1.Naprę obciążenia własne w układach i wpływ na odkształcenia na konstrukcję.

Odkształcenia i naprężenia w połączeniach spawanych występują na skutek oddziaływania sił wewnętrznych, spowodowanych nierównomiernym nagrzewaniem elementów w procesie spawania i własności rozszerzania się i skurczu metalu pod wpływem cyklu cieplnego. Naprężenia i odkształcenia pod wpływem tych zjawisk są wywołane zmianami stanu fizycznego materiału i w odróżnieniu od naprężeń i odkształceń wywołanych siłami zewnętrznymi działającymi na konstrukcję określa się jako naprężenia i odkształcenia własne.

Naprężenia i odkształcenia własne można sklasyfikować ze względu na:

• przyczynę ich powstawania,

• czas i obszar ich oddziaływania,

• objętość, w której są zrównoważone siłami reakcji.

Ogólną klasyfikację naprężeń i odkształceń własnych przedstawia schemat na rys. 6.1.

Rys. 6.1. Ogólna klasyfikacja naprężeń i odkształceń [101]

W procesie spawania mogą występować w metalu odkształcenia sprężyste lub odkształcenia sprężyste i plastyczne. Odkształcenia sprężyste są proporcjonalne do występujących naprężeń. Naprężenia, których kierunek jest zgodny z osią spoiny nazywamy naprężeniami wzdłużnymi σ_x naprężenia działające prostopadle do osi spoiny nazywamy naprężeniami poprzecznymi σ_y, a naprężenia działające w kierunku prostopadłym do płaszczyzny, na której wykonano spoinę, oznaczamy przez σ_z

Naprężenia i odkształcenia miejscowe występujące w określonych objętościach spawanego materiału wywołują przemieszczanie się określonych punktów konstrukcji powodując odkształcenia całkowite. Mogą one występować jako skrócenie elementów, zginanie, utratę stateczności belek itp.

Odkształceniowy cykl spawania jest wynikiem działania cyklu cieplnego. Rozprzestrzenianie się i przesuwanie ruchomego pola temperatur wywołuje w obszarze połączenia spawanego zmienne naprężenia. Na wielkość i charakter tych naprężeń duży wpływ ma rodzaj przemian fazowych jakie zachodzą w SWC oraz sztywność i ułożenie węzła spawanego. W przypadku wyidealizowanego spawania doczołowego dwóch blach, zależność σ =f(ε) przedstawia rysunek 6.2. W punkcie A strefy wpływu ciepła powstają podczas nagrzewania naprężenia ściskające. Do temperatury 300˚C w stalach konstrukcyjnych zależność σ=f(ε) jest liniowa i zgodna z prawem Hooka. Przy dalszym wzroście temperatury granica plastyczności materiału obniża się, a istniejące naprężenia wywołują proces odkształcenia plastycznego. Granica plastyczności stali konstrukcyjnych niestopowych przy temperaturach powyżej 600°C jest bardzo niska i dlatego na odcinku BC odkształcenie jest największe. Punkt C oznacza maksymalną temperaturę cyklu w analizowanym miejscu, a maksymalne odkształcenie wynosi OC . Przy temperaturach poniżej 300°C zależność σ = f(ε) jest znowu liniowa. Całkowite odkształcenie w analizowanym miejscu wynosi więc OC +CF' (gdzie CF' jest rzutem CF na oś ε ).

Po zakończeniu cyklu cieplnego pozostaje więc szczątkowe (wewnętrzne) naprężenie rozciągające OF”, które jest wywołane sprężystym odkształceniem D'F' (gdzie D'F' jest rzutem DF na oś ε).

Rys. 6.2. Zależność σ=f(ε) w strefie wpływu ciepła sztywnego złącza spawanego doczołowo

Przebieg odkształceniowych procesów w obszarze złącza spawanego jest trudny do określenia. Można to robić np. za pomocą analizy pasm poślizgu względnie metody różnicowej. Przykład pasm poślizgu w obszarze złącza spawanego świadczący o procesie odkształcania trwałego (powyżej granicy plastyczności) przedstawia rysunek 6.3.

Rys. 6.3. Pasma odkształceń (Lüdersa) w obszarze zgrzeiny

Przebieg zmian naprężeń można rejestrować w sposób prosty za pomocą tenzometrów. W takich przypadkach wykorzystuje się różne urządzenia symulujące spawalniczy cykl cieplny. Można wówczas symulować cykle cieplne na próbkach ze swobodnym rozszerzaniem (σ=0), względnie próbkach usztywnionych (ε=0). W pierwszym przypadku po zadaniu cyklu cieplnego otrzymuje się przebieg cieplnej rozszerzalności stali (rys.6.4a), natomiast w drugim przypadku gdy ε = 0 urządzenie pozwoli na rejestrację zmian naprężeń (rys.6.4b). Pomiary te pozwalają nie tylko na określenie przebiegu zależności σ=f(T) przy różnych poziomach temperatury maksymalnej cyklu cieplnego, ale również na określenie naprężeń szczątkowych (wewnętrznych) po zakończeniu cyklu spawalniczego. Na rysunku 6.5 pokazane są zależności σ=f(T) dla stali miękkiej i stali o wysokiej wytrzymałości. Próbki były nagrzewane do różnych temperatur maksymalnych w zakresie 600-1350˚C. W czasie nagrzewania powstają w próbce naprężenia ściskające, które do temperatury około 300˚C wzrastają liniowo. W stalach o wysokiej wytrzymałości liniowa zależność σ=f(T) zachowana jest do wyższych temperatur (około 500˚C).

6.2. Rozkład naprężeń w złączu spawanym

Rozkład naprężeń cieplnych powstających przy spawaniu powłoki (dużej płyty) ilustruje schemat na rysunku 6.6. Strefa Ι opisana izotermą Ι odpowiada obszarowi, w którym naprężenia σ_e = 0. W obszarze tym materiał znajduje się w stanie plastycznym. W strefie ΙΙ występują naprężenia poprzeczne ściskające σ_y. W strefie ΙΙΙa, w której metal się nagrzewa, występują naprężenia wzdłużne ściskające σ_x i rosną aż do osiągnięcia wartości σ_x = R_eT (R_eT -naprężenie odpowiadające granicy plastyczności w danej temperaturze) i przy tym poziomie naprężeń powstają trwałe odkształcenia plastyczne materiału. Od punktu C w wyniku obniżenia się temperatury w skutek chłodzenia, naprężenia ściskające σ_y zaczynają spadać aż do zera w określonej temperaturze. Przy dalszym ochłodzeniu do temperatury wyjściowej na

Rys. 6.4. Zmiany temperatury, naprężeń σ i odkształceń ε w czasie symulowania spawalniczych cykli cieplnych na urządzeniu Thermorestor-W: a) - cykl cieplny ze swobodnym rozszerzaniem próbek (σ=0), b) - cykl dla próbek usztywnionych (ε=0)

wskutek zaistniałego w czasie cyklu nagrzewania trwałego odkształcenia plastycznego pod wpływem naprężeń ściskających, naprężenia w przekroju A-A zmieniają znak i staja się rozciągające.

W strefie ΙΙΙb występują zatem naprężenia rozciągające pozostające σ_x, które po zakończeniu cyklu cieplnego, mogą osiągnąć wartość σ_x≈R_e. Taki poziom naprężeń wywołuje trwałe odkształcenie pozostające. W rezultacie po ostygnięciu w obszarze o szerokości b_e istnieją pozostające naprężenia rozciągające zrównoważone naprężeniami ściskającymi reakcji -σ_x. Wymiar b_e wyznacza szerokość strefy, tzw. aktywnej, w której na skutek spawania wystąpiły odkształcenia trwałe plastycznie. Szerokość tej strefy dla naprężeń rozciągających można obliczyć z zależności

cm

gdzie: q_l - energia liniowa łuku w kJ/cm, g - grubość blachy w cm.

W połączeniach spawanych naprężenia własne tworzą zawsze wieloosiowy stan naprężenia, jednak w elementach o niezbyt grubych ściankach (g<25mm) składowa w kierunku grubości blachy jest niewielka i można ją pomijać w rozważaniach. Przykładem dwuosiowego stanu naprężeń cieplnych jest sytuacja powstała przy spawaniu doczołowym blach (rys. 6.7). Naprężenia wzdłużne σ_x charakteryzują się zarówno zmienną wartością jak i zmiennymi znakami. Naprężenia rozciągające występują w spoinie oraz niewielkich obszarach po obu jej stronach. Naprężenia powstałe w strefie odkształceń plastycznych muszą być zrównoważone reakcją pozostałych nie nagrzanych partii materiału. W obszarach tych występują zatem naprężenia ściskające reakcji.

Podobnie jak naprężenia wzdłużne również naprężenia poprzeczne σ_y mają różną wielkość i znak w zależności od rozpatrywanego obszaru. Największą wartość osiągają naprężenia ściskające na końcach spoiny. Natomiast w części środkowej spoiny powstają

Rys. 6.5. zależność =f(T) w strefie wpływu ciepła złącza sztywnego; a) - stal miękka (niskowęglowa), b) - stal o wysokiej wytrzymałości (0,14%C, 0,21%Si, 0,23%Mn, 2,73%Ni, 0,35%Mo), (wg Satoha, zaczerpnięto z poz. [6])

naprężenia rozciągające (rys.6.7b). Jest to spowodowane tym, że środkowa część spoiny stygnie wolniej niż jej końce i materiał rodzimy.

Proces spawania może spowodować wprowadzenie do konstrukcji oprócz naprężeń własnych również spawalnicze naprężenia od sił reakcji σ_y spowodowane utwierdzeniem elementu spawanego. Wartość tych naprężeń może być znaczna i zależy od przekroju poprzecznego konstrukcji prostopadłego do kierunku działania naprężeń. Im przekrój konstrukcji jest mniejszy tym naprężenia są większe. Spoina pierwszego ściegu ułożona w układzie sztywnym, jaki stanowią krawędzie blach, stwarza warunki do powstania pęknięć przy σ_x>>R_e. Przy spawaniu grubych blach prawdopodobieństwo wystąpienia pęknięć rośnie ze względu na zwiększoną intensywność odprowadzania ciepła. Drugą ważną cechą naprężeń od sił reakcji jest ich oddziaływanie na całą konstrukcję, co stwarza warunki do rozprzestrzeniania się pęknięć. Z tych względów konstrukcje spawane winny być tak zaprojektowane, aby można było przy ich wykonywaniu uniknąć sztywnego zamocowania.

Rys. 6.6. Mechanizm powstawania naprężeń wzdłużnych σ_x przy jednowarstwowym spawaniu powłoki (płyty): a) - strefa przemieszczającego się pola temperatur, b) - chwilowe naprężenie σ_x w przekroju A-A, c) - pozostające naprężenie σ_x w przekroju poprzecznym powłoki

Rys. 6.7. Schemat naprężeń pozostających w płytach spawanych doczołowo: a) - wzdłużnych, b) - poprzecznych

Naprężenia strukturalne w elementach spawanych mogą mieć również znaczny wpływ na rozkład i wartość naprężeń pozostających. Tak np. w stalach hartujących się w strefie spoiny mogą powstać naprężenia ściskające, które są zrównoważone naprężeniami rozciągającymi w nie nagrzanych częściach materiału, czyli odwrotnie niż w przypadku omówionym poprzednio. Na rysunku 6.8 przedstawiono rozkład naprężeń σ_x w stalach niskowęglowych i austenitycznych oraz w stalach ze skłonnością do hartowania się podczas spawania.

Rys. 6.8. Naprężenia wzdłużne pozostające: a) - przy spawaniu stali niskowęglowej względnie austenitycznej, b) - przy spawaniu stali niskostopowej hartującej się

W zależności od składu chemicznego stopiwa, naprężenia w spoinie mogą być nieco niższe lub wyższe od naprężeń w strefie przyspoinowej. Zarówno skład jak i procesy cieplne mogą mieć wpływ na wartość granicy plastyczności po ostygnięciu złącza, zatem i na wartość naprężeń pozostających.

W stali austenitycznej, w której nie występują przemiany fazowe, po ochłodzeniu do temperatury 20˚C wewnętrzne wzdłużne odkształcenie powstałe w wyniku rozciągania wynosi 1,65%, a pozostałe naprężenie około 240 MPa (porównywalne z poziomem granicy plastyczności). W stalach niskowęglowych typu St3S odkształcenia plastyczne są znacznie mniejsze i wynoszą 0,3÷0,33%, natomiast naprężenia rozciągające 220÷290 MPa. W stalach stopowych, w których zachodzą przemiany: bainityczna względnie martenzytyczna, ich wpływ na kinetykę powstawania naprężeń i odkształceń jest bardzo istotny. Odkształcenie jakie powstaje w obszarze spoiny jest tym większe, im niższa jest temperatura przemiany austenitu w SWC i im wyższa temperatura przemiany w spoinie.

W czasie przemiany austenitu w strefie przyspoinowej powstają niewielkie odkształcenia i naprężenia ściskające. Równocześnie z obniżeniem temperatury początku przemiany austenitu w martenzyt (szczególnie poniżej 350˚C) przywrócenie naprężeń rozciągających w momencie pełnego wyrównania temperatury jest mało prawdopodobne. Tak więc w strefie przyspoinowej hartujących się stali stopowych występują naprężenia ściskające. W obie strony od strefy wpływu ciepła, przy przejściu do spoiny względnie materiału spawanego naprężenia zmieniają się, przy czym w SWC są one zawsze rozciągające, a w spoinie ich znak zależy od typu elektrody, tj. składu metalu stopionego. Im niższa jest temperatura przemiany austenitu w spoinie, tym bardziej prawdopodobne jest powstanie w niej naprężeń ściskających.

Występujące w złączach naprężenia są częściowo relaksowane na drodze odkształcenia plastycznego, przy czym szybkość narastania odkształcenia (0,02-0,03 mm/s) przy wysokich temperaturach jest minimum o rząd wielkości wyższe niż przy temperaturach bliskich temperaturze otoczenia (0,003-0,0005 mm/s). Małe szybkości odkształcania przy obecności struktury martenzytycznej prowadzą do lokalizacji odkształcenia przede wszystkim po granicach ziaren, sprzyjając powstawaniu pęknięć zimnych po zupełnym ochłodzeniu połączeń spawanych.

Racjonalnymi metodami obniżenia powstałych przy spawaniu naprężeń jest: podgrzewanie, ograniczenie temperatury ochłodzenia złącza przy wielościegowym spawaniu lub podwyższenie mocy liniowej łuku przy układaniu drugiego ściegu. Jednak najczęściej, jeśli warunki techniczne pozwalają elementy spawane poddaje się obróbce cieplnej odprężającej. Rozkład naprężeń w złączu spawanym po spawaniu i po obróbce cieplnej odprężającej pokazano na rysunku 6.9. Widać na nim, że po spawaniu naprężenia rozciągające są równe 386 MPa co odpowiada granicy plastyczności stali 15G2ANb. Wyżarzanie w temperaturze 600^oC przez 2 godz. spowodowało prawie całkowite usunięcie naprężeń [Tasak].

6.3. Oddziaływanie naprężeń własnych z naprężeniami zewnętrznymi

W połączeniu spawanym pod wpływem obciążenia zewnętrznego następuje zmiana rozkładu naprężeń własnych nie tylko w czasie działania obciążenia lecz i po usunięciu obciążenia zewnętrznego.

Jak omówiono wcześniej, rozkład naprężeń nie jest równomierny. W połączeniu ze spoiną wzdłużną w osi spoiny i po obu jej stronach (w tzw. strefie aktywnej b_e) będą istniały naprężenia rozciągające równe granicy plastyczności, w reszcie przekroju naprężenia rozciągające lub ściskające niższe od tej granicy (rys. 6.10a). Na szerokości strefy aktywnej b_e występują odkształcenia plastyczne, natomiast na szerokości b - b_e odkształcenia sprężyste.

Rys. 6.9. Rozkład naprężeń w złączu spawanym po spawaniu i po obróbce cieplnej

w temperaturze 600^oC przez 2 godziny

Pod wpływem obciążenia zewnętrznego siłą rozciągającą P w pospawanej płycie wystąpią dodatkowe naprężenia rozciągające σ_o, lecz tylko w części przekroju b-b_e. Na odcinku b_e naprężenia nie powiększą się, gdyż poziom naprężeń w tej strefie jest równy granicy plastyczności. Naprężenia te sumując się z naprężeniami własnymi spowodują dalsze odkształcenie plastyczne strefy aktywnej b_e zwiększając równocześnie jej szerokość (rys.6.10c). Materiał zatem ulegnie odkształceniu w strefie aktywnej b_e przy stałym poziomie

naprężeń równym granicy plastyczności. Po zdjęciu obciążenia zewnętrznego P, wielkość naprężeń własnych w porównaniu ze stanem przed obciążeniem ulegnie zmniejszeniu (rys.6.10d). W strefie, która pod wpływem obciążenia zewnętrznego została uplastyczniona, wielkość pozostających naprężeń ulega zmniejszeniu do wartości σ_k równej różnicy granicy plastyczności i naprężeń σ_o wywołanych przez zewnętrzną siłę rozciągającą P.

б_k = R_e - σ_o

Obniżenie się naprężeń własnych rozciągających w spoinie powoduje również zmniejszanie równoważących ich naprężeń ściskających, (zgodnie z warunkami równowagi sił wewnętrznych). Tak więc w pozostałej części przekroju płyty, gdzie pod obciążeniem wewnętrznym występowały naprężenia sprężyste następuje obniżenie wielkości naprężeń własnych o stałą wielkość ∆σ.

Przedstawiony schemat przebiegu odkształceń zachodzi tylko przy jednoosiowym stanie naprężeń i tylko wtedy, gdy w materiale nie została wyczerpana zdolność do odkształceń plastycznych. Dla stali niskowęglowej odkształcenia trwałe na granicy plastyczności dochodzą do 2,4%, odkształcenia zaś plastyczne w połączeniach spawanych wynoszą około 1% [Pilarczyk J.J..]. Zatem zapas na odkształcenia plastyczne wynikające z obciążeń zewnętrznych, które nie przekraczają 0,2%, jest dostatecznie duży. Z przedstawionego przebiegu sumowania się naprężeń wynika, że można znacznie zmniejszyć naprężenia własne przez jednorazowe lub wielokrotne wstępne obciążenie i odciążenie połączenia spawanego. Przykład zmian wielkości naprężeń własnych w płycie ze stali niskowęglowej o szerokości 800 cm i grubości 25 mm obciążonej siłami wywołującymi różne naprężenia, pokazano na rys. 6.11. W osi spoiny występowały po spawaniu wzdłużne naprężenia własne wynoszące 310 MPa. Po maksymalnym obciążeniu płyty siłą wywołującą naprężenia 250 MPa pozostały w osi spoiny już tylko naprężenia własne б_k = 70 MPa. Przedstawiony wyżej przykład dowodzi, że można mechanicznie zmniejszyć naprężenia wewnętrzne doprowadzając do plastycznego odkształcenia elementów konstrukcji. Proces ten nazywamy odprężaniem mechanicznym lub przeprężaniem konstrukcji. Ten rodzaj odprężania stosuje się przede wszystkim do takich konstrukcji jak zbiorniki i rurociągi, w których łatwo można uzyskać duże naprężenia rozciągające za pomocą ciśnienia cieczy. W wyniku odprężania element doznaje trwałego odkształcenia, jednak przy powtórnych obciążeniach zachowuje się sprężyście. Odprężanie mechaniczne, w odróżnieniu od wyżarzania odprężającego, nie poprawia własności plastycznych materiału. Może być jednak skuteczne dla zmniejszenia niebezpieczeństwa kruchego pękania, zmniejszenia skutków korozji naprężeniowej oraz dla zapewnienia stałości wymiarów podczas eksploatacji.

Odmianą odprężenia mechanicznego jest odprężenie wibracyjne (stabilizacja wibracyjna). Polega ono na wywołaniu w konstrukcji drgań rezonansowych za pomocą wibratora. W węzłach rozchodzącej się fali drgań wywołane naprężenia sumują się z naprężeniami własnymi konstrukcji powodując w mikroobszarach jej odkształcanie plastyczne. W efekcie lokalnych mikroodkształceń ogólny poziom naprężeń w konstrukcji obniża się i następuje stabilizacja wymiarów.

Rys. 6.10. Dodawanie się naprężeń własnych z naprężeniami od obciążeń zewnętrznych: a) - rozkład naprężeń własnych σ_w w płycie po spawaniu, b) - przyrost naprężeń od obciążenia zewnętrznego σ_o, c) - sumowanie się naprężeń σ_w+σ_o, d) - rozkład naprężeń własnych σ_k po odciążeniu płyty

Rys. 6.11. Naprężenia własne zmierzone w płycie przed i po rozciąganiu różnymi naprężeniami

2,3.Metada MMA, Dobór prądu spawania i biegunowości

Spawanie elektrodami otulonymi zalicza się do metod spawania prądami o małych gęstościach. Siły powstające w wyniku przepływu prądu o dużych gęstościach, jak podłużna siła elektromagnetyczna, nie mają dużego znaczenia przy spawaniu elektrodami otulonymi. Natomiast siły wynikające z reakcji metalurgicznych z wydzielaniem gazów przy topieniu elektrod, zwłaszcza ich otulin, mają zasadniczy wpływ na transport metalu i żużla w łuku. Elektrody otulone, przeznaczone nawet do spawania we wszystkich pozycjach, tracą przeważnie zdolność do spawania w pozycji pułapowej po wyprażeniu ich w temperaturze powyżej ok. 700°C. Usunięcie, więc substancji gazotwórczych z otulin elektrod i ograniczenie przez to reakcji gazowych w ciekłym żużlu i w ciekłym metalu i sił plazmowych w łuku uniemożliwia transport metalu i żużla w pozycjach przymusowych. Podobnie jak w przypadku drutów ze stali uspokojonej i nieuspokojonej, można i otuliny elektrod podzielić na bardziej aktywne w transporcie materii łuku i mało aktywne, co wiąże się w dużym stopniu z ich aktywnością fizyczną i metalurgiczną. Elektrody zasadowe są niskowodorowe i stopiwo ich jest dobrze odtlenione - uspokojone. Natomiast elektrody kwaśne, rutylowe, celulozowe i im podobne są wysokowodorowe, przeważnie mało odtlenione, czyli mało uspokojone. Powstające, więc na końcu elektrody krople podczas spawania ulegają intensywnemu burzeniu i wrzeniu w wyniku wydzielania się gazów, przeważnie H₂O i tlenku węgla. Przenikające, bowiem do tworzących się kropel tlen i wodór wywołują reakcje: FeO + C = Fe + CO oraz FeO + 2H = Fe + H₂O i wydzielanie burzliwie CO i H₂O.

Jeziorko elektrod zasadowych jest nisko wodorowe, dobrze odtlenione, więc ograniczona jest intensywność tych reakcji. Topnienie elektrod zasadowych jest grubokroplowe, a elektrod wysokowodorowych i często utleniających drobnokroplowe, a nawet strumieniowe (stężenie tlenu w stopiwie elektrod zasadowych wynosi około 300ppm i około 5ml wodoru dyfundującego, a w stopiwie elektrod utleniających odpowiednio powyżej 800ppm tlenu i powyżej 30 ml wodoru dyfundującego).

Otuliny elektrod wysokowodorowych zawierają w przeciwieństwie do elektrod zasadowych znaczne ilości uwodnionych glinokrzemianów, a przez to i wody krystalizacyjnej.

Wyżarzanie elektrod wysokowodorowych powyżej 700°C pozbawia otuliny wody krystalizacyjnej, a przez to ogranicza reakcje metalurgiczne z wydzielaniem gazu i akcję plazmy. Po takiej obróbce nie jest możliwe spawanie w pozycjach przymusowych. Przez zanurzenie w wodzie uprzednio wyprażonych w ok. 700°C elektrod, otuliny ich nasycają się wodą i elektrody są ponownie zdatne do spawania w pozycji pułapowej i podobnych.

Otuliny elektrod kwaśnych i podobnych im tlenkowych (utleniających) zawierają największe ilości rud żelaznych i rud manganowych oraz duże ilości uwodnionych glinokrzemianów. Tworzące się na końcu tych elektrod krople są przesycone wodorem i tlenem, intensywnie się burzą i łatwo pokonują siły napięcia powierzchniowego. Elektroda topi się wiec drobnokroplowo prawie strumieniowo, bo siły napięcia powierzchniowego są zbyt małe do utrzymania na końcu elektrody większych kropel. Napięcie łuku przy spawaniu tymi elektrodami zależy od ilości w otulinach związków potasu i sodu oraz od ilości gazów wydzielających się z otulin i może wynosić od 30 do 40 V, w zależności od składu otuliny, średnicy elektrody, wielkości i gęstości prądu. Ze wzrostem średnicy elektrody, natężenia prądu i jego gęstości oraz ze wzrostem ilości gazów plazmowych napięcie łuku wzrasta. Ze wzrostem stężenia w łuku zjonizowanych atomów i związków sodu, a zwłaszcza potasu napięcie łuku maleje i maleje również ogólna temperatura w łuku.

Elektrody o znacznej zawartości związków potasu dobrze nadają się do spawania prądem stałym, dowolną biegunowością i prądem przemiennym. Elektrody kwaśne nie powinny być suszone w temperaturach powyżej 200°C, ponieważ zmienia się ich charakterystyka topienia.

Otuliny elektrod rutylowych są wysokowodorowe i różnią się od otulin elektrod kwaśnych i tlenkowych przede wszystkim tym, że bardzo utleniające rudy żelaza i rudy manganu zastąpione są w otulinach elektrod rutylowych mniej utleniającą rudą tytanu - rutylem TiO₂ (rzadziej ilmenitem). Powoduje to, że krople topiącej się elektrody są nieco mniej utlenione niż krople elektrod kwaśnych, a zwłaszcza tlenkowych. Napięcie powierzchniowe może odgrywać przy spawaniu elektrodami rutylowymi nieco większą rolę niż przy spawaniu elektrodami kwaśnymi tlenkowymi, a proces topienia może być przez to nieco bardziej kroplowy niż elektrod kwaśnych i tlenkowych. Elektrody rutylowe nadają się do spawania prądem stałym i przemiennym.

Otuliny elektrod celulozowych zawierają, w porównaniu z elektrodami kwaśnymi i rutylowymi, bardzo dużo substancji organicznych, głównie celulozę - nawet do 30% celulozy w otulinie. Łuk elektrod celulozowych jest zwykle głębiej wtapiający niż łuk innych elektrod otulonych i większe jest jego napięcie, nawet powyżej 40V. Spowodowane to jest dużą ilością gazów plazmowych ze spalanej celulozy gazów o stosunkowo wysokim potencjale jonizacji (CO, CO₂, H₂O, H₂), chłodzących katodę, zwiększających spadek napięcia katodowego, a przez to i wzrost całkowitego napięcia łuku. Duża siła i ciśnienie plazmy skierowane na powierzchnie jeziorka, zwiększają jego głębokość i przetopienie.

Łuk elektrod zasadowych różni się dość znacznie od łuku poprzednio omówionych elektrod i można wymienić przynajmniej trzy charakterystyczne cechy łuku elektrod zasadowych różniące go od łuku pozostałych elektrod:

- kroplowe lub nawet grubokroplowe topienie się elektrod,

- duży wpływ biegunowości,

- trudności przy spawaniu prądem przemiennym.

Kroplowe topienie. Otuliny elektrod zasadowych zawierają dużo węglanów, przeważnie wapnia, CaCO₃, fluoryt CaF₂, stosunkowo mało glinokrzemianów oraz proszki metaliczne i stosunkowo skuteczne w porównaniu z innymi otulinami odtleniacze. W porównaniu z poprzednimi gatunkami elektrod stopiwo tych elektrod jest dobrze odtlenione, uspokojone i niskowodorowe. Również już powstające i odrywające się krople tych elektrod są odtlenione i uspokojone, bo w czasie topienia i ich tworzenia przenika do nich krzem i inne odtleniacze z otuliny. Napięcie powierzchniowe tych kropel jest stosunkowo znaczne, co sprzyja narastaniu kropel, zwłaszcza wobec braku procesu wrzenia metalu.

Elektrody zasadowe nie suszone po wyprasowaniu topią się drobnokroplowo i strumieniowo, ponieważ znaczne ilości wilgoci w otulinie sprzyjają takiemu topieniu, (bowiem na końcu elektrody krople nasycają się wodorem, a nawet i tlenem, co powoduje ich burzenie i niszczenie sił napięcia powierzchniowego).

Wpływ biegunowości. Elektrody zasadowe topią się znacznie lepiej po podłączeniu ich do bieguna dodatniego, natomiast powodują znaczny rozprysk po podłączeniu ich do bieguna ujemnego i przeważnie niemożliwe jest ich stapianie prądem przemiennym. Związane to jest z obecnością w otulinach związków fluoru, przeważnie fluorytu CaF₂, nie występujących w otulinach zwykłych elektrod kwaśnych, rutylowych i im podobnych. Ze wzrastającą ilością w otulinach związków fluoru, zwłaszcza łatwo dysocjujących w łuku, wzrasta w nim stężenie ujemnych jonów F^-, ponieważ fluor odznacza się dużym powinowactwem elektronowym (F + e = F^-). Elektrody o otulinach zawierających związki fluoru topią się stabilnie po załączeniu ich do bieguna dodatniego, ponieważ ujemne jony przyciągane są do anody siłami elektrostatycznymi. W rejonie anody ilość kationów jest mała, bowiem przemieszczają się one w kierunku katody. Nie zaznacza się przez to ujemny wpływ anionów fluoru F^- w neutralizowaniu kationów i zmniejszeniu przez to stopnia zjonizowania przestrzeni łuku. Łatwa jest w tych warunkach emisja katodowa, bo w jej obszarze jest duże stężenie kationów. W czasie przemieszczania się w łuku strumienia elektronów, plazmy i ciekłej fazy metalowej i żużlowej nie dochodzi do elektrostatycznego odpychania się strumienia elektronów i ujemnych jonów w słupie łuku, bowiem te ostatnie gromadzone są w obszarze anody (rys. 2.17a). Natomiast zupełnie inne procesy i zjawiska pojawiają się po załączeniu elektrody do bieguna ujemnego (katody). Z katody emitowany jest strumień elektronów i razem z nim przemieszczają się w kierunku anody ujemne jony fluoru. Powoduje to znaczne zaburzenia w łuku, przede wszystkim znaczny rozprysk w wyniku odpychającego działania na siebie strumienia elektronów i ujemnych jonów (rys. 2.17b). Jeżeli przy przemieszczeniu się kationów i strumienia elektronów w kierunkach przeciwnych (elektroda +) można mówić o działaniu przyciągającym strumieni kationów i elektronów, to w warunkach gdy elektroda jest katodą, strumień elektronów i jonów ujemnych działają na siebie odpychająco.

Przy spawaniu z biegunowością ujemną występują ponadto istotne zmiany parametrów prądowych. Przy zawartości w otulinie powyżej 40% związków fluoru łatwo dysocjujących takich jak Na₂SiF₆, AlF₃, NaAlF₆, występują w czasie spawania elektrodą załączoną do bieguna ujemnego następujące zmiany: napięcie łuku będzie ok. 50% większe, natężenie prądu ok. 30% mniejsze, a uzysk metalu nawet 60% mniejszy niż przy spawaniu tą samą elektrodą załączoną do bieguna dodatniego. Topienie elektrody będzie prawie natryskowe. W czasie spawania elektrodami o otulinach zawierających bardzo trwałe fluorki, jak np. CaF₂ i NaF, podłączenie elektrody do bieguna ujemnego nie wywołuje tak znacznych zmian.

Spawanie prądem przemiennym. Ze zmniejszającą się ilością związków fluoru w otulinie i zwiększającą się zawartością łatwo jonizujących się substancji (związki potasowców) otuliny zasadowe są coraz bardziej przydatne do spawania prądem przemiennym. Oprócz dejonizacji strefy łuku przy zmianie kierunku przepływu prądów i jonów występuje przy spawaniu prądem przemiennym elektrodami zasadowymi trudniejsze zajarzenie łuku, gdy katodą jest materiał spawany, czyli elektroda płytowa. Zajarzenie łuku na katodzie płytowej dokonuje się z pewnym opóźnieniem i przy wyższym napięciu niż wtedy, gdy katodą jest elektroda punktowa. Im niższe jest napięcie stanu jałowego transformatora, tym wyraźniejsze są te zjawiska. Można sądzić, że spowodowane to jest mniejszą gęstością prądu i niższą temperaturą na katodzie płytowej niż w katodzie punktowej (elektrodzie zasadowej)

Rys. 2.17. Topienie się elektrod o otulinach zawierających fluorki; a) - elektroda załączona do bieguna dodatniego, b) - elektroda załączona do bieguna ujemnego

4.Geometria spoiny i wpływ na naprężenia i odkształcenia

5.Pierwiastki mikroskopowe i ich wpływ.

Dla zahamowania rozrostu ziarna i zmniejszenia wrażliwośći spawanych stali manganowych na przegrzanie wprowadza się do nich pierwiastki węglikotwórcze (Ti,V,Nb, ) które tworzą trwałe węgliki lub azotki o wyższej temperaturze rozpuszczania. W wyniku tego zmniejsza się możliwość przegrzania stali i powstania kruchych składników strukturalnych w strefie przejściowej złącza

16

T_m

C

B

F'

D'

D

F (20^oC)

F”

rozciągające

ściskające

Naprężenie σ

O

A

600-700^oC

300^oC

A

Odkształcenie ε

Naprężenia własne

Odległość od osi spoiny, mm

250 MPa

200 MPa

100 MPa

po spawaniu

400

MPa

300

200

0

100

-100

100

200

300

400

σ'=σ_w+σ_o

d)

σ_w

σ_k

c)

R_e

b)

a)

σ_o

b_e

b

b_e

σ_w

P

P

g

linia zgrzeiny

7

30

15G2ANb

odległość od brzegu spoiny, mm

St41K

30

7

Naprężenie, MPa

naprężenia po obróbce cieplnej

naprężenia po spawaniu

400

300

200

100

0

-100

oś spoiny

y

y

σ_max ≈ R_e

σ_x

σ_x

b)

a)

a)

σ=0

ε=f(T,t)

γ→α

800

1200

1400

T_max

0

20

16

12

8

4

Czas, s

Temperatura, ^oC

1000

600

400

200

σ=f(T,t)

γ→α

ε=0

T_max

Naprężenie σ, MPa

300

200

100

0

-100

Temperatura, ^oC

b)

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

20

16

12

8

4

Czas, s

Temperatura, ^oC

T_max=1350^oC

T_max=1350^oC chłodzenie szybkie

T_max= 900^oC

T_max= 900^oC chłodzenie szybkie

T_max= 600^oC

-30

-10

50

b)

Naprężenie, MPa

40

30

20

10

0

-40

-20

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

a)

T_max=1350^oC

T_max=1100^oC

T_max= 600^oC

Naprężenie, MPa

40

30

20

10

0

-10

-20

Temperatura, ^oC

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

∼σ_e

y

c)

σ_x

b_e

b)

σ_e

σ_x

x

∼σ_e

I

v_c

IIIa

IIIb

A

A

σ=0

C

II

IV

b)

a)

Spoina

pierwszego rodzaju zrównoważone w makroobjętościach

trzeciego rodzaju zrównoważone w obszarze sieci krystalicznej

drugiego rodzaju zrównoważone w objętości kilku ziaren

Naprężenia trójosiowe

(w płaskim stanie odkształceń)

Naprężenia dwuosiowe

(w płaskim stanie naprężeń)

Naprężenia jednoosiowe

(w jednoosiowym stanie naprężeń)

Naprężenia własne wywołane odkształceniem sprężystym lub plastycznym materiału przy nierównomiernym nagrzewaniu części

naprężenia własne wywołane przemianami strukturalnymi i fazowymi powodującymi zmianę objętości metalu

Naprężenia własne wywołane odkształceniem sprężystym lub plastycznym materiału w procesie obróbki mechanicznej, plastycznej itp.

Naprężenia okresowe odpowiadające określonemu momentowi procesu fizycznego wywołanego procesem technologicznym

Naprężenia pozostające w materiale w sposób trwały po dokonanym procesie technologicznym

---