Deformace svařování
K deformacím konstrukčních částí při svařování dochází v důsledku vzniku vnitřních pnutí, jejichž příčiny jsou (obr. 2.7.):
1. teplotní deformace v důsledku místního zahřátí produktu;
2. Smrštění uloženého kovu;
3. Fázové přeměny, ke kterým dochází v kovu během ochlazování.
V důsledku lokálního ohřevu při svařování dochází k výrazné lokální expanzi kovu, zatímco zbytek výrobku zůstává ve studeném stavu. To vede ke vzniku vnitřních pnutí a ohýbání konstrukčních prvků.
Smršťování kovu, ke kterému dochází v důsledku zmenšování objemu tekutého kovu při tuhnutí, je druhou nejvýznamnější příčinou vnitřních pnutí.
Fázové přeměny při ochlazování kovu ohřátého při svařování jsou také doprovázeny relativně malou změnou objemu kovu. U ocelí tedy přechod a-železa na g-železo způsobuje změnu objemu přibližně o 1 %. To (třetí důvod) také vede ke vzniku vnitřních pnutí.
Deformace výrobku při svařování (obr. 2.8) lze omezit správnou volbou druhu svařování a technologie jeho provedení. Svařování, při kterém obrobek přijímá koncentrované teplo, jako je svařování elektrickým obloukem, způsobuje menší deformace než svařování, při kterém se zahřívá velká plocha obrobku, jako je svařování plynovým plamenem. Deformace při tavném svařování jsou větší než při tlakovém svařování.
Určitého snížení deformace produktu je dosaženo odstraněním tepla ze svařované oblasti umístěním měděné desky na zadní stranu švu, nanesením azbestu navlhčeného vodou v blízkosti švu atd.
Deformaci lze také omezit vyrovnáním vzniklých deformací. Při této metodě se spoje dílů rozdělí na úseky, jejichž svařování se provádí v takovém pořadí, aby deformace získané při svařování v jednotlivých úsecích byly stejné velikosti a opačného směru. Například při svařování třídílného I nosníku můžete použít sekvenci svařování jednotlivých sekcí znázorněnou na obrázku 2.9.
Výrazného snížení deformace je dosaženo metodou „obráceného“ svařování. Touto metodou se okraje svařovaných dílů rozdělí na díly, které se svařují v pořadí znázorněném na obrázku 2.10. Deformace produktu je v tomto případě výrazně menší, protože deformace krátkých švů nejsou schopny způsobit výraznou deformaci celého výrobku.
Deformaci svařovaných výrobků můžete také omezit pomocí metody „reverzní deformace“. Spočívá v tom, že spojované díly se nejprve ohýbají ve směru opačném k deformacím při svařování (obr. 2.11). Během procesu svařování získávají požadovaný tvar, nebo se mu velmi blíží.
Široce se používá také způsob pevného zajištění svařovaných dílů pomocí speciálního zařízení nebo bodovým svařováním, tzn. předběžné svaření hran v několika bodech po délce svaru.
Deformacím při svařování nelze zcela zabránit, lze je však pomocí následujících konstrukčních a technologických opatření snížit na přijatelné hodnoty:
— racionální návrh svařované jednotky;
— přídavek na smrštění švu podle velikosti a tvaru výrobku;
— racionální montáž a příprava pro svařování;
— výběr nejracionálnější metody svařování;
— předběžné, doprovodné a následné zahřátí produktu;
— kování oblasti svaru (v horkém stavu nebo po ochlazení);
— obecné tepelné zpracování svařovaného výrobku.
Zbytková napětí při svařování jsou snížena o 85. 90% při vysokém popouštění svařovaných konstrukcí (ohřev na 550. 680 °C a chlazení na vzduchu). Při lokálním temperování se ohřívá část konstrukce v blízkosti svarového spoje; po ochlazení zůstanou jeho zbytková napětí, ale budou menší velikosti. Někdy se provádí temperování jednotlivých prvků konstrukce po prvku a poté se provádí konečná montáž konstrukce.
Ke snížení deformace dochází, když je kov kován po svařování kovu za tepla nebo po úplném ochlazení součásti.
Nejúčinnější jsou konstrukční a technologická opatření před svařováním: racionální návrh výrobku, zdůvodnění minimálních přípustných rozměrů švů, volba metod svařování s nejnižším tepelným příkonem, zamezení jednostranného uspořádání svarů, použití spojů s přírubou hrany místo přeplátovaných nebo tupých spojů, výběr racionálního svařovacího postupu.
Pomocí plynového plamene nebo jiných metod po svařování se někdy v těchto zónách provádí lokální ohřev, jehož následné smrštění také snižuje deformaci výrobku.
Tato příručka představuje základy teorie svařovacích deformací a napětí. Příručka se skládá ze tří částí: „Termomechanické procesy při svařování“, „Svařovací deformace konstrukčních prvků“ a „Pevnost svarových spojů trupových konstrukcí“. Příručka je určena studentům specializací 0411 (metalurgie a technologie svařovací výroby) a 0504 (technologie a zařízení svařovací výroby) Leningradského lodního institutu, jakož i dalších univerzit zaměřených na stavbu lodí a strojírenství. Může být užitečná pro postgraduální studenty, vědecké a technické pracovníky.
Kapitola 1. Obecné informace o deformacích a napětích při svařování
§ 1.1 Teorie svařovacích deformací a napětí a jejich význam
§ 1.2 Klasifikace deformací a napětí při svařování
§ 1.3 Příčiny deformace a napětí během svařování
Oči 2. Vzory deformace kovu při ohřevu a zatížení
§ 2.1 Změny vlastností kovů při zahřívání
§ 2.2 Vztah mezi deformacemi a napětími v lineárním napjatém stavu
§ 2.3 Objemy prodloužení a zkrácení
§ 2.4 Napětí, deformace a posuny v nosnících způsobené objemovými změnami kovu
Kapitola 3. Tepelné procesy během svařování
§ 3.1 Zásady výpočtu tepelných procesů během svařování
§ 3.2 Teplotní pole z okamžitých tepelných zdrojů
§ 3.3 Teplotní pole z pohybujících se zdrojů tepla
§ 3.4 Teplotní pole z výkonných rychle se pohybujících zdrojů tepla
§ 3.5 Maximální teplota během šíření tepla z rychle se pohybujících zdrojů
3.6 $ Vliv omezených rozměrů svařovaného výrobku na procesy šíření tepla
3.6.1 Stanovení teplotního pole s ohledem na omezené rozměry svařovaného výrobku
3.6.2 Stanovení maximální teploty s ohledem na omezené rozměry svařovaného výrobku
§ 3.7 Numerické metody pro výpočet tepelných procesů
3.7.1 Metody konečných diferencí
3.7.2 Metoda konečných prvků
Kapitola 4. Termomechanické procesy při svařování
§ 4.1. Základní předpoklady používané v inženýrských metodách pro stanovení deformací a napětí při svařování
§ 4,2. Kinetika deformací a napětí elementárních hranolů během ohřevu podle tepelných cyklů svařování
§ 4.3. Kinetika vzniku podélných svařovacích deformací a napětí
§ 4.4. Stanovení objemu podélného zkrácení svařovaného spoje
4.4.1. Vliv přenosu tepla na objem podélného zkrácení svarového spoje
4.4.2. Vliv počátečního napjatého stavu na objem podélného zkrácení svarového spoje
4.4.3. Vliv tloušťky svarového spoje na jeho podélný objem zkrácení
4.4.4. Vliv změny mechanických vlastností během ohřevu na objem podélného zkrácení svarového spoje
§ 4.5. Kinetika vzniku příčných svařovacích deformací
§ 4.6. Stanovení objemů zkrácení pro některé speciální metody a podmínky svařování
4.6.1. Ohřev plechu pevným zdrojem tepla nebo krátkými švy
§ 4.7. Zohlednění fázových transformací kovu při posuzování deformací a napětí při svařování
4.7.1. Vliv fázových transformací na kinetiku napětí
4.7.2 Zbytková napětí při zohlednění transformací odpadů
4.7.3. Stanovení objemu podélného zkrácení svarového spoje s ohledem na fázové transformace
4.7.4. Zohlednění fázových transformací kovu během bodového ohřevu a provádění krátkých svarů
4.7.5. Vyhodnocení biaxiálního napjatého stavu během fázových přeměn kovu
Kapitola 5. Výpočet svařovacích deformací a napětí v nosníkových konstrukcích
§ 5.1. Napětí, deformace a posuny v nosnících z podélných spojů
5.1.1. Zbytkové deformace a posuny z podélných švů
5.1.2. Přibližná konstrukce diagramů zbytkových deformací a napětí z podélného švu
5.1.3. Deformace a posuny z řady podélných švů
5.1.4. Dočasné deformace a napětí z podélného švu
§ 5.2. Deformace a napětí v nosnících z příčných spojů
§ 5.3. Metodika pro stanovení deformací a posunů v nosnících z podélných a příčných švů
§ 5.4. Příklady výpočtu obecných svařovacích deformací nosníkových konstrukcí
§ 5.5. Deformace během svařování profilů a trupu lodi
§ 5.6. Příklad výpočtu obecných svařovacích deformací typického průřezu
Kapitola 6. Lokální deformace svařováním
§ 6.1. Typy lokálních deformací
§ 6.2. Kinetika vzniku a velikost úhlových svařovacích deformací
§ 6.3. Deformace prvků z roviny způsobené úhlovými deformacemi svarových spojů
§ 6.4. Deformace prvků z roviny v důsledku ztráty stability
Kapitola 7. Numerické metody pro stanovení deformací a napětí při svařování
§ 7.1. Matematický model pro posouzení kinetiky svařovacích deformací a napětí
7.1.1. Vztah mezi napětími a elastickými deformacemi
7.1.2. Podmínky pro vznik a rozvoj plastických deformací
7.1.3. Vztah mezi plastickými deformacemi a napětími
7.1.4 Popis okrajových podmínek a rušivých faktorů
§ 7.2. Metody implementace matematického modelu
7.2.1. Zohlednění historie nakládání
7.2.2. Realizace fyzikální a geometrické nelinearity
§ 7.3. Algoritmus pro řešení problému jednorozměrného napjatého stavu
§ 7.4. Algoritmus pro řešení problému komplexního napjatého stavu
7.4.1. Rovinný napjatý stav
7.4.2. Rovinné napětí
7.4.3. Osově symetrický stav napjatosti
7.4.4 Řešení linearizovaného problému metodou konečných prvků
Kapitola 8. Metody pro snížení deformací a napětí při svařování
§ 8.1. Konstrukční metody pro snížení deformací při svařování
§ 8.2. Technologické metody pro prevenci deformací při svařování
§ 8.3. Technologické metody pro eliminaci deformací a napětí při svařování
8.3.1. Prázdniny
8.3.2 Tepelné rovnání
8.3.3. Mechanické rovnání
Kapitola 9. Stručné informace o pevnosti svarových spojů
§ 9.1. Úvodní poznámky
§ 9.2. Pevnost svarových spojů při statickém zatížení
§ 9.3. Křehká pevnost svarových spojů
§ 9.4. Pevnost svarových spojů při proměnném zatížení
Kapitola 10. Vliv deformací a napětí při svařování na vlastnosti svarových spojů a konstrukcí
§ 10.1. Vliv svařovacích napětí na pevnost při statickém zatížení
§ 10.2. Vliv svařovacích napětí na pevnost při proměnném zatížení
§ 10.3. Vliv deformací a napětí při svařování na tuhost a rozměrovou přesnost konstrukce