Konstrukcje metalowe Wykład VIII Połączenia spawane (część I)

Transkrypt

1 Konstrukcje metalowe Wykład VIII Połączenia spawane (część I)

2 Spis treści Proces spawania #t / 3 Normy #t / 10 Rodzaje spoin #t / 16 Pękanie stali #t / 39 Imperfekcje #t / 79 Naprężenia i odkształcenia resztkowe #t / 84 Zagadnienia egzaminacyjne #t / 97

3 Proces spawania Spawanie dzięki wysokiej temperaturze łączone elementy są lokalnie stopione. Potrzebujemy źródła ciepła. Ciekła stal może reagować z tlenem atmosferycznym - potrzebujemy źródła gazów osłonowych by odciąć ją od tlenu. Spoina musi mieć odpowiedzniąjakość - potrzebujemy źródła dodatkó stopowych dla zapewnienia odpowiedzniego składu chemicznego spoiny (właściwy rodzaj elektrody). Po spawaniu spoina zastyga, dając jednolity materiał. Rys: Autor

4 Elektrody otulone: rdzeń jest źródłem domieszek stopowych; otulina produkuje gazy osłonowe i żużle, odcinające dostęp tlenu Rys: ua.all.biz Rys: Autor Rys: shop.berner.eu

5 Rodzaje spawań: gazowe; elektryczne (wiele rodzajów); termitowe; laserowe;

6 Spawanie gazowe Rys: elektroda.pl Rys: plomien-zgorzelec.pl mieszanina tlenu i acetylenu temperatura ~ o C dwa osobne elementy: źródło ciepła (palnik) i elektroda (źródło domieszek i gazów osłonowych) metoda tania, najstarsza, mało precyzyjna, nie nadaje się do wszystkich gatunków stali

7 Spawanie elektryczne wysoka temperatura łuku elektrycznego wiele różnych metod (MIG, MAG, TIG, plazmowe itp) najczęściej prąd płynie poprzez elektrodę, czyniąc ją równocześnie źródłem ciepła, domieszek i gazów metoda droga, dokładna, dla wszystkich rodzajów stali, najczęściej używana Rys: hak.com.pl

8 Spawanie termitowe termit: mieszanina Fe 2 O 3 + Al (~75% + 25%) Fe 2 O Al 2 Fe + Al 2 O 3 + energia temperatura do o C metoda mało precyzyjna, używana do spawania rur i szyn kolejowych Rys: wikipedia Rys: pl.all.biz

9 Spawanie laserowe droga i bardzo precyzyjna raczej nie używana w budownictwie Rys: spawanielaserowe.pl Rys: ciecie-laserowe.co.pl

10 Normy EN Wymagania techniczne EN Spawanie; terminologia dotycząca złączy spawanych wraz z ilustracjami. EN ISO Spawanie i procesy pokrewne; klasyfikacja geometrycznych niezgodności spawalniczych w metalach EN Projektowanie węzłów t min 4 mm EN Reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilowanych na zimno t min 2,5 mm EN Zmęczenie EN Dobór stali zewzględu na odporność na kruche pękanie i ciągliwość międzywarstwową Dodatkowo kilka norm ISO dla elektrod.

11 ISO 2560 Materiały dodatkowe do spawania - Elektrody otulone do ręcznego spawania łukowego elektrodą metalową stali niestopowych i drobnoziarnistych - Klasyfikacja ISO 3580 Materiały dodatkowe do spawania - Elektrody otulone do ręcznego spawania łukowego elektrodą metalową stali odpornych na pełzanie - Klasyfikacja ISO 3581 Materiały dodatkowe do spawania - Elektrody otulone do ręcznego spawania łukowego elektrodą metalową stali nierdzewnych i żaroodpornych - Klasyfikacja ISO Materiały dodatkowe do spawania - Elektrody otulone do ręcznego spawania łukowego elektrodą metalową stali o wysokiej wytrzymałości - Klasyfikacja

12 ISO 2560 tab. 8B Klasyfikacja Wytrzymałość na rozciąganie Granica plastyczności Wydłużenie A 5 Test Charpy ego, karb V, temperatura

13 EN tab. 7

14

15 Elektroda: granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie, wynik testu Charpy ego; Stal: granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie, wynik testu Charpy ego; Te cztery parametry powinny być do siebie jak najbardziej zbliżone.

16 Rodzaje spoin Spoiny Pachwinowe Czołowe Otworowe Szerokobruzdowe Zwykłe Przerywane Obwodowe Z pełnym przetopem Z niepełnym przetopem lico Rys: Autor grań

17 Spoiny czołowe Spoiny pachwinowe Rys: Autor

18 s t Rys: Autor Naprężenia w spoinie czołowej Naprężenia w spoinie pachwinowej

19 Spoiny pachwinowe przerywane L we min( 0,75 b ; 0,75 b 1 ) rozciągane: L 1 min( 16 t ; 16 t 1 ; 200 mm) ściskane lub ścinane: Rys: EN fig 4.1 L 2 min( 12 t ; 12 t 1 ; 0,25 b ; 200 mm)

20 Rys: Autor Spoiny pachwinowe obwodowe Spoiny obwodowe

21 Spoiny czołowe z pełnym przetopem Spoiny czołowe z niepełnym przetopem Rys: Autor a nom, 1 + a nom, 1 t and c nom = min (3 mm ; t / 5) a nom, 1 + a nom, 1 < t or c nom > min (3 mm ; t / 5)

22 Spoiny szerokobruzdowe Rys: EN fig 4.2

23 Geometria spoin pachwinowych a 3 mm l min = max( 6a; 30 mm) 0,2 t 2 a 0,7 t 1 t 2 t 1 (PN-B 3200) 150 a l (EN )

24 Spoiny pachwinowe dopuszczalne kąty między elementami (EN p ) 120 o 60 o a a a Rys: Autor

25 Spoiny czołowe - geometria t 1 t 1 t 2 t 2 a = min (t 1 ; t 2 ) a = t 1 Rys: Autor

26 Spoiny czołowe - geometria Obciążenia statyczne Obciążenia dynamiczne Rys: Konstrukcje stalowe, K. Rykaluk, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne Wrocław 2001

27 Spoiny pachwiniowe obwodowe i otworowe - geometria d a a t h t h Rys: Autor d 1 EN Wymiary d 2 Spoiny pachwinowe obwodowe Spoiny otworowe min (d ; d 1 ; d 2 ) > 4 t h > t h + 8mm a filled welds = t h (t h < 16 mm) = max (16mm; t h / 2) (t h > 16 mm)

28 Porównanie Spoiny czołowe Nie oblicza się nośności spoin; przyjmuje się ją równą nośności słabszego elementu Możliwe tylko dla niektórych wzajemnych położeń blach i elementów (np. niemożliwe dla połączenie półki i nakładki) Mogą być potrzebne dodatkowe przygotowania elementów (np. ukosowanie) Spoiny pachwinowe Należy policzyć nośność spoiny; jest różna od nosności łączonych elementów Możliwe dla każdego wzajemnego położenia blach i elementów Nie są potrzebne dodatkowe przygotowania elementów

29 Wymagania i zalecenia Powierzchnie: Odtłuszczone Suche Bez korozji Bez zabezpieczeń antykorozyjnych Bez powłok malarskich Bez pęknięć

30 min 10 mm min 30 o min 10 mm min 30 o Rys: Autor h r r t t t h 25 mm; h 3 t r 25 mm; r 3 t

31 Jakość spoin Część początkowa rozruch spawarki Rys: Autor Cześć końcowa Jakość teoretyczna według modelu matematycznego Jakość rzeczywista ryzyko przedwczesnego wylączenia spawarki Jakość rzeczywista wedle modelu matematycznego spoina zbyt krótka w porównaniu z obciążeniem

32 Rys: Konstrukcje stalowe, K. Rykaluk, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne Wrocław 2001 Płytki wybiegowe spoina dłuższa niż w obliczeniach, przy czym część początkowa i końcowa jest następnie usuwana

33 Spoiny pachwinowe długość obliczeniowa bez płytek wybiegowych Rys: Konstrukcje stalowe, K. Rykaluk, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne Wrocław 2001 l Rys: Autor 2a a 2a l (obliczenia) = l or l - 2a or l + 2a - 2a a

34 Ograniczenia Powinniśmy unikać spoin w czułych częściach przekrojów. 5t 5t t Rys: Autor

35 Dla przekrojów zimnogiętych spawanie w narożnikach możliwe jest tylko w przypadku spełnienia odpowiednich warunków (EN tab. 4.2): Wzmocnienie środnika w węźle rygiel-słup spoiny w narożnikach dwuteownika mogą być brane pod uwagę (EN rys. 6.5). EN tab. 4.2

36 Mimośrody b/2 l 1 e e e e 1 e 2 b/2 l 2 e 3 e 3 Rys: Autor e 3 e mogą być pominięte w obliczeniach e 1, e 2, e 3 muszą zostać uwzględnione dodatkowe momenty zginające

37 Mimośrody muszą być wzięte pod uwagę gdy obciążenie wywołuje rozciąganie w grani spoiny. F F M M e e Rys: Autor

38 Mimośrody mogą zostać pominięte gdy spoina jest częścią grupy spoin na obwodzie kształtownika rurowego. Rys: Autor e

39 Pękanie stali Znamy wiele rodzajów pękania stali. Niektóre rodzaje związane są bezpośrednio lub pośrednio z procesem spawania. Przed rozpoczęciem eksploatacji W czasie eksploatacji Główne pojęcie związane z pękaniem spoin: spawalność stali Czas pękania Przygotowanie do spawania Podczas spawania Po zakończeniu spawania Związane ze spawaniem Nie związane ze spawaniem Rodzaj pęknięć Pękanie relaksacyjne; Pękanie na gorąco; Pękanie lamelarne; Pękanie relaksacyjne; Pękanie na zimno; Pękanie zmęczeniowe; Pękanie wodorowe; Pękanie wodorowe; Pękanie kruche; Przełom plastyczny;

40 Nie ma jasnych wytycznych na temat obliczeń i unikania pękania. W literaturze spotkać można wiele modeli obliczeniowych różnych typów pękania. Zagadnienie wg literatury Obliczenia wg norm Spawalność + EN Pękanie relaksacyjne + Pękanie na gorąco + Pękanie lamelarne + EN Pękanie na zimno + EN Pękanie zmęczeniowe EN Pękanie wodorowe + Kruche pękanie EN Przełom plastyczny Nie ma potrzeby analizy Analiza literatury przeprowadzona na podstawie "Technologie materiałowe, spajanie materiałów", D. Frydrych, Politechnika Gdańska

41 #2 / 86 Przykład składu chemicznego kilku gatunków stali: Stal C [%] Si max t 16 < t t > 40 [%] 16 mm 40 mm mm Mn max [%] P max [%] S max [%] N max [%] Cu max [%] S235 JR 0,170 0,170 0,200 0,000 1,400 0,035 0,035 0,012 0,550 S235 J0 0,170 0,170 0,170 0,000 1,400 0,030 0,030 0,012 0,550 S235 J2 0,170 0,170 0,170 0,000 1,400 0,025 0,025 0,000 0,550 S275 JR 0,210 0,210 0,220 0,000 1,500 0,035 0,035 0,012 0,550 S275 J0 0,180 0,180 0,180 0,000 1,500 0,030 0,030 0,012 0,550 S275 J2 0,180 0,180 0,180 0,000 1,500 0,025 0,025 0,000 0,550 S355 JR 0,240 0,240 0,240 0,550 1,600 0,035 0,035 0,012 0,550 S355 J0 0,200 0,200 0,220 0,550 1,600 0,035 0,035 0,012 0,550 S355 J2 0,200 0,200 0,220 0,550 1,600 0,030 0,030 0,000 0,550

42 #2 / 83 Spawalność Zdolność do bycia łączonym przez spawanie Równoważnik węglowy: C E = C + (Cr + V + Mo) / 5 + Mn / 6 + (Ni + Cu) / 15 C E < 0,42% dobra spawalność 0,42% < C E < 0,60% średnia spawalność C E > 0,60% zła spawalność Więcej informacji wykład #8

43 Podczas spawania często dochodzi do lokalnej przemiany w martenzyt, substancję twardą i kruchą. Jest to częsta przyczyna pękania. Podatność na przemianę martenzytową zależy od składu chemicznego stali. W literaturze znaleźć można wiele wzorów, służących oceny skłonności do tej przemiany (zła lub dobra spawalność). "Technologie materiałowe, spajanie materiałów", D. Frydrych, Politechnika Gdańska

44 Spawalność obliczenia Najczęściej spotykany wzór (przedstawiona w EN ): C E = C + (Cr + V + Mo) / 5 + Mn / 6 + (Ni + Cu) / 15 C E < 0,42% dobra spawalność 0,42% < C E < 0,60% średnia spawalność C E > 0,60% zła spawalność

45 Stal t 16 mm 16 < t 40 mm t > 40 mm S235 JR 0, ,400 / 6 + 0,550 / 15 = 0,440 0, ,400 / 6 + 0,550 / 15 = 0,490 S235 J0 0, ,400 / 6 + 0,550 / 15 = 0,440 S235 J2 0, ,400 / 6 + 0,550 / 15 = 0,440 S275 JR 0, ,500 / 6 + 0,550 / 15 = 0,497 0, ,500 / 6 + 0,550 / 15 = 0,507 S275 J0 0, ,500 / 6 + 0,550 / 15 = 0,467 S275 J2 0, ,500 / 6 + 0,550 / 15 = 0,467 S355 JR 0, ,600 / 6 + 0,550 / 15 = 0,543 S355 J0 0, ,600 / 6 + 0,550 / 15 = 0,503 S355 J2 0, ,600 / 6 + 0,550 / 15 = 0,503

46 Zapobieganie: wstępne nagrzanie (T W ) (nie zawsze możliwe); obróbka cieplna po spawaniu (nie zawsze możliwa); T W = 350 {[1 + 0,005 t / (1mm)]C E 0,25} 0,5 [ o C] Pod uwagę wzięto trzy różne grubości blachy: t 1 = 10 mm t 2 = 30 mm t 3 = 45 mm

47 Stal t 16 mm 16 < t 40 mm t > 40 mm S235 JR 350 {[1 + 0,005 10] 0,440 0,25} 0,5 = 161 [ o C] S235 J0 350 {[1 + 0,005 10] 0,440 0,25} 0,5 = 161 [ o C] S235 J2 350 {[1 + 0,005 10] 0,440 0,25} 0,5 = 161 [ o C] S275 JR 350 {[1 + 0,005 10] 0,497 0,25} 0,5 = 182 [ o C] S275 J0 350 {[1 + 0,005 10] 0,467 S275 J2 0,25} 0,5 = 172 [ o C] S355 JR 350 {[1 + 0,005 10] 0,543 0,25} 0,5 = 199 [ o C] S355 J0 350 {[1 + 0,005 10] 0,503 S355 J2 0,25} 0,5 = 185 [ o C] 350 {[1 + 0,005 30] 0,440 0,25} 0,5 = 177 [ o C] 350 {[1 + 0,005 30] 0,440 0,25} 0,5 = 177 [ o C] 350 {[1 + 0,005 30] 0,440 0,25} 0,5 = 177 [ o C] 350 {[1 + 0,005 30] 0,497 0,25} 0,5 = 198 [ o C] 350 {[1 + 0,005 30] 0,467 0,25} 0,5 = 188 [ o C] 350 {[1 + 0,005 30] 0,543 0,25} 0,5 = 214 [ o C] 350 {[1 + 0,005 30] 0,503 0,25} 0,5 = 201 [ o C] 350 {[1 + 0,005 45] 0,490 0,25} 0,5 = 207 [ o C] 350 {[1 + 0,005 45] 0,440 0,25} 0,5 = 188 [ o C] 350 {[1 + 0,005 45] 0,440 0,25} 0,5 = 188 [ o C] 350 {[1 + 0,005 45] 0,507 0,25} 0,5 = 213 [ o C] 350 {[1 + 0,005 45] 0,467 0,25} 0,5 = 199 [ o C] 350 {[1 + 0,005 45] 0,543 0,25} 0,5 = 226 [ o C] 350 {[1 + 0,005 45] 0,503 0,25} 0,5 = 212 [ o C]

48 Pękanie relaksacyjne Powód: naprężenia termiczne, związane ze wstępnym nagrzaniem przed lub obróbką cieplną po spawaniu "Technologie materiałowe, spajanie materiałów", D. Frydrych, Politechnika Gdańska

49 Pękanie relaksacyjne obliczenia P SR = Cr + Cu + 2 Mo + 10 V + 7 Nb + 5 Ti - 2 P SR < 0,0 sytuacja bezpieczna P SR 0,0 zagrożenie pękaniem relaksacyjnym

50 P SR, S235-JR = 0,55-2,00 = -1,45 < 0,0 OK P SR, S235-J0 = 0,55-2,00 = -1,45 < 0,0 OK P SR, S235-J2 = 0,55-2,00 = -1,45 < 0,0 OK P SR, S275-JR = 0,55-2,00 = -1,45 < 0,0 OK P SR, S275-J0 = 0,55-2,00 = -1,45 < 0,0 OK P SR, S275-J2 = 0,55-2,00 = -1,45 < 0,0 OK P SR, S355-JR = 0,55-2,00 = -1,45 < 0,0 OK P SR, S355-J0 = 0,55-2,00 = -1,45 < 0,0 OK P SR, S355-J2 = 0,55-2,00 = -1,45 < 0,0 OK

51 Zabezpieczenie przed pękaniem relaksacyjnym: P SR = Cr + Cu + 2 Mo + 10 V + 7 Nb + 5 Ti - 2 używanie stali z małą ilością domieszek stopowych (nie zawsze możliwe); unikanie ogrzewania wstępnego i obróbki cieplnej po spawaniu (nie zawsze możliwe);

52 Pękanie na gorąco Naprężenia termiczne podczas spawania Rys: K. Ferenc, J. Ferenc, Konstrukcje spawane, połączenia, WNT 2003 "Technologie materiałowe, spajanie materiałów", D. Frydrych, Politechnika Gdańska

53 Pękanie na gorąco obliczenia H CS = [1 000 C (S + P + Si / 25 + Ni / 100)] / (3 Mn + Cr + Mo + V) H CS 4 stal niewrażliwa na pękanie na gorąco H CS > 4 stal wrażliwa

54 Stal t 16 mm 16 < t 40 mm t > 40 mm S235 JR [1000 0,170 (0, , ,000 / 25)] / (3 1,400) = 2,833 S235 J0 [1000 0,170 (0, , ,000 / 25)] / (3 1,400) = 2,429 S235 J2 [1000 0,170 (0, , ,000 / 25)] / (3 1,400) = 2,024 S275 JR [1000 0,210 (0, , ,000 / 25)] / (3 1,500) = 3,267 S275 J0 [1000 0,180 (0, , ,000 / 25)] / (3 1,500) = 2,400 S275 J2 [1000 0,180 (0, , ,000 / 25)] / (3 1,500) = 2,000 S355 JR [1000 0,240 (0, , ,550 / 25)] / (3 1,600) = 4,600 S355 J0 [1000 0,200 (0, , ,550 / 25)] / (3 1,600) = 3,417 [1000 0,200 (0, , ,000 / 25)] / (3 1,400) = 3,333 [1000 0,220 (0, , ,000 / 25)] / (3 1,500) = 3,422 S355 J2 [1000 0,200 (0, , ,550 / 25)] / (3 1,600) = 3,000

55 Zapobieganie: HCS = [1 000 C (S + P + Si / 25 + Ni / 100)] / (3 Mn + Cr + Mo + V) dodanie manganu podczas spawania (skład chemiczny elektrody); użycie stali o niskiej zawartości siarki i fosforu (nie zawsze możliwe); wstępne nagrzanie (nie zawsze możliwe);

56 Pękanie lamelarne Obecność zanieczyszczeń; przede wszystkim siarki i wodoru + odkształcenia termiczne "Technologie materiałowe, spajanie materiałów", D. Frydrych, Politechnika Gdańska Rys: EN rys. 3.1

57 Pękanie lamelarne obliczenia według literatury P L = 5 B + C + V / 10 + Mo / 15 + (Mn + Cr + Cu) / 20 + Si / 30 + Ni / S + H D / 600 P L < 0,4 stal niewrażliwa na pękanie lamelarne P L > 0,4 stal wrażliwa Obecność wodoru w spoinie: H D = H [ml / 100 g] (zwykle: 1-5) Dla obliczeń przyjęto H D = 3

58 Stal t 16 mm 16 < t 40 mm t > 40 mm S235 JR 0,170 + (1, ,550) / ,000 / , / 600 = 0,483 0,200 + (1, ,550) / ,000 / , / 600 = 0,513 S235 J0 0,170 + (1, ,550) / ,000 / , / 600 = 0,453 S235 J2 0,170 + (1, ,550) / ,000 / , / 600 = 0,423 S275 JR 0,210 + (1, ,550) / ,000 / , / 600 = 0,528 0,220 + (1, ,550) / ,000 / , / 600 = 0,538 S275 J0 0,180 + (1, ,550) / ,000 / , / 600 = 0,468 S275 J2 0,180 + (1, ,550) / ,000 / , / 600 = 0,438 S355 JR 0,200 + (1, ,550) / ,550 / , / 600 = 0,541 S355 J0 0,200 + (1, ,550) / ,550 / , / 600 = 0,518 S355 J2 0,200 + (1, ,550) / ,550 / , / 600 = 0,481

59 Zapobieganie: P L = 5 B + C + V / 10 + Mo / 15 + (Mn + Cr + Cu) / 20 + Si / 30 + Ni / S + H D / 600 użycie stali o niskiej zawartości siarki (nie zawsze możliwe); użycie stali o niskiej zawartości węgla i boru (nie zawsze możliwe); użycie technologii spawania nie powodującej wydzielania gazowego wodoru wodoru;

60 Pękanie lamelarne obliczenia według norm EN oraz EN Wzór ogólny (EN (3.1): Z Ed = Z a + Z b + Z c + Z d + Z e Z Rd Z a wpływ głębokości spoiny (EN tab 3.2); Z b kształt i usytuowanie spoiny (EN tab 3.2); Z c grubość materiału (EN tab 3.2); Z d ograniczenie skurczu (EN tab 3.2); Z e wpływ podgrzewania (EN tab 3.2); Z Rd klasa jakości (EN tab 1); wartości: 15 lub 25 lub 35 Informacja o klasie jakości podawana jest w czwartym bloku symboli stali

61 Oznaczenia stali #2 / 88 A B C D A: S stal konstrukcyjna L rury dla rurociągów B stal zbrojeniowa G - żeliwo C: Podgatunek; dla stali konstrukcyjnej wynik testu Charpy ego B: Gatunek stali = f y [MPa] Na przykład 235 f y = 235 [MPa] D: Dodatkowe informacje; dla stali konstrukcyjnej parametry obróbki w procesie stalowniczym Przykład: S 235 JR G2

62 Rys: EN tab 3.2

63 Pękanie na zimno obecność martenzytu i wodoru w spoinie; pojawiają się około 48 godzin po spawaniu Rys: K. Ferenc, J. Ferenc, Konstrukcje spawane, połączenia, WNT 2003 "Technologie materiałowe, spajanie materiałów", D. Frydrych, Politechnika Gdańska

64 Pękanie na zimno Obliczenia P cm = 5 B + C + V / 10 + Mo / 15 + (Mn + Cr + Cu) / 20 + Si / 30 + Ni / 60 P W = P cm + H D / 60 + R Fy / T = P W H D = H [ml / 100 g] (dla obliczeń przyjęto H D = 3) R Fy = 70 t (40 mm t) ; (t 40 mm) T < 20 stal niewrażliwa na pękanie na zimno 20 < T < 100 może być wrażliwa T > 100 wrażliwa Do analizy przyjęto trzy grubości: t 1 = 10 mm t 2 = 30 mm t 3 = 45 mm

65 Stal t 16 mm 16 < t 40 mm t > 40 mm S235 JR [0,170 + (1, ,550) / ,000 / / / 40000] = 90,4 S235 J [0,170 + (1, ,550) / ,000 / S235 J / / 40000] = 90,4 S275 JR [0,210 + (1, ,550) / ,000 / / / 40000] = 155,2 S275 J [0,180 + (1, ,550) / ,000 / S275 J / / 40000] = 112,0 S355 JR [0,240 + (1, ,550) / ,550 / / / 40000] = 232,0 S355 J [0,200 + (1, ,550) / ,550 / S355 J / / 40000] = 174, [0,170 + (1, ,550) / ,000 / / / 40000] = 100, [0,170 + (1, ,550) / ,000 / / / 40000] = 140, [0,210 + (1, ,550) / ,000 / / / 40000] = 205, [0,180 + (1, ,550) / ,000 / / / 40000] = 162, [0,240 + (1, ,550) / ,550 / / / 40000] = 282, [0,200 + (1, ,550) / ,550 / / / 40000] = 224, [0,200 + (1, ,550) / ,000 / / / 40000] = 209, [0,170 + (1, ,550) / ,000 / / / 40000] = 166, [0,220 + (1, ,550) / ,000 / / / 40000] = 245, [0,180 + (1, ,550) / ,000 / / / 40000] = 187, [0,240 + (1, ,550) / ,550 / / / 40000] = 307, [0,200 + (1, ,550) / ,550 / / / 40000] = 250,8

66 Zapobieganie P cm = 5 B + C + V / 10 + Mo / 15 + (Mn + Cr + Cu) / 20 + Si / 30 + Ni / 60 T = P W P W = P cm + H D / 60 + R Fy / Odpowiednia technologia spawalnicza (małe ilości gazowego wodoru w spoinie); Mała sztywność łączonych elementów (nie zawsze mozliwa);

67 Pękanie zmęczeniowe obciążenia dynamiczne Efektem spawania jest spora ilość mikroimperfekcji (pęcherzyki gazu, wtrącenia, mikropęknięcia itp), które nie występują w materiale rodzimym. Każda taka imperfekcja jest karbem, wokół którego dochodzi do koncentracji m s Ed m współczynnik koncentracji naprężeń s Ed naprężenie dla przekroju bez imperfekcji Rys: Autor Wartość m s Ed może okazać się większa od wytrzymałości stali. Dochodzi do sukcesywnego rozrywania materiału i powiększania się imperfekcji. Przy dużej ilości cykli obciążeń, imperfekcja powiększa się i dochodzi do zniszczenia elementu.

68 Rys: scottmetals.com.au Pręt stężenia z blachą węzłową Rys: Author #6 / 55 Rys: Author Oszacowanie średniej ilości imperfekcji w przekroju blachy: zwykłe imperfekcje wewnętrzne w blasze efekt obróbki (cięcie blachy, wykonanie otworów ) efekt spawania

69 Imperfekcje wewnętrzne w blasze (#t / 18 23) Rys: wikipedia Rys: zasoby.open.agh.edu.pl Dodatkowe imperfekcje związane z obróbką mechaniczną (#t / 24 29): odkształcenia plastyczne, lokalne utwardzenie (deformacja kryształów), lokalne pękanie (twardość kruchość udarność ) zjawiska brane pod uwagę przy analizie zmęczeniowej (więcej informacji Wyk #8). #6 / 56 Rys: omicsonline.org Rys: twi-global.com

70 Imperfekcje spawalnicze: wtórne zanieczyszczenia (pęcherzyki gazu, wtrącenia żużlu) wprowadzone do spoiny, lokalne odkształcenia, pękanie na skutek naprężeń termicznych... Rys: figel.pl Doświadczenie i samopoczucie spawacza ilość imperfekcji spawalniczych jakość spoiny #6 / 57 Imperfekcje spawalnicze także bierze się pod uwagę przy obliczeniach zmęczeniowych (więcej informacji Wyk #8). Dodatkowo, akceptowalny poziom imperfekcji jest ustalany przez klasy wykonania. Spoiny nie spełniające poziomu jakości muszą być usunięte i wykonane ponownie.

71 Pękanie zmęczeniowe Obliczenia W EN w tablicach przedstawione sa wszystkie rodzaje spoin. Pierwsza kolumna w tabeli to wytrzymałość zmęczeniowa w [MPa].

72 Nośność zmęczeniowa Ds Rd zależy od liczby cykli obciążenia. Maleje wraz ze wzrostem liczby cykli. W obliczeniach uwzględnia się całkowitą amplitudę naprężeń Ds Ed, wywołaną cyklem obciążenia. Ds Ed / Ds Rd 1,0 Nośność zmęczeniowa Ds Rd Rys: Autor Liczba cykli Więcej informacji będzie przedstawione na II stopniu studiów.

73 Pękanie wodorowe Ogólna nazwa pękań, będących efektem obecności wodoru w spoinie. Mechanizm rozrostu pęknięć w obecności wodoru nie jest całkiem jasny. Istnieje wiele różnych modeli, opisujących to zjawisko. Źródłem wodoru mogą być: zanieczyszczenia z procesu wielkopiecowego lub stalowniczego; zawilgocenie elektrod; niedokładne osuszenie spawanych powierzchni; wodór ze spawania gazowego; zanieczyszczenia chemiczne w okresie eksploatacji; Zabezpieczeniem jest przestrzeganie technologii spawalniczej (suche elementy i elektrody) i zabezpieczenie antykorozyjne w czasie eksploatacji.

74 Kruche pękanie Efekt obecności zanieczyszczeń (głównie P, N, S) w stali. Te pierwiastki chemiczne sprzyjają korozji i zwiększają kruchość. Kruche pekanie jest bardzo niebezpieczne w przeciwieństwie do zwykłego zniszczenia konstrukcji (poprzedzonego zauważalnymi deformacjami), następuje bez żadnych sygnałów ostrzegawczych. Podatność na kruche pękanie bada się młotem Charpy ego. Podatność na kruche pękanie rośnie wraz ze: spadkiem temperatury; wzrostem naprężeń; wzrostem grubości elementów;

75 Dlaczego udarność jest ważna? Rys: inspectioneering.com Rys: rebar.ecn.purdue.edu Wynik badania młotem Charpy ego pokazuje skłonność różnych gatunków stali do kruchego pękania w niskich temperaturach. Kruche pękanie następuje bez wcześniejszych oznak ostrzegawczych. Rys: civildigital.com #2 / 69

76 Niskie temperatury + duże wartości naprężeń ograniczenie maksymalnej grubości elementów EN tab. 2.1

77 Przełom plastyczny Ostatni ułamek sekundy przed "normalnym" zniszczeniem konstrukcji dochodzi do plastycznego rozerwania elementów. Rys: wikipedia Rys: Autor

78 Wnioski W wielu przypadkach nie jesteśmy w stanie uniknąć pękania przed / w czasie / po spawaniu. Z tego powodu bardzo ważna jest analiza imperfekcji spoin (wśród nich pęknięć). Służą temu testy nieniszczące (NDT = non-destructive test). Ich zakres jest określony przez klasę wykonania konstrukcji.

79 Imperfekcje Rys: weldreality.com Rys: weldingtipsandtricks.com Rys: weldreality.com Rys: bbs.homeshopmachinist.net Rys: Łubiński M, Filipowicz A, Żółtowski W, "Konstrukcje metalowe", Arkady 2000

80 #6 / 50 Od czego zależą klasy wykonania? Klasa konsekwencji CC1 CC2 CC3 Kategoria użytkowania SC1 SC2 SC1 SC2 SC1 SC2 Kategoria produkcji PC1 EXC1 EXC2 EXC2 EXC3 EXC3 EXC3 PC2 EXC2 EXC2 EXC2 EXC3 EXC3 EXC4 EN tab B.3 Jeśli nie mamy dokładnych danych, przyjmujemy EXC2.

81 #6 / 58 Klasy wykonania są ważne dla badania spoin (EN ) Klasa wykonania EXC1 EXC2 EXC3 Kryteria akceptacji (poziom jakości) D C (ogólnie) D (podtopienie, nawis, ślad zajarzenia, pęcherz kanalikowy w kraterze) EXC4 B+ B

82 EN ISO Spawanie i procesy pokrewne; klasyfikacja geometrycznych niezgodności spawalniczych w metalach Tablica 1 Pęknięcia Kratery Pory gazu Wtrącenia (okruchy ciał stałych) Przyklejenie Niepełny przetop

83 Najczęściej stosowane nieniszczące metody badań spoin (NDT) to: ogląd spoiny (VT); proszek magnetyczny (MT); badanie penetracyjne (PT); badania ultrasonograficzne (UT); prześwietlenie rentgenem (RT);

84 Rys: Autor Naprężenia i odkształcenia resztkowe Stal w stanie stałym Ciekła stal Bez zmiany wartości E, f y, f u Normalna zależność s - e Spadek wartości E, f y, f u Wartości E, f y, f u 0 Ciecz - brak E, f y, f u Zmiana zależności Brak zależności s - e s - e Różna temperatura, różna wielkość kryształów stali różne wartości naprężeń i odkształceń Pełna wartość naprężeń przy odkształceniach Zredukowana wartość naprężeń przy odkształceniach Brak naprężeń przy deformacjach

85 Normalna zalezność s - e Rys: EN rys. 5.8

86 Zmiana zależności s - e przy wzroście temperatury: spadek wartości R e (półka plastyczna coraz niżej) spadek wartości E (spadek nachylenia prostej w części sprężystej) s zmniejszenie zakresu strefy sprężystej R e Rys: Autor e el e pl e = e el + e pl

87 Model do analizy naprężeń i odkształceń resztkowych pręt okrągły z dwiema tarczami na końcach. Rys: Autor

88 Parametry zalezą od temperatury: e = a T DT s = e E a T a T (DT) E = E (DT) s = s (DT) R e = R e (DT) Rys: Autor

89 Temperatura wzrasta: For D d 2 odkształcenia swobodne, brak naprężeń Rys: Autor

90 Temperatura wzrasta: Zakres sprężysty s e; Wzrasta reakcja na prawej podporze; Brak możliwości deformacji; Wzrost naprężeń; Nieliniowa zależność naprężenietemperatura (z powodu zmiany charakterystyk mechanicznych ze wzrostem temperatury); Rys: Autor

91 Temperatura wzrasta: Zakres plastyczny s e: półka plastyczna, s = f y ; Wzrasta reakcja na prawej podporze; Brak możliwości deformacji; Dla normalnej zależności s e, bez prawej podpory pozioma linia przerywana; Dla przypadku wpływu temperatury na parametry mechaniczne bez prawej podpory linia ukośna przerywana; Rys: Autor

92 Rys: Autor Temperatura spada: Zakres sprężysty s e; Spada reakcja na prawej podporze; Brak możliwości deformacji: dla normalnej zależności s e, bez prawej podpory i bez wpływu temperatury ukośna linia przerywana; Spadają naprężenia; Nieliniowa zależność naprężenietemperatura (z powodu zmiany charakterystyk mechanicznych ze wzrostem temperatury);

93 Temperatura spada: Odkształcenia swobodne, brak naprężeń Rys: Autor

94 Temperatura spada: Rys: Autor Zakres sprężysty s e; Reakcja na lewej podporze rośnie; Brak możliwości deformacji; Naprężenia rosną; Nieliniowa zależność naprężenietemperatura (z powodu zmiany charakterystyk mechanicznych ze wzrostem temperatury); Temperatura taka sama jak na początku; Niezerowe odkształcenia; Niezerowe naprężenia.

95 Obliczanie naprężeń i odkształceń resztkowych jest skomplikowane. Ich wartości zależą od geometrii spoin i łączonych elementów, rodzaju procesu spawalniczego i jego parametrów (napięcia i natężenia prądu, szybkości kładzenia spoiny), prędkosci zmian temperatury, rozmiarów strefy oddziaływania ciepła, gatunku i podgatunku stali. Rys: intechopen.com

96 Staramy się zmniejszać wartość naprężeń resztkowych przez wygrzewanie relaksacyjne; oraz wartości odkształceń przez zastosowanie przeciwodkształceń w elementach spawanych. Rys: M. Łubiński, W. Żółtowski, Konstrukcje Metalowe t. II, Arkady, Warszawa 2004

97 Rodzaje spoin Rodzaje pęknięć Zagadnienia egzaminacyjne

98 Dziękuję za uwagę 2017 dr inż. Tomasz Michałowski