Naprężenia i odkształcenia spawalnicze – jak im zapobiegać i je usuwać?

Spawanie wprowadza naprężenia i odkształcenia do konstrukcji. Poznanie ich przyczyn pomaga w skutecznym zapobieganiu. Omówimy sposoby eliminacji tych niekorzystnych zjawisk, w tym kluczową rolę obróbki cieplnej.

Czym są naprężenia i odkształcenia spawalnicze?

Spawanie polega na miejscowym stopieniu materiału. Obszar źródła ciepła osiąga bardzo wysokie temperatury. Temperatury w obszarze źródła ciepła mogą przekraczać 3000°C. Metal w strefie wpływu ciepła nagrzewa się nierównomiernie. To prowadzi do zmian objętości materiału.

Moduł sprężystości podłużnej E metali zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Granica plastyczności Re obniża się wraz ze wzrostem temperatury. Te zmiany właściwości materiału są istotne. Powstawanie naprężeń własnych jest naturalnym skutkiem spawania. Zjawiska odkształceń i naprężeń spawalniczych występują zawsze łącznie. Nie można ich rozpatrywać osobno.

Jak powstają naprężenia spawalnicze?

Naprężenia spawalnicze powstają podczas stygnięcia spoiny. Materiał stygnąc kurczy się. Kurczenie jest utrudnione przez otaczający, chłodniejszy metal. To powoduje powstanie naprężeń wewnętrznych. Rozkłady naprężeń własnych są złożone.

Źródłem ciepła może być płomień gazowy. Często stosuje się łuk elektryczny. Strumień plazmy także generuje ciepło. Nowoczesne metody używają wiązki elektronów lub promienia lasera. Każda z tych technologii wprowadza ciepło do materiału.

Rodzaje odkształceń spawalniczych

Odkształcenia spawalnicze przyjmują różne formy. Widoczne są odkształcenia poprzeczne. Często pojawiają się odkształcenia podłużne. Konstrukcje wykazują też odkształcenia kątowe.

Rysunki techniczne często przedstawiają te zjawiska. Na przykład rysunek 1 pokazuje odkształcenia blach cienkich. Rysunek 2 ilustruje odkształcenia złączy teowych. Znajomość typowych odkształceń pomaga w ich przewidywaniu.

Skutki naprężeń i odkształceń spawalniczych

Naprężenia i odkształcenia wpływają negatywnie na konstrukcje. Obniżają one wytrzymałość zmęczeniową. Mogą prowadzić do pęknięć. Zmniejszają stabilność wymiarową elementów. Wpływają na dokładność geometryczną.

Naprężenia własne zwiększają ryzyko pękania. Dotyczy to szczególnie elementów narażonych na obciążenia. Odkształcenia utrudniają montaż. Mogą uniemożliwić dalszą precyzyjną obróbkę. Eliminacja tych skutków jest kluczowa dla jakości.

Metody minimalizacji i usuwania naprężeń spawalniczych

Istnieją różne metody ograniczania naprężeń. Zasady minimalizacji naprężeń i odkształceń spawalniczych obejmują etapy projektowania i wykonania. Można zastosować metody projektowo-technologiczne. Pomagają one ograniczyć odkształcenia i naprężenia już na etapie planowania.

Ważne jest stosowanie odpowiednich technik spawania. Sezonowanie elementów także przynosi korzyści. W przypadku dużych konstrukcji stosuje się wstępne podgrzewanie. Podgrzewanie wykonuje się w wybranych miejscach. Można zastosować metodę klina przy wyborze tych miejsc.

Obróbka cieplna po spawaniu

Obróbka cieplna stosowana jest do pozbycia się odkształceń po spawaniu. Naprężenia spawalnicze można usunąć całkowicie jedynie przez obróbkę cieplną. Jest to najbardziej skuteczna metoda eliminacji naprężeń własnych.

Studzenie po obróbce cieplnej powinno być powolne. Kontrolowane studzenie zapobiega powstawaniu nowych naprężeń. Temperatura studzenia ma wpływ na wyzwolenie części naprężeń spawalniczych.

Wyżarzanie odprężające

Wyżarzanie odprężające to zaawansowany proces obróbki cieplnej metali. Głównym celem jest usunięcie lub znaczące zmniejszenie naprężeń wewnętrznych. Wyżarzanie ma na celu pozbycie się naprężeń po spawaniu bez zmiany struktury stali. Temperatura wyżarzania odprężającego dla stali i żeliwa wynosi 650-660 °C.

Dla stali konstrukcyjnych temperatura wynosi 550–750°C. Dla aluminium stosuje się temperaturę 300–400°C. Czas wygrzewania trwa od 1 do 4 godzin dla mniejszych elementów. Czas wygrzewania może wynosić od kilku godzin do kilku dni dla dużych konstrukcji. Temperatura wygrzewania wynosi typowo 30% – 70% temperatury topnienia materiału.

Proces wyżarzania odprężającego składa się z trzech kluczowych etapów. Są to nagrzewanie, wygrzewanie i powolne studzenie. Powolne studzenie jest niezbędne do uniknięcia ponownego powstawania naprężeń.

Inne metody usuwania naprężeń

Oprócz wyżarzania odprężającego istnieją inne techniki. Można zastosować wyżarzanie normalizujące. Dla grubych spoin jednowarstwowych normalizowanie przeprowadza się w temperaturze nieco wyższej niż 910 °C. Ta temperatura wynosi powyżej 910°C.

Stosuje się także odprężanie mechaniczne. Inną metodą jest odprężanie niskotemperaturowe. Stabilizacja wibracyjna to kolejna opcja. Częstotliwość drgań w odprężaniu wibracyjnym wynosi 60-100 Hz. Metoda wibracyjna pozwala uzyskać niski poziom naprężeń. Naprężenia wywołane wibrowaniem wynoszą do 50 MPa.

Oprócz wyżarzania odprężającego można zastosować kulowanie (shot peening). Ta metoda mechanicznie odkształca powierzchnię. Pomaga to rozproszyć naprężenia.

Korzyści z usuwania naprężeń spawalniczych

Usuwanie naprężeń po spawaniu przynosi wiele korzyści.

• Usunięcie lub znaczące zmniejszenie naprężeń wewnętrznych.
• Poprawa właściwości mechanicznych materiałów.
• Zwiększenie stabilności wymiarowej gotowych elementów.
• Uzyskanie bardziej jednorodnej struktury materiału.
• Wyższa wytrzymałość konstrukcji.
• Lepsza odporność na zmęczenie materiału.
• Eliminacja ryzyka pękania lub deformacji w czasie eksploatacji.
• Zapobieganie trwałym odkształceniom podczas transportu lub montażu.
• Możliwość dalszej precyzyjnej obróbki (szlifowanie, toczenie).

Te korzyści przekładają się na wyższą jakość i trwałość produktów spawanych.

Kto oferuje usługi usuwania naprężeń?

Firmy specjalizujące się w obróbce metali oferują usługi usuwania naprężeń. JDM 3D oferuje precyzyjne wyżarzanie odprężające. Firma ta pracuje z różnymi materiałami. Obejmują one stale konstrukcyjne (S235, S355, C45). Pracują też ze stalami stopowymi i nierdzewnymi.

Oferują obróbkę aluminium i jego stopów. Przykłady to EN AW-5083, EN AW-6061. Obrabiają także miedź, brąz i mosiądz. JDM 3D wykorzystuje piec HELDORS ICO 45 1100CC do wyżarzania. Piec ten ma maksymalną masę wsadu 50 kg. Maksymalna temperatura pieca wynosi 1100°C.

Firma Figel Sp. z o.o. oferuje urządzenia i materiały do spawania. Oferowane są różne metody spawania. Firma posiada certyfikat ISO 9001:2015. Figel dostarcza sprzęt niezbędny do samego procesu spawania.

Często zadawane pytania