Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Katedra Technologii materiałów Maszynowych i Spawalnictwa NAPRŻENIA SPAWALNICZE I ODKSZTAACENIA Temat 4.3 Materiały pomocnicze Opracował dr inż.. Wojciech Kiełczyński Gdańsk 2004 DEFINICJE STAN NAPRŻEC ISTNIEJCY W MATERIALE, NA KTÓRY NIE DZIAAAJ ZEWNTRZNE OBCIŻENIA ( ACZNIE Z SIAAMI CIŻKOSCI) LUB INNE yRÓDAA NAPRŻEN ( JAK TERMICZNY GRADIENT) NAZYWAMY NAPRŻENIAMI WAASNYMI LUB POZOSTAJCYMI. UKAADY NAPRŻEC WAASNYCH W MATERIALE S W RÓWNOWADZE, TZN. WYPADKOWA SIA LUB MOMENTÓW BDCA 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. yRÓDAA NAPRŻEC WAASNYCH " PRZERÓBKA PLASTYCZNA kucie, gięcie, walcowanie itp. " OBRÓBKA SKRAWANIEM. " SPAWANIE I CICIE TERMICZNE oraz procesy pochodne. " PROCESY OBRÓBKI CIEPLNEJ lub TERMOMECHANICZNEJ włączając w to hartowanie, azotowanie, obróbka termiczna laserem, nawęglanie itp.. NAPRŻENIA I ODKSZTAACENIA POZOSTAJCE W POACZENIACH SPAWANYCH Powstają na skutek nierównomiernego zmiennego w czasie i przestrzeni rozkł adu temperatur podczas spawania ZAGADNIENIE CIEPLNE Sformułowanie Problemu Równanie różniczkowe przewodzenia ciepła " cp = "(" ) + qv "t cp ( ) - ciepło właściwe, ( ) - gęstość materiału, ( ) - współczynnik przewodzenia ciepła, - temperatura, qv - wydajność wewnętrznego zródła ciepła, t - czas. Warunki brzegowo-początkowe = h S1 " = g S2 "n " = (ot - ) S2 S2 "n Warunek początkowy = ot t=to Funkcjonał ekwiwalenty do równania różniczkowego przewodzenia ciepła 2 2 2 Ą# ń# 1 " # ś# " " # ś# # ś# e S i J = qdV - qS ds - Qi x " +"ó# ś# ź# + y ś# ź# + z ś# "z ź# Ą#dV - +" +" ś# ź# 2 "x "y # # # # ó# # # Ą# u V V S Ł# Ś# Wartość funkcjonału w całym obszarze jest równa sumie funkcjonałów J V po wszystkich elementach Je e J = "J e temperaturę (x, y, z) wewnątrz każdego obszaru, opisanego w prostokątnym układzie x, y, z, określa się za pomocą jej wartości węzłowych Ti, i pewnych funkcji interpolacyjnych (x, y, z) m (x, y, z) = "(x, y, z)Ti gdzie m- jest liczbą węzłów w elemencie. i=1 co w zapisie macierzowym ma postać = T 1 e T T T T T J = s "TQi +"T ,T,sTdV - +"T qdV - +"T qS dS - 2 ee i S VV Macierzowe równanie przewodzenia ciepła . AT + łT = Q gdzie: - macierz pojemności cieplnej, - wektor temperatur w węzłach, - A T B . macierz przewodnictwa ciepła, T - wektor pochodnych temperatur w węzłach, wektor obciążeń zewnętrznych zredukowanych do węzłów Q podstawiając: . 1 t+"t t T = (T - T )"t gdzie: t czas, t krok czasowy " otrzymuje się 1 1 # t+"t t At+"t ś# - Bś#T = Qt+"t + BT ź# "t "t # # t+"t t+"t CT = F gdzie: 1 1 # t C = At+"t - Bś# F + Qt+"t + BT ś# ź# "t "t # # V=0,2cm/s V=0.5cm/s V=1.0cm/s ODKSZTAACENIA SPAWALNICZE PODSTWOWE RODZAJE ODKSZTAACEC 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 ODKSZTAACEC 1 A ) POPRZECZNE ODKSZTAACENIE B ) KTOWE ODKSZTAACENIE SPOINY SPOINY CZOAOWEJ D ) KTOWE ODKSZTAACENIE SPOINY PACHWINOWEJ Empiryczna zależności kąta odkształcenia RODZAJE ODKSZTAACEC 2 Efekt ściągania spoiny Obojętna Oś Środek ciężkości spoiny E ) EFEKT ŚCIGANIA SPOINY POWYŻEJ OSI OBOJTNEJ Środek ciężkości spoiny Obojętna Oś Efekt ściągania spoiny F ) EFEKT ŚCIGANIA SPOINY PONIŻEJ OSI OBOJTNEJ SPOSOBY MINIMALIZACJI ODKSZTAACEC 1 STOSOWANIE UKOSOWANIA - UKOSOWANIE X ZBYT DUŻY NADLEW ZWIKSZENIE ODKSZTAACEC STOSOWANIE UKOSOWANIA - UKOSOWANIE Y 30 A MAX. ZMNIEJSZENIE KTA UKOSOWANIA A ) NIE PRZEWYMIAROWYWAĆ SPOINY 60 MAX. 0.8 TO 1.6 mm B ) POPRAWNE PRZYGOTOWANIE BRZEGÓW I ACZENIE yLE DOBRZE C ) SPOINY PRZERYWANE D ) MINIMALNA LICZBA ŚCIEGÓW A Wpływ kolejności spawania i kąta rozwarcia rowka na odkształcenia SPOSOBY MINIMALIZACJI ODKSZTAACEC 2 MNIEJSZE ODKSZTAACENIE MNIEJSZE ODKSZTAACENIE E ) SPAWANIE W POBLIŻU OSI OBOJTNEJ F ) RÓWNOWAŻENIE SPOINY WOKÓA OSI OBOJTNEJ C D 1 2 3 4 B A C D G ) SPAWANIE ODCINKOWO WSTECZNE H ) PRZECIWUGICIE Szczegóły spawania odcinkowo- wstecznego Redukcja odkształceń drogą kontroli kolejności spawania Przeciwugięcie Zmiana konstrukcji węzła SPOSOBY MINIMALIZACJI ODKSZTAACEC 3 I ) USZTYWNIENIE 6 H ) PRZECIWUGICIE 6 5 5 4 3 3 4 3 2 2 2 1 1 1 4 K ) SPAWANIE WZGLDEM OSI J ) KOLEJNOŚĆ SPAWANIA SYMETRII Utwierdzenie elementów spawanych Technologia spawania Redukcja odkształceń za pomocą ciepła Redukcja odkształceń za pomocą ciepła cd. Problem utraty stateczności