Miejscowe nagrzanie elementu konstrukcyjnego, przy spawaniu lub cięciu gazowym, wywołuje złożony stan napięć w strefie wpływu ciepła i w całym zespole konstrukcyjnym. Rozkład naprężeń własnych zależy od kilku czynników jak: ilość spoin, sztywność elementu, stopień nagrzania, grubość materiału, ko-lejność spawania. W najprostszym połączeniu spawanym za-chodzi co najmniej płaski stan napięć, a przy dużych grubościach materiału lub bardzo zwartej konstrukcji również przestrzenny stan napięć. W rezultacie tych wpływów, w strefie złącza spawanego następuje obniżenie własności plastycznych, które na wykresie wydłużeń wyraża się zanikiem strefy odkształceń plastycznych, wzrostem wytrzymałości na rozciąganie i zmniejszeniem się wydłużeń (rys. 11).
Dla określenia własności spawalniczych stali stosuje się metody, przy pomocy których ocenia się wpływ różnych czynników, i ustala się wielkości graniczne. Większość metod opiera się na wynikach doświadczeń i na badaniach zachowania się konstrukcji spawanych w eksploatacji. Dla oceny wpływu składu chemicznego stali na własności spawalnicze wprowadzono wskaźnik przeliczeniowy Ce, zwany równoważnikiem węgla, który oblicza się ze wzoru Dla równoważnika węgla przyjmuje się górną dopuszczalną gra-nicę, gwarantującą dobrą spawalność, w Wysokości do 0,48°/o.
Drugim wskaźnikiem jest twardość strefy przejściowej, którą można obliczyć z wielkości Ce wg teoretycznego wzoru min Hv = 1200 Ct,-260 max Hv = 1200 Cc,-200 gdzie Hv jest twardością Vickcrs’a, przyjmowaną za dopuszczalną przy wartościach 3C0 do 350. Równoważnik węgla i wskaźnik twardości, obliczone ze wzorów, nie uwzględniają wpływu grubości materiału, od której zależy intensywność odprowadzenia ciepła i stopień utwardzania strefy przejściowej. Rys. 12 podaje wykres równoważnika węgla dla różnych grubości materiału. Przy przekroczeniu granicznej wielkości równoważnika węgla, w celu uzyskania mniejszej twardości strefy przejściowej, będą konieczne dodatkowe zabiegi zmniejszające szybkości odprowadzenia ciepła.
W konstrukcjach spawanych zachodzą przypadki pęknięć, które następują bez odkształceń plastycznych i rozprzestrzenia-ją się nagle w materiale rodzimym. Ten typ pęknięcia, zwany kruchym, jest bardzo niebezpieczny dla trwałości konstrukcji, gdyż powoduje raptowne wyłączenie z pracy elementu konstrukcyjnego, a zasięgu pęknięcia nie można przewidzieć. Ażeby powstało kruche pęknięcie musi wystąpić jednocześnie:
– ostre podcięcie materiału w formie karbu,
– wysokie naprężenia rozciągające,
– krytyczna temperatura dla tego gatunku stali.
Pierwsze dwa czynniki są niezależne od gatunku stali, tylko od rozwiązań konstrukcyjnych i technologii wykonania spawanego elementu. Dla ustalenia własności plastycznych materiału w różnych temperaturach stosuje się próbę udarności, otrzymując wykres wykazujący najniższą udarność w obniżonej tempera-turze (rys. 13). Można wyznaczyć na wykresie temperaturę kry-tyczną tk i krytyczną udarność Uk, które ograniczają obszar przełomów kruchych i ciągliwych. Przy wyższej temperaturze i wyższej udarności stal jest odporna na kruche pęknięcia. Zakładając graniczną wartość udarności, wyznacza się temperaturę przejścia stali w stan kruchości. Do badań udarności stosuje się dwa typy próbek, różniących się kształtem karbu:
– wg Mesnagera z karbem cylindrycznym o promieniu 1,0 mm,
– wg Charpy’ego z karbem klinowym o promieniu 0,25 mm. Przy stosowaniu ostrzejszej próbki z karbem klinowym łatwiej jest ustalić wartość średnią. Wyniki prób udarności, przy róż-nych kształtach karbu, nie są porównywalne.
Dla ustalenia temperatury przejścia w stan kruchości przyjmuje się, na podstawie doświadczeń, minimalną udarność w gra-nicy od 2,6 do 3,0 kGm/cm2 dla próbek Charpy’ego. W normach hutniczych nie są podawane temperatury kruchości dla stali. W zależności od sposobów prowadzenia wytopów stali i zastosowanych składników odtleniających, uzyskuje się stale nie-uspokojone, półuspokojone i uspokojone. Ze wzrostem stopnia uspokojenia stali obniża się temperatura kruchości. Ulepszenie struktury wyrobów walcowanych, za pomocą obróbki cieplnej, przeprowadza się jako zabieg dodatkowy po walcowaniu lub przez utrzymanie odpowiedniej temperatury końca walcowania. Brak obróbki cieplnej lub niewłaściwa temperatura w fazie walcowania prowadzi do zgniotów na zimno, co powoduje w stali skłonność do starzenia. Obróbka cieplna normalizująca pod-wyższa – a starzenie obniża – własności plastyczne stali (rys. 14). Stale wytwarzane dla celów budowlanych, oparte na różnych sposobach wytwarzania oraz zakresie badań odbiorczych, można podzielić na następujące grupy:
– stale, dla których skład chemiczny nie jest określany, bądź jest podawany orientacyjnie, stale nieuspokojone,
– stale, o określonym składzie chemicznym, nieuspokojone lub półuspokojone, KG m/cm’
– stale, o określonym składzie chemicznym, półuspokojone i uspokojone, z badaniem udarności w temperaturze +20°C,
– stale, o określonych maksymalnych składnikach stopowych, specjalnie uspokojone, z badaniem udarności w niskich temperaturach. Przy doborze stali na spawany element konstrukcyjny, należy uwzględnić:
– stopień ważności elementu w zespole konstrukcyjnym,
– rodzaj obciążeń (stałe, zmienne),
– grubość materiału,
– temperaturę eksploatacji konstrukcji.
Wytrzymałość połączeń na obciążenia stałe i zmienne
Próbka złącza doczołowego przy rozciąganiu zrywa się w materiale rodzimym, a nie w spoinie, wobec większego wydłużenia materiału od strefy spawania. Ażeby doprowadzić próbkę do serwania w spoinie, należy w miejscu tym zmniejszyć jej przekrój. Nawet przy pewnych wadach wykonania właściwości wytrzymałościowo spoiny przy obciążeniach stałych są większe od wytrzymałości materiału rodzimego. W badaniach wytrzymałości złącz spawanych mogą być porównywane tylko wyniki wytrzymałości przy zrywaniu złącza spawanego i wytrzymałości materiału rodzimego. Przy badaniach wytrzymałości złącz spawanych nie wykonuje się pomiaru wydłużenia, gdyż wielkość ta jest możliwa do porównania tylko przy stałych bazach pomiarowych. Szerokość strefy spawania jest zazwyczaj mniejsza od przyjętych baz pomiarowych, stosowanych przy pomiarach wydłużenia stali. Strefa spawania ma poza tym inną granicę plastyczności niż materiał, a badania są prowadzone na próbkach, w których częściowo są wyeliminowane naprężenia własne istniejące zawsze w po-łączeniu spawanym. Z tych względów porównanie wytrzymałości złącza spawanego z wytrzymałością materiału jest ograniczone.
Wytrzymałość spoin pachwinowych może być badana na połączeniach zakładkowych, wykonywanych taką ilością spoin, aby zerwanie nastąpiło w spoinach. Również w tych badaniach nie mogą być prowadzone pomiary wydłużenia dla całego złącza. Ze względu na bardzo skomplikowany i nierównomierny rozkład naprężeń w spoinach pachwinowych oraz nieregularny przełom zerwanego pola spoin, uzyskane wielkości należy uważać jako wskaźniki wytrzymałości. Średnie naprężenie zrywające spoinę pachwinową przyjmuje się jako ścinające, a jego rzeczywista wielkość wynosi około 80% wytrzymałości materiału rodzimego na rozciąganie zwykle poza spoiną, a połączenie zakładkowe zrywa się w spoinach, przy czym zerwanie połączenia następuje po dużych odkształceniach z przełomem ciągliwym. W przypadku obciążeń zmiennych połączenie doczołowe zrywa się przeważnie w przejściu spoiny do materiału rodzimego. Połączenie zakładkowe zrywa się w materiale rodzimym, a początek pęknięcia występuje zwykle w miejscach koncentracji naprężeń lub w miejscach występowania karbów (rys. 16). Pęknięcia zmęczeniowe materiału następują nawet na skutek nałożenia spoiny na materiał przy obciążeniach znacznie niższych od wytrzymałości zmęczeniowej materiału. Jest to skutek dużej niejednorodności strukturalnej strefy spawania oraz wpływu karbu i nierówności powstającej w czasie wykonywania spoin. W połączeniach zakładkowych i o nieregularnym przebiegu sił, w których występują spiętrzenia naprężeń na skutek kształtu połączenia, następuje dalszy spadek wytrzymałości zmęczeniowej.