29 września 2022


W opinii większości projektantów spoina doczołowa pracuje zmęczeniowo, a spoina pachwinowa – statycznie. Najpierw pękają spoiny rozciągane, a później ściskane, najtaniej jest wykonać spoiny pachwinowe, ważne jest zmęczenie, a pękanie kruche nie ma znaczenia. Gdy stosujemy stale St3S, nie wszystkie te twierdzenia są zawsze prawdziwe, ale dla stali o wysokiej wytrzymałości takie podejście mija się z prawdą całkowicie. W oparciu o wiedzę teoretyczną i swoje 30-letnie doświadczenie zawodowe oraz normy i doświadczenia zagraniczne chciałbym w niniejszej publikacji obalić te mity i zachęcić polskich projektantów do pogłębiania wiedzy technicznej.

Ryszard Jastrzębski

Projektowanie spoin w konstrukcjach wysokościowców w Japonii /2/

W Japonii istnieje dziewięćdziesiąt wymagań dotyczących dopuszczalnych naprężeń w materiale rodzimym, w śrubach i nitach, występujących w konstrukcji stalowych budynków. Podobnie, istnieją dziewięćdziesiąt dwa wymagania dotyczące dopuszczalnego działania naprężeń na złącza spawane. W japońskim świecie architektonicznym zasady obowiązujące przy projektowaniu są określone przez dwie normy: „Zasady projektowania konstrukcji stalowych” i „Zasady obliczeń betonu wzmocnionego stalą”. Ostatnio, aby zapobiec obniżaniu się poziomu wytrzymałości oraz plastyczności spoin, pojawiła się tendencja do regulowania ilości wprowadzonego ciepła i górnej granicy temperatury międzyściegowej. Celem tego jest podniesienie stopnia odporności na trzęsienia ziemi.

Dla mostów można wyliczyć (przy pomocy wartości granicy plastyczności) dopuszczalne naprężenie jako standardową wytrzymałość. W budownictwie natomiast wybiera się wartość niższą z granicy plastyczności i 0,7 wartości wytrzymałości na rozciąganie.

W związku z tym, np. stal SM490Y jest materiałem o takiej samej wytrzymałości na rozciąganie, co stal SM490, ale granica jej plastyczności jest na poziomie stali SM530. Z tego powodu właśnie, w przypadku mostów jest traktowana jako stal na tym samym poziomie, ale w budownictwie należy do klasy stali SM490 (czyli o klasę niżej).

W japońskim budownictwie standardowa wartość naprężeń ft jest 0,7 razy mniejsza od standardowej granicy plastyczności i wytrzymałości materiałów. Dopuszczalne naprężenie ft pojawiające się pod wpływem długotrwałego obciążenia, które z kolei powstało pod wpływem naprężeń rozciągających w materiałach stalowych, można wyliczyć ze wzoru:

ft (=σa) F / 1.5 (1)

Wytrzymałość względną w takich materiałach określoną poprzez stosunek granicy plastyczności do dopuszczalnych naprężeń nazywamy współczynnikiem bezpieczeństwa. W budownictwie, dla długiego okresu użytkowania współczynnik bezpieczeństwa wynosi 1,5, a dla krótkiego 1,0. W przypadku mostów współczynnik bezpieczeństwa wynosi 1,7. W zastosowaniu do mostów drogowych, podobnie jak w budownictwie, stosunek dopuszczalnych naprężeń rozciągających ft i ścinających fs wynosi √3. Na rysunku 1 pokazano schemat projektowania wysokościowców w Japonii. Jak wynika z rysunku, w przypadku trzęsień ziemi i obciążeń wiatrem na dużych wysokościach oprócz liczenia naprężeń, ważna jest także plastyczność blachy i przewidywanie miejsc odkształceń spoin.

Rys. 1 Wpływ wysokości budynków na sposób ich projektowania w Japonii /2/

Rys. 1  Wpływ wysokości budynków na sposób ich projektowania w Japonii /2/

Projektowanie spoin w UE i USA

W Ameryce stosuje się ustalone przez Amerykańskie Stowarzyszenie Spawalnicze (AWS) wspólną normę dla projektowania i konstruowania różnego rodzaju konstrukcji AWS D 1.1 – 2000 „Zsynchronizowana norma spawalnicza – stal”. W normach dotyczących konstrukcji spawanych przedstawione są ich przekroje. Różni się to od japońskiego sposobu projektowania tym, że w różnych rodzajach budowli bierze się pod uwagę główne normy i projektuje cechy charakterystyczne budowli.

W Europie, wzorem USA, wprowadzono normy zharmonizowane. Normy te są pomocne przy odbiorze konstrukcji, lecz nie pozwalają na uniknięcie błędów w konstruowaniu. Konieczne są więc analizy praktyczne.

W 2006 roku w Polsce do obliczania konstrukcji obciążonych statycznie wprowadzono normy europejskie zharmonizowane PN-EN 1993-1-1 (reguły ogólne), PN-EN 1993-1-3 (konstrukcje kształtowników i profili), PN-EN 1993-1-8 (projektowanie węzłów). Do obciążeń dynamicznych wprowadzono normy: PN-EN 1993-1-9 (zmęczenie), PN-EN 1993-1-10 (udarność i ciągliwość międzywarstwowa).

Wpływ kierunku rozciągania i dynamiki na wytrzymałość spoin

Jak widać na rysunku 2a, największe naprężenia wewnętrzne pochodzące od spawania są w przetopie, a najmniejsze w licu. Wynika to z tego, że miejsce układania lica jest odkształcone przez poprzednie ściegi, co prowadzi do mniejszych odkształceń. Jeżeli do tego dodamy naprężenia wynikające z działania karbu, to się okaże, że największe naprężenia są na powierzchni przetopu, mniejsze – na powierzchni lica, a najmniejsze – w środku spoiny. Stąd wniosek, że największe prawdopodobieństwo pękania jest na powierzchni od strony przetopu, mniejsze od strony lica, a najmniejsze w środku spoiny. Biorąc po uwagę mechanikę pękania okazuje się, że najbardziej niebezpieczne są wady na powierzchni, a wady wewnątrz spoiny są mniej niebezpieczne. Stąd, najważniejszą metodą badań nieniszczących są badania wizualne, którym poddaje się 100% spoin, a dopiero później – badania penetracyjne i magnetyczne (nie dotyczy to stali kwasoodpornej i metali niemagnetycznych).

Na rysunku 2b możemy zobaczyć, dlaczego belka suwnicy pęka po stronie ściskanej, a przęsło mostu i inne belki po stronie rozciąganej. W przypadku belki podsuwnicowej i belki suwnicy źródłem drgań jest koło, jeżdżące po szynach. Są to drgania punktowe, których wartość maleje ze wzrostem odległości. Stąd, największe obciążenia dynamiczne są u góry, po stronie ściskanej i tam konstrukcja pęka. Efekt ten niwelują podkładki pod szyny z prasowanej i obudowanej metalową blachą gumy.

Rys. 2 Porównanie wytrzymałości spoin suwnicy i mostu drogowego: a/ rozkład naprężeń na przekroju spoiny, b/ wpływ rozkładu obciążeń dynamicznych na miejsce pękania spoin belki dwuteowej

Rys. 2  Porównanie wytrzymałości spoin suwnicy i mostu drogowego: a/ rozkład naprężeń na przekroju spoiny, b/ wpływ rozkładu obciążeń dynamicznych na miejsce pękania spoin belki dwuteowej

W przypadku mostu, pomiędzy kołem a przęsłem jest beton, który rozprasza drgania, powodując, że przęsło jest obciążone drganiami liniowymi, które są takie same u góry jak i u dołu. Stąd, drgania te nie wpływają na miejsce pękania, a przęsło pęka po stronie rozciąganej.

Na rysunku 3a pokazano odkształcenie względne spoiny pachwinowej przy różnych sposobach obciążenia. Przy rozciąganiu od strony lica o 1 mm odkształcenie względne 10% jest małe i spoina nie pęka. Przy rozciąganiu o 1 mm od strony przetopu (głębokość wtopienia 3 mm) odkształcenie względne 33% jest duże i spoina pęka, bo najmniejsze dopuszczalne wydłużenie stopiwa wynosi 20%. Stąd wniosek, że spoiny pachwinowe muszą być tak obciążone, aby lico było rozciągane. Jeżeli obciążenia dynamiczne będą takie, że przetop nigdy nie będzie rozciągany, to spoina pachwinowa równie dobrze będzie przenosiła obciążenia dynamiczne. Ilustruje to rysunek 3b. W belce suwnicy położenie obciążenia jest zdeterminowane środkowym położeniem szyny. Szyna tak naciska na górną półkę przekroju skrzynkowego, że lico jest rozciągane, a przetop ściskany. To wyjaśnia, dlaczego dynamicznie obciążona belka suwnicy może być pospawana spoinami pachwinowymi.

Rys. 3 Porównanie obciążenia i miejsca pękania belki skrzynkowej mostu drogowego i suwnicy z dwuteową belką podsuwnicową
Rys. 3  Porównanie obciążenia i miejsca pękania belki skrzynkowej mostu drogowego i suwnicy z dwuteową belką podsuwnicową

Inaczej jest w przypadku przęsła mostu o konstrukcji skrzynkowej. W przypadku płyty ortotropowej mostu koło pojazdu może znaleźć się na zewnątrz przęsła, rozciągać przetop i ściskać lico spoiny pachwinowej. Aby więc zabezpieczyć spoinę przed pękaniem, należy fazować ściankę i wykonać spoinę pachwinowo-doczołową z pełnym przetopem. Podobnie jest w przypadku dwuteowej belki podsuwnicowej starego budynku hali. W przypadku rozsunięcia ścian hali przesuwa się położenie szyn. Wtedy, jak pokazano na rysunku 3d, lico spoiny pachwinowej jest ściskane, a przetop jest rozciągany. Aby zmienić ten stan obciążenia, brzeg półki należy podeprzeć o środnik. Tak naprawiano np. układy jezdne suwnic walcowni Huty Sędzimira. Podobna sytuacja może wystąpić w przypadku wywrotnicy wagonowej (konstrukcja nośna obrotnicy ma kształt koła o przekroju dwuteowym), gdzie podczas wywracania wagonu, półka jest odrywana od środnika. Taką spoinę można wzmocnić żebrami, ale od strony półki żebro należy fazować i przyspawać spoiną doczołową. Inaczej spoina pachwinowa, wzmocniona od strony półki, pęknie przy pierwszej próbie wywracania wagonu.

Czasami wykonawcy spierają się z projektantami o to, co jest bardziej ekonomiczne: spoina doczołowa czy pachwinowa. Spór wynika z błędnie zakorzenionych poglądów, że spoina pachwinowa nie wymaga fazowania oraz badań nieniszczących. W dobie szeroko dostępnych elektronarzędzi do fazowania wykonawcy wolą spoiny doczołowe. Problem wyjaśnili Amerykanie /1/. Na rysunku 4 pokazano spoinę pachwinową i doczołową o tej samej nośności.

W przypadku spoiny pachwinowej wymiarujemy wysokość trójkąta przekroju spoiny. W przypadku spoiny doczołowej nie wolno dodawać wymiaru spoiny doczołowej do wymiaru spoiny pachwinowej, bo spoina pęka pod kątem 45°, czyli wzdłuż boku spoiny doczołowej (rys. 4b). Spoina pachwinowa składa się tu z dwóch trójkątów, z których każdy jest równy wymiarowo bokom trójkąta spoiny doczołowej.

Rys. 4 Porównanie przekroju spoiny (a) pachwinowej i (b) doczołowej o tej samej wytrzymałości

Rys. 4  Porównanie przekroju spoiny (a) pachwinowej i (b) doczołowej o tej samej wytrzymałości

Stąd wniosek, że na spoinę pachwinową trzeba zużyć dwa razy więcej stopiwa niż na spoinę doczołową o tej samej wytrzymałości. Ilość nakładu pracy, wprowadzonego ciepła i odkształcenie spoin pachwinowych jest większe niż spoin doczołowych.

Kolejność spawania ciężkich konstrukcji

Technologia spawania mostów powinna spełniać zasady ogólne dotyczące kolejności spawania:

  • w pierwszej kolejności wykonuje się spoiny doczołowe elementów najgrubszych, następnie cieńszych

  • na końcu wykonujemy spoiny pachwinowe i usztywnienia, zaczynając od osi na zewnątrz (po długości, szerokości i grubości).

Wynika to z tego, że elementy najgrubsze i najbardziej oddalone od osi obojętnej najbardziej odkształcają konstrukcję. W celu uniknięcia pęknięć należy „zgubić” odkształcenia poprzeczne spoin, unikając ich koncentracji na spoinie. Wymaga to stanu, w którym konstrukcja nie będzie „przesztywniona” żebrami lub spoinami pachwinowymi.

Często w konstrukcjach mostowych (rys. 5), ze względu na ograniczenia grubości blach do 40 mm, półka dźwigara musi się składać z trzech nakładek połączonych spoinami pachwinowymi. Wtedy skurcz poprzeczny (wynoszący 8 mm) oraz nieodpowiednie spawanie, mogą doprowadzić do przekroczenia zapasu na odkształcenia i pękanie.

Rys. 5 Plany technologiczne spawania mostu drogowego i sposób naprawy pęknięć spoin: a/ kolejność spawania i długości niedospawanych spoin, b/ sposób unikania pęknięć spoin przy naprawach, c/ wypełnianie przesztywnionego rowka metodą napawania ścianek (naprawy) /6/
Rys. 5  Plany technologiczne spawania mostu drogowego i sposób naprawy pęknięć spoin: a/ kolejność spawania i długości niedospawanych spoin, b/ sposób unikania pęknięć spoin przy naprawach, c/ wypełnianie przesztywnionego rowka metodą napawania ścianek (naprawy) /6/

Dlatego odległość między spoinami powinna wynosić 300 mm (warunek „zgubienia” odkształceń poprzecznych), a spoiny przylegające do spoin doczołowych powinny być niedospawane na 300 mm.

Aby dojść do niżej położonych spoin doczołowych należy więc zastosować wstawki 600 i 1200 mm. Najpierw wykonujemy spoiny półek (rys. 5a – 1,2,3 ), następnie środnik (4), później niedospawane spoiny łączące półkę ze środnikiem (5) i spoiny nakładek (6 i 7), posuwając się od osi na zewnątrz. Odwrotna kolejność spawania, np. najpierw spoin pachwinowych, a później doczołowych, może spowodować pękanie.

W przypadku napraw i remontów, w celu uniknięcia pękania (jak pokazano na rysunku 5b), należy spawać kaskadowo (50 mm) od razu po trzy ściegi, co powoduje obróbkę cieplną ściegów i większą możliwość przenoszenia sił skurczu podczas przemiany austenitu. Spoiny należy wykonywać metodą napawania ścianek, pozwalającą na swobodny skurcz większości spoiny.

Metodę tę stosuje się również do spawania w zimie pancerzy wielkich pieców czy pieców cementowych.

Spawanie dna zbiornika magazynowego na paliwo czy dna wielkiego pieca rodzi niebezpieczeństwo pofalowania blach siłami naprężeń spawalniczych. W przypadku dna wielkiego pieca najpierw łączymy doczołowo blachy pasów. Następnie ustawiamy trzy pasy, jak na rysunku 6, i czterech spawaczy wykonuje dwie spoiny od środka na zewnątrz. Ważne jest, aby spawacze spawali równo i by jeden nie wyprzedzał drugiego. Wtedy spoiny oddziałują na blachę symetrycznie i blacha się nie faluje. Aby umożliwić wyprowadzenie naprężeń nie spawamy skrzyżowań. Spoiny przetopowe spawacze wykonują metodą „postępowo-wsteczną”, która umożliwia usuwanie naprężeń, poprzez kontrolowane odkształcenie plastyczne spoiny podczas spawania. Po wyspawaniu trzech pasów dokładamy kolejne dwa i spawamy „postępowo-wstecznie” od środka na zewnątrz. Tym sposobem wyprowadzamy naprężenia spawalnicze od środka na zewnątrz najpierw po długości, a później po szerokości. Po wyspawaniu całego dna także symetrycznie spawamy spoiny obwodowe. Pozwala to naciągnąć blachę tak jak skórę na bębnie. Na samym końcu spawamy skrzyżowania spoin.

Rys. 6 Kolejność spawania dna wielkiego pieca

Rys. 6  Kolejność spawania dna wielkiego pieca

W przypadku spawania dna zbiornika magazynowego na paliwo spawanie jest prostsze ze względu na spoiny pachwinowe zakładkowe. Problem występuje z oprzyrządowaniem do profilowania blach.
W przypadku spawania statku i konieczności koordynacji pracy wielu spawaczy (aby dopilnować dokładności wymiarowej) bardzo ważne jest ustalenie etapów i kolejności spawania, czyli opracowanie tzw. „planów technologicznych spawania”.

Podstawowym elementem statku jest tak zwana sekcja, której zasady spawania podano na rysunku 7.

Rys. 7 Wyprowadzanie naprężeń poprzez dobór kolejności spawania sekcji statku: a/ spoiny pionowe, b/ spoiny poziome, c/ kierunki wyprowadzania naprężeń /6/
Rys. 7  Wyprowadzanie naprężeń poprzez dobór kolejności spawania sekcji statku: a/ spoiny pionowe, b/ spoiny poziome, c/ kierunki wyprowadzania naprężeń /6/

Jak pokazuje rysunek 7c, zaczynamy spawanie od środka całego bloku i posuwamy się od środka na zewnątrz najpierw po długości, następnie po szerokości, a potem po grubości elementu statku. Takie działanie pozwala na wyprowadzenie naprężeń spawalniczych na zewnątrz. Na danym poziomie (piętrze) mamy spoiny pionowe i poziome. Zasada jest taka, że najpierw wykonujemy spoiny pionowe, a następnie spoiny poziome. Spoinę pionową dzielimy na trzy odcinki i wykonujemy je metodą „postępowo-wsteczną”. Spoiny pionowe wykonujemy naprzeciwlegle tak, aby pospawać cały węzeł krzyżujących się blach. Zaczynamy od środkowego węzła i posuwamy się na zewnątrz po długości, a później po szerokości, tak aby pospawać cały poziom. Następnie spawamy poszczególne pola (pomieszczenia) spoin poziomych.

Spoiny poziome wykonujemy tak, aby zamykać prostokąty, zaczynając od jednego rogu, a kończąc na przeciwległym.

Podobnie, jak w przypadku spoin pionowych, spawamy pola posuwając się od środka na zewnątrz (naprzeciwlegle) po długości, a następnie po szerokości i po grubości (rys. 7c).

Po wykonaniu całego poziomu przesuwamy się poziom niżej, potem jeszcze niżej, tak aż pospawamy całą konstrukcję. Następnym krokiem jest spawanie poszczególnych segmentów poprzecznych kadłuba. Najlepiej to widać na przykładzie operacji wydłużania statku, polegającej na rozcięciu kadłuba, rozsunięciu rozciętych fragmentów i wstawieniu wcześniej przygotowanej nowej części statku (niedopilnowanie kolejności spawania w Stoczni Marynarki Wojennej spowodowało, że przy pierwszej takiej operacji powstał statek w kształcie banana).

Aby prawidłowo wykonać operację wydłużania statku należy zacząć od pospawania burt podwójnych wraz z usztywnieniami. Zaczynamy od elementów najgrubszych, czyli tak zwanej stępki, poruszając się – po rozwinięciu burt – do elementów najmniej sztywnych, czyli do pokładu statku. Na końcu spawamy elementy pokładu /5/.

Obliczanie odkształceń poprzecznych, podłużnych i kątowych

Odkształcenia poprzeczne mają niewielką wartość, jednak należy zapewnić możliwość ich „zgubienia”. W przeciwnym przypadku, jeżeli cały skurcz termiczny skoncentruje się na spoinie i przekroczy dopuszczalne wydłużenie stopiwa 20%, to spoiny popękają.

W przypadku zbiorników ciśnieniowych, aby zatwierdzić technologie spawania łaty, należy przewidzieć niewielki łuk, na którym zgubi się to odkształcenie. Ten łuk nazywa się odsadzeniem.

Rys. 8 Spawanie łaty zbiornika

Rys. 8  Spawanie łaty zbiornika

W przypadku cienkich blach nie ma z tym problemu, nie da się tego jednak zrobić, jeżeli grubość blachy przekracza 40 mm. Całe odkształcenie skoncentruje się wówczas na spoinie. Należy więc znaleźć sposób, który pozwoli zapobiegać pękaniu spoiny przy tym odkształceniu. Na szczęście wielkość odkształceń w milimetrach nie jest istotna, liczą się bowiem odkształcenia względne.

Przy takim prowadzeniu spawania, w którym, gdy pojawi się skurcz strukturalny, objętość wyspawanej spoiny będzie większa – odkształcenie względne będzie mniejsze.

Na rysunku 9 pokazana jest łata wielkiego pieca spawana w trakcie jego remontu kapitalnego.

Rys.9 Spawanie łaty wielkiego pieca

Rys.9  Spawanie łaty wielkiego pieca

Taka łata ma grubość 40 mm. Fazowana jest na niesymetryczne podwójne V, ponieważ nie należy robić przetopu w środku blachy gdzie jej własności plastyczne są najmniejsze. Aby spoiny sczepne nie pękły, muszą mieć długość 500 mm i być trzywarstowe. Spawamy je metodą kaskadową, tak że najpierw kładziemy pierwszy ścieg, po ułożeniu 50 mm kładziemy na nim ścieg drugi, schodzimy na pierwszy ścieg i układamy trzeci ścieg, potem schodzimy na drugi ścieg i znów na pierwszy ścieg. W ten sposób ciepło jednego ściegu obrabia cieplnie drugi ścieg i skraca czas chłodzenia, zwiększając własności plastyczne. Jednocześnie, układanie takiego warkocza ze ściegów nie dopuszcza do odkształcenia strukturalnego, które następuje dopiero, gdy są już ułożone trzy ściegi.

W przypadku łaty wielkiego pieca nie możemy zacząć od spawania spoin pionowych, jak w przypadku cienkościennego zbiornika na paliwo, dlatego musimy zacząć od spoin poziomych, ponieważ w przypadku spoin pionowych wystąpiłoby odkształcenie kątowe i naciąganie blachy wprowadziłoby dodatkowe naprężenia, co jest niepożądane. Spawamy od spoiny poziomej, wypełniając miejsca między sczepami. Zaczynamy od środka na zewnątrz, następnie spawamy spoiny pionowe.

Warto zaznaczyć, że w głównej części zastosowano bardzo krótkie sczepy, aby to one pękły, gdyż inaczej pękła by nam blacha.

Rys.10 Prostowanie suwnicy pomostowej metodą spawania nakładek wzmacniających dolne pasy dźwigarów skrzynkowych

Rys.10  Prostowanie suwnicy pomostowej metodą spawania nakładek wzmacniających dolne pasy dźwigarów skrzynkowych

Po wyspawaniu dolnego poziomu i pionów możemy zacząć spawać górny pion, używając tej samej metody, jak w przypadku spoin sczepnych. W przypadku problemów pozostałe ściegi należy też układać kaskadowo z tą tylko różnicą, że wykonujemy spawanie metodą napawania ścianek.

Konstrukcje podczas spawania są deformowane, ponieważ nagrzewanie powoduje „rozpychanie się” spoiny. Po ochłodzeniu, konstrukcje te ulegają przegięciu w przeciwnym kierunku, dlatego że odkształcona spoina się kurczy.

Określenie dokładnego odkształcenia – w trakcie spawania –nie jest łatwe dlatego, że w czasie spawania pozostajemy w cyklu nagrzewania, a nas interesuje odkształcenie belki po ostygnięciu. Dobrze ilustruje to przykład prostowania suwnic w hucie Sędzimira w Krakowie.

Belka suwnicy była tam wygięta do dołu o 26 mm i Urząd Dozoru Technicznego nie mógł dopuścić jej do ruchu. Taką belkę można było oczywiście wyprostować termicznie, ale UDT nie dopuszcza możliwości grzania konstrukcji obciążonych dynamicznie. Dlatego postanowiono przyspawać do dolnego pasa taśmę o szerokości 300 mm ponieważ, zgodnie z przepisami, wzmacnianie belki suwnicy nie jest zabronione.

Metodą elementów skończonych wstępnie obliczono, jaka musi być grubość i szerokość pasa i jakie powinny być wymiary spoin. Ale ze względu na to, że naprężenia wewnętrzne wpływają na odkształcenia, należy też opracować praktyczny sposób utrzymania wymaganego poziomu odkształceń. I tu okazuje się, że choć precyzyjne obliczanie odkształceń jest skomplikowane, to zależność pomiędzy odkształceniem w czasie nagrzewania i odkształceniem w czasie chłodzenia jest dosyć prosta. Dlatego wystarczyło wykonać dwie spoiny o różnej długości, zmierzyć odkształcenie w czasie nagrzewania i po ochłodzeniu i wyznaczyć prostą.

Jeżeli odmierzymy przewidywane odkształcenie po ostygnięciu i z krzywej odczytamy odkształcenie przy nagrzewaniu, to w sposób praktyczny możemy wyprostować suwnicę czy wał turbiny.

W tym przypadku suwnica odkształcona była do dołu, czyli do minus 26 mm, po nagrzaniu odkształcenie zwiększyło się do minus 60 mm, a po 24 godzinach stygnięcia zmienił się kierunek odkształceń na dodatni: plus 20 mm. Rozpiętość suwnicy wynosiła 31 m, wysokość belki: 1,8 m, szerokość półki: 600 mm, grubość półki: 10 mm, grubość średnika: 8 mm, a grubość przyspawanego pasa 8 mm.

W USA opracowano praktyczne wzory dotyczące określania odkształceń. W oparciu o te wzory można optymalizować kolejność spawania. Wzory na obliczanie (w calach) odkształceń wzdłużnych, poprzecznych i kątowych przyjmują następującą postać /1/:

wzory

gdzie:
ω – szerokość półki
A – całkowite pole przekroju poprzecznego spoiny metalu oraz stopiony materiał podstawowy (w calach kwadratowych). Może być oszacowane z wielkości spoiny
I – moment bezwładności elementu w calach
L, d – długość i odległość (w calach) pokazane na rysunku 8
t – grubość spoiny (w calach)

Zapobieganie pęknięciom kruchym i zmęczeniowym

Poniżej podajemy opracowane w Japonii podstawowe zasady dotyczące: doboru materiałów spawalniczych odpowiadających materiałowi podstawowemu, odpowiedniego doboru technologii i zarządzania budową /2/:

a) Mimo, że naprężenie wynikające z obciążenia dodaje się do naprężeń pozostających w złączach spawanych, to samo naprężenie pozostające zostaje redukowane po przekroczeniu granicy plastyczności. Z tego powodu, w obliczeniach wytrzymałościowych złączy spawanych, pomija się naprężenia pozostające, a oblicza się tylko naprężenia wynikłe z obciążenia.

b) Nadlewu spoiny nie wlicza się do obliczeń wytrzymałościowych.

c) Stopień wytrzymałości „wlewki spoiny” powinien być taki sam jak wymiary materiału rodzimego. Innymi słowy, sprawność złącza spawanego powinna wynosić 100% (jeśli nie były wykonywane badania niszczące, zmieniano sprawność na 90%).

d) Należy stosować takie materiały spawalnicze, które odpowiadają materiałowi podstawowemu, tzn. poziom plastyczności i wytrzymałości musi być na takim samym poziomie (jak spawamy dwa materiały o różnych własnościach, to materiał dodatkowy dobieramy do materiału o niższych własnościach wytrzymałościowych).

e) Należy tworzyć takie projekty, aby unikać koncentracji naprężeń w złączach spawanych. Ponadto, należy zwracać uwagę na to, aby nie występowało duże utwardzenie i kruchość stali, oraz aby nie powstawały pęknięcia lub inne wady w czasie spawania.

f) Aby złącza spawane były bezpieczne, należy przykładać dużą uwagę do odpowiednich własności materiałów.


Rozmiar spoiny ώ (cal) 3/16 1/4 5/16 3/8 7/16 1/2
ώ1/3 0,114 0,165 0,22 0,28 0,342 0,406


Rozmiar spoiny ώ (cal) 9/16 5/8 3/4 7/8 1
ώ1/3 0,474 0,543 0,688 0,841 1,0

Tabela 1  Wartości ώ1/3z wzoru na odkształcenia kątowe /1/

Wnioski

Rys. 11 Podstawowe elementy obliczania odkształceń spawalniczych
Rys. 11  Podstawowe elementy obliczania odkształceń spawalniczych

a) Nie zawsze normy obejmują praktyczne aspekty wytrzymałości jak np. czy rozciągany jest przetop czy lico, czy źródło drgań jest punktowe czy liniowe.

b) Orientacyjne wartości odkształceń kątowych, poprzecznych czy wzdłużnych można obliczyć ze wzorów i próbować optymalizować technologię wykonania.

c) Obliczenia nie uwolnią nas od konieczności „zgubienia” odkształceń poprzecznych i wyprowadzenia na zewnątrz odkształceń po długości, szerokości i grubości, poprzez kolejność spawania.

d) W przypadku bardziej zaawansowanych konstrukcji, takich jak wysokościowce czy obciążone zmęczeniowo maszyny, trzeba brać pod uwagę mechanikę pękania, plastyczność i zdolność wydłużania się zastosowanych materiałów i podstawowe zasady tworzenia technologii.

Ryszard Jastrzębski

Instytut Łączenia Metali
w Krakowie

Literatura
/1/ The Procedure Handbook of Arc Welding, The Lincon Electric Company, Ohio 1994
/2/ Japan Welding Society: Yōsetsu gakkai-hen, Yōsetsu, setsugō gijutsu tokuron. Shinpan, wydawnictwo Sanpō, 2008
/3/ B.Wichtowski: Obliczanie złączy spawanych poddanym obciążeniom statycznym i zmęczeniowym wg „Eurokodu 3”, Przegląd Spawalnictwa nr 1/2011, str. 15-21
/4/ Norma D1.1, Amerykańskie Stowarzyszenie Spawalnicze
/5/ Jacek Skoracki: Spawanie wstawki przedłużającej jednostkę pływającą, Przegląd Spawalnictwa, nr 2-3/2001, str. 22-23
/6/ M. Kiełczynski, M. Skarpetowski, R. Jastrzębski, J. Przytuła, R. Santor: „Practical ways of controlling distortions of welded constructions”, Przegląd Spawalnictwa nr 3/2011, str. 49-55, referat wygłoszony na międzynarodowej konferencji „International Workshop of Thermal Formingand Welding Distortion” 2nd IWOTE, Instytut BIAS, Brema, Niemcy, 6-7 kwietnia 2011r.