Warunki zmian naprężeń

Rozkład naprężeń własnych i ich wielkość w połączeniu spawanym lub w zespole konstrukcyjnym ulegają w pewnych przypadkach zmianom pod wpływem dodatkowych zabiegów podczas wykonywania konstrukcji lub w czasie jej eksploatacji. Zmiany wymiarów spawanych elementów na skutek przemieszczeń w rozkładzie naprężeń własnych zachodzą w okresie długiego czasu. Takie zmiany wymiarów, które następują po obróbce mechanicznej części maszyn, powodują trudności w normalnej pracy urządzenia lub nawet mogą ją uniemożliwić. Okres zachodzących odkształceń pod wpływem naprężeń własnych można podzielić na trzy etapy. W pierwszym etapie od jednej do dwóch godzin szybkość odkształceń jest największa i obejmuje około 25°/o wielkości ogólnych odkształceń. W drugim etapie do 8 dni szybkość odkształceń znacznie zmniejsza się i obejmuje dalszych 50°/’o ogólnych odkształceń. W trzecim okresie, trwającym bardzo długo od kilku miesięcy do dwóch lat, następuje reszta odkształceń.

Naprężenia własne w połączeniu spawanym ulegają zmianom przy zmianie sztywności spawanych elementów, przy obciążeniach połączeń siłami zewnętrznymi oraz pod wpływem dodatkowego ogrzewania konstrukcji. Zmiana sztywności spawanej konstrukcji następuje w procesie spawania, a po spawaniu w przypadku za-stosowania obróbki mechanicznej. Podczas spawania konstrukcji składającej się z kilku części sztywność własna konstrukcji zmienia się ze stopniowym łączeniem części. Chcąc uzyskać po spawaniu element nieodkształcony należy spoiny wykonywać w takiej kolejności, aby była zachowana symetria naprężeń i od-kształceń stopniowo narastających. Przy układaniu kilku spoin na jednym elemencie powstające naprężenia własne kolejno nakłada-ją się tak, że ostateczny rozkład naprężeń jest zupełnie inny od rozkładu naprężeń poszczególnych spoin. Gdy na pasie blachy zostaną ułożone oddzielnie jedna spoina na osi i dwie spoiny na krawędziach, to rozkład naprężeń będzie odmienny (rys. 7). W pierwszym przypadku naprężenia rozciągające osiągają granicę plastyczności na osi blachy, w drugim na jej krawędziach. 

Po wykonaniu wszystkich spoin na jednym pasie blachy wobec sumowania się naprężeń przeciwnych znaków, spiętrzenia na-prężeń na granicy plastyczności zmniejszają się. Rozkład naprężeń staje się bardziej równomierny. Ten przebieg sumowania się naprężeń powstających przy ogrzewaniu różnych stref może być wykorzystany do zmniejszenia wielkości naprężeń własnych. W tym celu stosuje się miejscowe podgrzewanie palnikiem gazowym stref równoległych obok spoiny. Naprężenia własne ulegają zmianom przy obróbce mechanicznej spawanego elementu, wskutek której zmienia się jego sztywność własna lub zostaje naruszona równowaga rozkładu naprężeń. Gdy połączenie spawane zostaje rozcięte, lub gdy zostanie zmniejszona szerokość blachy, zmniejsza się jej sztywność (rys. 8). Jednocześnie zmniejszają się naprężenia własne, przy czym rozkład naprężeń zmienia się stosownie do nowych warunków wewnętrznej równowagi. Badania mogą być wykonywane na wąskich próbkach, wyciętych z połączenia Rys- 8- Zmiany naprężeń własnych przy spawanego, gdyż zmienia zmianie sztywności się w nich zupełnie stan naprężeń. Natomiast przez stopniowe rozcinanie połączenia na wąskie paski metodą trapanacji i pomiaru zmian odkształcenia wyznacza się wielkość naprężeń, jakie istniały w połączeniu spawanym przed rozcięciem.

W połączeniu spawanym pod wpływem obciążenia zewnętrznego następuje zmiana rozkładu naprężeń własnych nie tylko w czasie działania obciążenia, lecz i po usunięciu obciążenia zewnętrznego. Ustalenie przebiegu sumowania się naprężeń własnych z naprężeniami od obciążeń zewnętrznych ma duże znaczenie dla określenia wpływu naprężeń własnych na wytrzymałość konstrukcji. W projektowanych konstrukcjach naprężenia od obciążeń zewnętrznych przyjmuje się o wielkości nie przekraczającej granicy sprężystości. Natomiast w połączeniu spawanym występują naprężenia własne o nierównomiernym rozkładzie i o spiętrzeniach przekraczających granicę plastyczności. Na części przekroju, w którym naprężenia własne osiągają granicę plastyczności, następują trwałe odkształcenia. W połączeniu ze spoiną podłużną na osi spoiny będą istniały naprężenia rozciągające na granicy plastyczności, w reszcie przekroju naprężenia ściskające na granicy sprężystości (rys. 9). Na szerokości strefy nagrzania c będą istniały odkształcenia plastyczne natomiast na szerokości b-c odkształcenia sprężyste.

Pod wpływem obciążenia zewnętrznego siłą rozciągającą P w połączeniu wystąpią naprężenia rozciągające, lecz tylko na części przekroju b-c. Na szerokości c naprężenia nie wzrosną, gdyż niezależnie od istnienia trwałych odkształceń w części przekroju, odkształcenia zmniejszą się w całym przekroju o wielkość odkształceń sprężystych. W rezultacie po odciążeniu połączenia na osi spoiny naprężenia zmniejszą się o a2, a na reszcie przekroju zmniejszą się zgodnie z warunkami równowagi sił wewnętrznych (rys. 9d). Podobny przebieg sumowania naprężeń zachodzi również i w połączeniu ze spoiną poprzeczną.

Ten schematyczny przebieg odkształceń zachodzi tylko w przypadku jednoosiowego stanu napięcia i to wówczas gdy w materiale nie została wyczerpana zdolność do odkształceń plastycznych. Dla stali miękkich wielkość odkształceń trwałych na granicy plastyczności dochodzi do 2,4°/o. Natomiast odkształcenia plastyczne w połączeniu spawanym są rzędu l,0°/o tak, że zapas na odkształcenia z obciążeń zewnętrznych, które nie przekraczają wielkości 0,02%, pozostaje dostatecznie duży. Z omówionego przebiegu sumowania się naprężeń wynika, że można znacznie zmniejszyć naprężenia własne przez jednorazowe lub wielokrotne wstępne obciążenie i .odciążenie połączenia spawanego.

Podobne wpisy