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