Wpływ skurczu na spawane materiały

 

Po spawaniu spoina jest nadal gorąca, a ciepło odpływa do metalu rodzimego do czasu aż całe złącze osiągnie temperaturę otoczenia. Stygnąc spoina kurczy się w trzech kierunkach - rys 1.

Wyróżniamy zatem skurcz:

- w kierunku grubości spoiny

- w kierunku poprzecznym spoiny

- w kierunku wzdłużnym spoiny

Skurcz spoiny czołowej V

rys. 1

Skurcz, jaki powstaje w kierunku grubości spoiny jest swobodny, co nie powoduje powstawania naprężeń wewnętrznych.

Jeżeli spawamy dwie blachy doczołowo to występujący skurcz poprzeczny może je zbliżyć do siebie. Skurcz poprzeczny łączonych doczołowo blach wyniesie:

Grubość blachy [mm]	4	8	12	20
Skurcz poprzeczny [mm]	0,9	1,2	1,7	2,3

W złączach gdzie nie ma możliwości swobodnego skurczu metal ulega plastycznym odkształceniom, oraz powstają w nim naprężenia wewnętrzne powodując jego pękanie. Istotnym jest fakt, że im grubszy jest materiał, tym większe i niebezpieczniejsze są naprężenia wewnętrzne.

Przy złączach doczołowych skurcz działający w poprzek spoiny wywołuje także odkształcenie kątowe, które jest zależne od kształtu rowka spoiny. Najkorzystniejszym złączem jest połączenie z rowkiem spoiny wykonanym na obliczeniowych, ponieważ kolejne ściegi układane raz z jednej, a potem z drugiej strony rowka mogą spowodować, że w efekcie odkształcenie końcowe będzie równe zeru. Inaczej zjawisko przebiega, gdy rowek wykonany jest na V - rys. 2.. W tym przypadku pierwszy ścieg powoduje normalny skurcz poprzeczny, a drugi podczas stygnięcia przyciąga blachy do siebie tworząc odkształcenie kątowe. Każdy następny ścieg powoduje dalsze odkształcanie się blach. Im więcej ściegów tym większe będzie odkształcenie kątowe. 

Zjawisko wyginania blach spawanych na V

rys. 2

Wielkości odkształceń kątowych wywołanych spoiną V podane w przybliżeniu: 

Grubość blachy [mm]	6	12	20	20
Liczba ściegów w spoinie	2	5	8	22
Odkształcenie kątowe [°]	1	3	7	13

Warto tu zwrócić uwagę na blachy o grubości 20 mm i liczbę ściegów ułożonych w spoinie oraz na wielkość odkształcenia kątowego w jednym i w drugim przypadku. Widzimy, że przy dużych grubościach blachy nie mają możliwości dużych odkształceń, występuje natomiast skupienie sił wewnętrznych rozciągających, działających prostopadle do osi spoiny od strony lica. Naprężenia od tych sił mogą być tak duże, że mogą spowodować pęknięcia.

Skurcz podłużny ma małe znaczenie w elementach z krótkimi spoinami, jednak w długich spoinach może wywołać wybrzuszenia, wygięcia, pofałdowania, które są bardzo trudne, a czasem niemożliwe do usunięcia.

W cienkich blachach (do 4 mm) skurcz podłużny wywołuje ich pofałdowanie - rys. 3.

Fałdowanie blach cienkich

 rys. 3

 Dzieje się tak, ponieważ metal, który znajduje się w strefie wpływu ciepła jest z jednej strony jest rozgrzany, ale nie może on się wydłużyć, gdyż z drugiej strony znajduje się metal o temperaturze otoczenia. W rezultacie metal w strefie wpływu ciepła zostaje spęczony i powstaje tak zwane odkształcenie plastyczne. Metal i spoina podczas stygnięcia nie mogą się swobodnie kurczyć na skutek czego powstają siły wewnętrzne wywołujące naprężenia rozciągające. Nieco dalej w chłodnym metalu powstają siły wewnętrzne wywołujące naprężenia ściskające, które są odpowiedzialne w cienkich blachach za fałdowanie materiału. Proces ten powoduje ustąpienie w spoinie i w strefie wpływy ciepła naprężeń rozciągających oraz naprężeń ściskających w miejscach oddalonych od spoiny.

W blachach grubych naprężenia od skurczu podłużnego w spoinie nie wywołują fałdowania, ponieważ mają one większą sztywność. Połączenia takie jednak nie pozostają bez wad, ponieważ w grubych blachach, jeżeli odkształcenia są mniejsze to tym samym pozostają w nich większe naprężenia wewnętrzne. Na podstawie tego można wywnioskować, że elementy grube należy wykonywać z materiałów plastycznych, które odkształcają się podczas spawania. W procesie spawania, ważne jest też to, aby dobierać takie elektrody, których stopiwo jest ciągliwe i odkształca się, aby pozostały jak najmniejsze naprężenia wewnętrzne.

Naprężenia wewnętrzne są niebezpieczne z tego względu, że podczas pracy konstrukcji poddawana jest ona obciążeniom zewnętrznym, które się sumują i suma tych naprężeń może przewyższyć wytrzymałość materiału konstrukcyjnego. Jeżeli suma obciążeń zewnętrznych przekroczy wytrzymałość materiału, wówczas zostanie on zerwany a cały zespół uszkodzony, co w konsekwencji może doprowadzić do katastrofy.

---