane jest przez trójosiowe
zmiany wymiarów powstające podczas
spawania:
1. Skrócenie poprzeczne,
2. Skrócenie podłużne,
3. Zmiana kąta spowodowana obrotem
wokół linii spawania.
RODZAJE ODKSZTAŁCEŃ 1
A ) POPRZECZNE ODKSZTAŁCENIE
SPOINY
B ) KĄTOWE ODKSZTAŁCENIE SPOINY
CZOŁOWEJ
D ) KĄTOWE ODKSZTAŁCENIE SPOINY
PACHWINOWEJ
Empiryczna zależności kąta
odkształcenia
RODZAJE ODKSZTAŁCEŃ 2
Efekt ściągania spoiny
Środek ciężkości spoiny
Obojętna
Oś
E ) EFEKT ŚCIĄGANIA SPOINY POWYŻEJ OSI OBOJĘTNEJ
Obojętna
Oś
Środek ciężkości spoiny
Efekt ściągania spoiny
F ) EFEKT ŚCIĄGANIA SPOINY PONIŻEJ OSI OBOJĘTNEJ
SPOSOBY MINIMALIZACJI ODKSZTAŁCEŃ 1
A
A
30°
MAX.
60°
MAX.
0.8 TO 1.6 mm
A ) NIE PRZEWYMIAROWYWAĆ SPOINY
B ) POPRAWNE PRZYGOTOWANIE BRZEGÓW
I ŁĄCZENIE
ZBYT DUŻY NADLEW
ZWIĘKSZENIE ODKSZTAŁCEŃ
ŹLE DOBRZE
STOSOWANIE UKOSOWANIA
- UKOSOWANIE „ X ”
ZMNIEJSZENIE
KĄTA UKOSOWANIA
STOSOWANIE UKOSOWANIA
- UKOSOWANIE „ Y ”
C ) SPOINY PRZERYWANE
D ) MINIMALNA LICZBA ŚCIEGÓW
Wpływ kolejności spawania i kąta
rozwarcia rowka na odkształcenia
SPOSOBY MINIMALIZACJI ODKSZTAŁCEŃ 2
MNIEJSZE
ODKSZTAŁCENIE
MNIEJSZE
ODKSZTAŁCENIE
E ) SPAWANIE W POBLIŻU OSI OBOJĘTNEJ
F ) RÓWNOWAŻENIE SPOINY WOKÓŁ
OSI OBOJĘTNEJ
1
2
3
4
C
A
C
D
B
D
G ) SPAWANIE ODCINKOWO WSTECZNE
H ) PRZECIWUGIĘCIE
Szczegóły spawania odcinkowo-
wstecznego
Redukcja odkształceń drogą
kontroli kolejności spawania
Przeciwugięcie
Zmiana konstrukcji węzła
SPOSOBY MINIMALIZACJI ODKSZTAŁCEŃ 3
I ) USZTYWNIENIE
1
2
3
4
5
6
2
1
4
6
3
5
H ) PRZECIWUGIĘCIE
2
3
1
4
K ) SPAWANIE WZGLĘDEM OSI
SYMETRII
J ) KOLEJNOŚĆ SPAWANIA
Utwierdzenie elementów
spawanych
Technologia spawania
Redukcja odkształceń za pomocą
ciepła
Redukcja odkształceń za pomocą
ciepła cd.
Problem utraty stateczności