Zaostali naponi u zavarivanju

Residual stresses are a problem that must be taken into account when welding. These stresses can affect the strength and integrity of welded structures and must therefore be properly managed.

Zaostala naprezanja mogu dovesti do izobličenja zavarivanjem, pucanja, pa čak i potpunog kvara zavarenog spoja.

Ovaj članak govori o tome što su zaostala naprezanja, uzroke zaostalog naprezanja u zavarivanju, njegove učinke na zavarene konstrukcije i načine za njegovo smanjenje.

What are residual stresses in welding?

Zaostala naprezanja u zavarivanju odnose se na unutarnja naprezanja koja ostaju unutar zavarene konstrukcije ili komponente čak i nakon završetka procesa zavarivanja.

Ova naprezanja mogu nastati zbog nejednolikog zagrijavanja i hlađenja materijala tijekom zavarivanja, što može uzrokovati lokalno širenje i skupljanje metala.

Koncept zaostalog naprezanja odnosi se na razvoj unutarnjeg naprezanja unutar metala koji traje čak i nakon završetka proizvodnih postupaka.

Ovi postupci mogu uključivati ​​radnje kao što je toplinsko rezanje ili zagrijavanje, zavarivanje, mehaničko oblikovanje ili metalurške varijacije poput toplinske obrade.

Zaostala naprezanja mogu dovesti do iskrivljenja ili savijanja zavarene komponente, smanjiti njen vijek trajanja od zamora, pa čak i uzrokovati pucanje ili kvar pod određenim uvjetima.

Koji su uzroci zaostalog naprezanja u Weldu?

Zaostala naprezanja mogu nastati u zavarenoj komponenti zbog nekoliko čimbenika, uključujući:

Neravnomjerno zagrijavanje i hlađenje tijekom zavarivanja

Zavarivanje uključuje lokalno zagrijavanje i hlađenje materijala, što može uzrokovati toplinsko širenje i skupljanje metala, što dovodi do razvoja zaostalih naprezanja.

Razlike u svojstvima materijala

Zavarivanje često uključuje spajanje dvaju različitih materijala koji imaju različite koeficijente toplinskog širenja i mehanička svojstva. To može stvoriti zaostala naprezanja na granici između dva materijala.

Suzdržana deformacija

Proces zavarivanja može dovesti do ograničene deformacije, gdje je materijalu onemogućeno slobodno skupljanje ili širenje zbog prisutnosti učvršćenja ili stezaljki. To može uzrokovati razvoj zaostalih naprezanja u zavarenoj konstrukciji.

Redoslijed i uzorak zavarivanja

Redoslijed izvođenja zavara i uzorak zavarivanja također mogu utjecati na veličinu i raspodjelu zaostalih naprezanja u zavarenoj komponenti.

Metalurške promjene

Zavarivanje također može uzrokovati promjene u mikrostrukturi i svojstvima materijala metala, kao što su rast zrna ili fazne transformacije, što može dovesti do razvoja zaostalih naprezanja.

How does tensile residual stress affect the fatigue life of welded joints?

Zaostali vlačni naponi u zavarenim spojevima mogu značajno smanjiti vijek trajanja komponente.

To je zato što vlačna naprezanja djeluju tako da otvaraju postojeće pukotine i iniciraju nove, čineći materijal osjetljivijim na lom uslijed zamora.

U zavarenom spoju, rub zavara je često područje koje je najviše opterećeno, a zona pod utjecajem topline (HAZ) u blizini zavara također može doživjeti značajna zaostala naprezanja.

Zaostala vlačna naprezanja u tim područjima mogu uzrokovati nastanak i širenje mikropukotina, što dovodi do rasta pukotine i konačno do kvara.

Nadalje, cikličko opterećenje komponente s vlačnim zaostalim naprezanjima može dovesti do koncentracije naprezanja u područjima najvećeg zaostalog naprezanja, što može ubrzati rast pukotine i smanjiti vijek trajanja zavarenog spoja od zamora.

Nasuprot tome, zaostala tlačna naprezanja mogu poboljšati vijek trajanja zavarenih spojeva smanjenjem efektivnog raspona naprezanja i usporavanjem širenja pukotine.

Kako se zavarivanjem induciraju zaostala naprezanja?

Zamislite dvije velike, debele, pravokutne ploče koje su iste veličine i zavarene zajedno duž svojih dugih stranica.

Dok se odvija proces zavarivanja, dugi rubovi su izloženi intenzivnoj toplini, uzrokujući topljenje i toplinsko širenje.

Međutim, područja na maloj udaljenosti od rubova ostaju relativno hladna i ne šire se istom brzinom, ili se u nekim slučajevima gotovo uopće ne šire zbog strmog toplinskog gradijenta.

To znači da je širenje ploča ograničeno samim pločama.

Slično, kako se zavareni spoj hladi, prolazi kroz ograničenu kontrakciju, što dovodi do stvaranja velikih vlačnih naprezanja duž linije zavara.

Ta visoka vlačna naprezanja ostaju u pločama osim ako se ne poduzmu neke radnje za njihovo uklanjanje.

Ovo je temeljni mehanizam putem kojeg zavarivanje izaziva zaostalo naprezanje u pločama.

Zapravo, zaostalo naprezanje u uzdužnom smjeru može biti toliko visoko da se približi naponu tečenja ploče, kao što je prikazano na slici ispod.

U zavarenoj ploči s ravnim položajem uzorak zaostalog naprezanja obično je takav da poprečna naprezanja nisu osobito visoka, osim na krajevima gdje teže biti tlačna.

Najkritičnija zaostala naprezanja su visoka uzdužna naprezanja koja idu paralelno s duljinom zavara i protežu se u zonu utjecaja topline.

Methods of measuring residual stress

Metode mjerenja zaostalog naprezanja mogu se općenito klasificirati u destruktivne i nedestruktivne tehnike.

Destruktivne tehnike uključuju rezanje i rezanje materijala za mjerenje zaostalih naprezanja u poprečnom presjeku.

Najčešća destruktivna metoda je tehnika inkrementalnog bušenja rupa, gdje se male rupe izbuše u materijalu na preciznim mjestima, a promjena deformacije se mjeri pomoću mjerača deformacije ili drugih instrumenata.

Ostale destruktivne metode uključuju tehnike uklanjanja slojeva, rezanja i bušenja dubokih rupa.

S druge strane, nedestruktivne tehnike omogućuju mjerenje zaostalih naprezanja bez oštećenja materijala.

Najčešće korištene nedestruktivne metode su:

1. Difrakcija X-zraka: Ova metoda mjeri promjene u razmaku rešetke kristalne strukture uzrokovane prisutnošću zaostalih naprezanja u materijalu. Difrakcijski uzorak se analizira kako bi se odredila distribucija zaostalog naprezanja.
2. Difrakcija neutrona: Ova je tehnika slična difrakciji X-zraka, ali koristi neutrone umjesto X-zraka za ispitivanje materijala.
3. Ultrazvučni: Ultrazvučne metode uključuju mjerenje brzine zvučnih valova kroz materijal, na koje utječe prisutnost zaostalih naprezanja.
4. Barkhausenova analiza šuma: Ova metoda mjeri magnetsko polje generirano kretanjem magnetskih domena u materijalu zbog zaostalih naprezanja.
5. Bušenje rupa s elektroničkom interferometrijom šarastih uzoraka (ESPI): Ova tehnika uključuje bušenje malih rupa u materijalu i analizu deformacije oko rupe pomoću ESPI-ja za određivanje distribucije zaostalog naprezanja.

Povezana čitanja:

Open this in UX Builder to add and edit content