WA
ASNOŚCI MECHANICZNE POA

CZEC
SPAWANYCH
Określenie własności mechanicznych połączeń spawanych wymaga znajomości
metod badań mechanicznych, znajomości budowy różnych rodzajów połączeń oraz
znajomości struktury złącza a w szczególności strefy wpływu ciepła (SWC)
1. Złącze spawane
W procesie spawania otrzymuje się połączenie spawane, w którym wyróżniamy trzy
obszary: spoinę, strefę wpływu ciepła (SWC) i strefę materiału spawanego. Spoina
powstaje podczas przejścia metalu w stan ciekły. Przetopieniu ulegają materiał
dodatkowy w postaci drutu, elektrod i topnika oraz brzegi materiału. Strefa wpływu ciepła
to strefa materiału spawanego o strukturze zmienionej na skutek cieplnego
oddziaływania z
ródła ciepła. Spoina ograniczona jest granicą wtopienia oraz licem i
granią (patrz rys.1 ).
Rys 1. Złącze
spawane.
2. Rodzaje spoin
Kształt przekroju poprzecznego spoiny zależy od grubości łączonych elementów, ich
wzajemnego usytuowania oraz metody spawania.
Zasadniczo rozróżniamy następujące rodzaje spoin:
� Czołowe (stosowane w złączach doczołowych części leżących w jednej
płaszczyz
nie lub przy łączeniu części ustawionych pod kątem),
� Pachwinowe stosowane w złączach zakładkowych lub przy łączeniu części
ustawionych pod kątem),
� brzeżne (grzbietowe) (stosowane głównie w złączach przylgowych),
� otworowe.
Spoiny różnią się nie tylko kształtem, ale przede wszystkim tym, że w różny sposób
przenoszą działające na połączenie naprężenia. Różne rodzaje spoin pokazano na rys.
2-4.
Rys 2. Rodzaje spoin: a, b - czołowe; c, d - pachwinowe.
Rys 3. Rodzaje złączy ze spoinami czołowymi: a-e - czołowe; f, g - teowe; h - krzyżowe; i, j -
narożne.
Rys 4. Rodzaje złączy ze spoinami pachwinowymi: a - zakładkowe, b - teowe, c - krzyżowe, d -
otworowe
2
3. Struktura złącza spawanego
Strukturę złącza spawanego analizujemy wykorzystując znajomość przebiegu zmian
temperatury w zależności od odległości od spoiny oraz znajomość przemian w kładzie
Fe-Fe3C (patrz rys.5).
Rys.5. Rozkład temperatury zmiany strukturalne s swe złącza spawanego ze stali
niskowęglowej.
Struktura złącza składa się z kilku stref:
� Spoina posiada budowę grubokrystaliczną, dendrytyczną, charakterystyczną dla
metalu odlewanego,
� Odcinek niepełnego stopienia, nazywany również linią wtopienia stanowi granicę
między materiałem spoiny i materiałem rodzimym,
� Odcinek przegrzania posiada charakterystyczną grubokrystaliczna strukturę, w stali
niskowęglowej powstaje w tym zakresie struktura Widmanstettena. Własności
mechaniczne w tej strefie ulegają pogorszeniu.
� Kolejną strefę tworzy struktura materiału drobnoziarnistego charakterystyczna dla
procesu normalizowania. Temperatura, jaką osiągnął materiał leży w zakresie 11
OO�C - A3. Jest to odcinek normalizacji.
3
� W odcinku niepełnego przekrystalizowania (pomiędzy A3 i A1), struktura jest
niejednorodna i składa się z dużych ziaren ferrytu i rozdrobnionej struktury
ferrytyczno - perlitycznej.
� W stali uprzednio odkształconej na zimno następnym odcinkiem jest odcinek
rekrystalizacji (twardość w tym zakresie znacznie spada),
� Kolejnym odcinkiem jest zakres występowania kruchości na niebiesko Uest to
makroskopowo widoczna granica SWC),
� Dalej występuje materiał rodzimy.
Jeżeli stal wykazuje skłonność do hartowania to w strefach gdzie temperatura była
odpowiednio wysoka powstaje martenzyt powodujący wzrost wytrzymałości, twardości i
kruchości. Miarą tego efektu jest twardość SWC w pobliżu linii wtopienia. Można ją
oszacować na podstawie składu chemicznego stali i wynosi ona (w OC):
HVmin = 1200 CE - 260
HVmax = 1200 CE - 200
Na rys.6 pokazano strukturę i rozkład twardości dla złącza wykonanego z materiału
odkształconego i z materiału zrekrystalizowanego, a na rys.? przebieg zmian twardości
dla złącza ze stali skłonnej do hartowania.
Rysunek 6. Porównanie struktur i twardości złącza ze stali niskowęglowej
zimnowalcowanej - odkształconej (z lewej) oraz wyżarzonej (po rekrystalizacji-z prawej).
4
Rys 7. Zmiany twardości w przekroju poprzecznym złącza spawanego ze stali
niskowęglowej nie wykazującej efektów hartowania (1 i 2), i stali skłonnej do hartowania (3).
4. Badanie własności połączeń spawanych
W badaniach spoin stosuje się:
� Nieniszczące defektoskopowe badania połączeń spawanych,
� Niszczące badania połączeń spawanych.
W ramach nieniszczących badań stosuje się następujące metody:
1. Oględziny zewnętrzne,
2. Nawiercanie spoin,
3. Badania penetracyjne,
4. Badania szczelności,
5. Badania magnetyczne i elektryczne,
6. Badania radiograficzne,
7. Badania ultradz
więkowe.
W ramach niszczących badań stosuje się następujące metody:
1. Badania własności mechanicznych,
2. Badania metalograficzne,
3. Badania chemiczne,
4. Badania odporności na korozję.
5
5. Badanie własności mechanicznych połączeń spawanych
Badania własności mechanicznych stosuje się przy kontroli:
� Materiałów podstawowych,
� Materiałów dodatkowych,
� Kwalifikacji spawaczy,
� Złączy próbnych, doświadczalnych, wykonywanych w ramach opracowywania
nowych metod spawania,
� Ostatecznej kontroli złączy konstrukcji spawanych na próbkach wyciętych z
konstrukcji (stosuje się bardzo rzadko), lub na próbkach ze złączy kontrolnych
pospawanych w warunkach identycznych, co badana konstrukcja.
Najczęściej przeprowadza się następujące próby:
1. Próby rozciągania,
2. Próby zginania,
3. Próbę udarności,
4. Próby łamania,
5. Próby twardości.
Próbki wycina się z płyty kontrolnej. Przykład wycięcia próbek dla różnego rodzaju
złącz spawanych pokazano na rys. 8.
6
8.
9.
10.
Rys.8. Przykład wycięcia próbek do badania złącza doczołowego (a), krzyżowego (b),
nakładkowego ze spoinami podłużnymi (c) i nakładkowego ze spoinami (d).
5.1. Próby rozciągania
W spawalnictwie stosuje się następujące rodzaje statycznych prób rozciągania:
złącza doczołowego płaskiego lub rurowego, złącza doczołowego prętów, spoiny,
stopiwa, złączy ze spoinami pachwinowymi.
7
Na rys.9 pokazano przykład próbek do rozciągania złącza doczołowego. Próbki
wykonuje się w dwu odmianach: typ A - umożliwia określenie wytrzymałości złącza i typ
B - umożliwia określenie wytrzymałości spoiny.
Rys.9. Próbki do rozciągania połączenia doczołowego dla określenia Rm złącza (typ A) i
Rm spoiny (typ B).
Określenie wytrzymałości spoin pachwinowych przeprowadza Się najczęściej na
próbkach z nakładkami.
5.2. Próby zginania
Próba zginania jako jedyna daje możliwość określenia ciągliwości złącza spawanego
jako całości (w próbie rozciągania złącza nie określa się wydłużenia l). Przeprowadza
się ją w próbie zginania trójpunktowego. Próba daje również możliwość oceny jakości
wykonanego złącza. Próbki do badań na zginanie pokazano na rys.10.
Rys.10. Próbki do zginania połączenia doczołowego płaskiego (typ A i B - poprzeczne,
typ C - wzdłużna).
8
5.3. Próba udarności
Przeprowadza się na typowych próbkach udarnościowych, z zastrzeżeniem, że karb
musi znajdować się w obrębie spoiny (dla zbadania udarności spoiny) lub w SWC (dla
zbadania udarności w SWC). Dla zbadania udarności elementów o grubości mniejszej
niż 10 mm można stosować próbki o mniejszej grubości.
Rys.11. Próbki do badań udarności spoiny (a) i swe (b).
5.4. Próby łamania
Próbę łamania przeprowadza się w celu zbadania przełomu spoiny. Badania
prowadzi się jako trójpunktową próbę zginania na próbkach z karbem wyciętym w
miejscu spoiny. Jest to typowa próba technologiczna!.
Rys.12. Próba łamania złącza doczołowego (a) i kątowego
(b).
5.5. Próby twardości
Badania twardości przeprowadza się na zgładach poprzecznych stosując klasyczne
metody pomiaru twardości (Brinella, Rockwella lub Vickersa).
9