Naprężenia szczątkowe spawania odnoszą się do naprężeń wewnętrznych wytwarzanych w konstrukcjach spawanych w wyniku ograniczonej deformacji termicznej podczas procesu spawania. W szczególności podczas topienia, krzepnięcia i skurczu chłodzącego metalu spoiny, w wyniku ograniczeń powstają znaczne naprężenia termiczne, co czyni je głównym składnikiem naprężeń szczątkowych. Natomiast naprężenia wewnętrzne powstałe w wyniku zmian struktury metalograficznej podczas procesu chłodzenia są wtórnym składnikiem naprężeń szczątkowych. Im większa sztywność konstrukcji i im wyższy stopień utwierdzenia, tym większe są naprężenia własne, a co za tym idzie, tym bardziej znaczący jest ich wpływ na nośność konstrukcji. W artykule omówiono głównie wpływ naprężeń własnych spawania na konstrukcje.
Wpływ naprężeń szczątkowych spawania na konstrukcje lub komponenty
Naprężenie szczątkowe spawania to początkowe naprężenie występujące w przekroju elementu jeszcze zanim wytrzyma on jakiekolwiek obciążenie zewnętrzne. W okresie użytkowania elementu te naprężenia szczątkowe łączą się z naprężeniami roboczymi powodowanymi przez obciążenia zewnętrzne, co prowadzi do wtórnego odkształcenia i redystrybucji naprężeń szczątkowych. To nie tylko zmniejsza sztywność i stabilność konstrukcji, ale także, pod połączonym wpływem temperatury i środowiska, znacząco wpływa na wytrzymałość zmęczeniową konstrukcji, odporność na kruche pękanie, odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe i pękanie pełzające w wysokiej temperaturze.
Wpływ na sztywność konstrukcji
Kiedy łączne naprężenie od obciążeń zewnętrznych i naprężeń szczątkowych w pewnym obszarze konstrukcji osiągnie granicę plastyczności, materiał w tym obszarze ulegnie miejscowemu odkształceniu plastycznemu i straci zdolność do przenoszenia dalszych obciążeń, powodując zmniejszenie efektywnego przekroju poprzecznego powierzchni, a co za tym idzie, sztywność konstrukcji. Na przykład w konstrukcjach ze spoinami wzdłużnymi i poprzecznymi (takimi jak spoiny blachy żebrowej na belkach dwuteowych) lub w konstrukcjach, które zostały poddane prostowaniu płomieniowemu, w większych przekrojach mogą powstać znaczne szczątkowe naprężenia rozciągające. Chociaż zakres rozkładu tych naprężeń na długości elementu może nie być duży, ich wpływ na sztywność może być nadal znaczny. Szczególnie w przypadku belek spawanych poddawanych intensywnemu prostowaniu płomieniowemu może wystąpić zauważalny spadek sztywności podczas załadunku i zmniejszone odbicia podczas rozładunku, czego nie można przeoczyć w przypadku konstrukcji o wysokich wymaganiach dotyczących dokładności wymiarowej i stabilności.
Wpływ na wytrzymałość obciążenia statycznego
W przypadku materiałów kruchych, które nie mogą ulec odkształceniu plastycznemu, naprężenia w elemencie nie mogą być równomiernie rozłożone w miarę wzrostu siły zewnętrznej. Szczyty naprężeń będą nadal rosły, aż osiągną granicę plastyczności materiału, powodując miejscowe uszkodzenia i ostatecznie prowadząc do pęknięcia całego elementu. Obecność naprężeń szczątkowych w kruchych materiałach zmniejsza ich nośność, co prowadzi do pęknięć. W przypadku materiałów ciągliwych występowanie trójosiowego naprężenia szczątkowego rozciągającego w środowiskach o niskiej temperaturze może utrudniać występowanie odkształceń plastycznych, a tym samym znacznie zmniejszać nośność elementu.
Podsumowując, naprężenia własne spawania mają znaczący wpływ na parametry użytkowe konstrukcji. Rozsądny projekt i kontrola procesu mogą zmniejszyć naprężenia szczątkowe, zwiększając w ten sposób niezawodność i trwałość konstrukcji spawanych.
Czas publikacji: 01 sierpnia 2024 r
