Naprężenia własne i metody ich eliminowania

Odkształcenia, które powstają w wyniku spawania pochodzą od odkształceń plastycznych, które są wynikiem naprężeń powstających na skutek kurczenia się złącza. Materiał odkształca się trwale, jeżeli naprężenia przekroczą granicę plastyczności w odpowiednich przedziałach temperaturowych. Rozkład naprężeń szczątkowych przedstawia rys. 1.

Rozkład naprężeń szczątkowych w materiale

rys. 1

Naprężenia, które pozostają po spawaniu w złączu nazywane są naprężeniami własnymi, które dzielimy na wzdłużne i poprzeczne.

W celu minimalizacji odkształceń i zmiany naprężeń wewnętrznych stosuje się wyżarzanie odprężające. Należy jednak pamiętać, że działania stosowane w celu minimalizacji odkształceń nie usuwają ich całkowicie. Nie zawsze naprężenia własne materiału są dla konstruktora problemem, ponieważ w przypadkach gdzie występują one w konstrukcjach nieodpowiedzialnych mogą one występować w takim stanie, w jakim pozostały po spawaniu. W elementach, które pracują w niskich temperaturach, takie jak elementy kadłuba naprężenia te w połączeniu z niskimi temperaturami mogą prowadzić do powstawania kruchych pęknięć. W takich przypadkach konstruktor dobiera odpowiedni materiał, który jest odporny na taki rodzaj uszkodzeń. Konstruktor przy projektowaniu musi brać również pod uwagę występowanie naprężeń roboczych, które podczas eksploatacji sumują się z naprężeniami własnymi.

Istnieją różne metody stosowane w celu obniżania naprężeń własnych występujących w złączach spawanych np. obróbka cieplna, obróbka wibracyjna, jednak najczęściej stosowaną i powszechną jest metoda wyżarzania odprężającego polegająca na podgrzewaniu i studzeniu materiału. Cykl ten wykorzystuje zjawisko zmniejszania się naprężeń w złączu w miarę wzrostu temperatury metalu. Przekroczenie granicy plastyczności następuje po przekroczeniu temperatury 600°C, co powoduje powstanie rozciągających naprężeń własnych. Podczas wyżarzania powstają miejscowe odkształcenia, które zmniejszają naprężenia rozciągające, a jednocześnie następuje zmniejszenie naprężeń ściskających, które równoważyły te naprężenia.

Temperaturę wyżarzania podnosi się do momentu, w którym granica plastyczności obniży się na tyle, aby w efekcie osiągnąć stan, w którym naprężenia wewnętrzne nie będą mogły się utrzymać. Wartość tej temperatury jest różna i zależy ona od rodzaju stosowanego materiału, który zależy od składu chemicznego, a dokładnie od zawartości pierwiastków stopowych. Wartości temperatur przedstawia poniższa tabelka:

Rodzaj stali	Temperatura wyżarzania, °C
Niskowęglowa	580
Węglowo-manganowa	580
Węglowo-molibdenowa (0.5 %)	650
Chromowo(1 %)-molibdenowa (0.5 %)	650
Chromowo(2.5 %)-molibdenowa (1 %)	690
Chromowo(5 %)-molibdenowa (0.5 %)	725

 

Nagrzewanie i studzenie elementów należy przeprowadzać starannie w odpowiednich warunkach tak, aby temperatura na całej powierzchni elementu zmieniała się jednakowo. Do wyżarzania służą odpowiednio wyposażone piece, które posiadają systemy sterujące temperaturą, przez co zapobiega się powstawaniu gradientów temperatury, jak w przypadku miejscowego nagrzewania blach, co prowadzi do powstawania kolejnych naprężeń. Wyżarzanie odprężające zmniejsza podatność elementu na korozję.

 

---