generarea tensiunilor remanente in timpul sudarii

13
Tensiuni Remanente Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” Iaşi Facultatea de Mecanică Master Diagnoza si Expertiza Tehnica Generarea tensiunilor remanente in timpul sudarii. 1

Upload: radu-baciu-lupascu

Post on 30-Jul-2015

376 views

Category:

Documents


24 download

TRANSCRIPT

Page 1: Generarea Tensiunilor Remanente in Timpul Sudarii

Tensiuni Remanente

Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” Iaşi

Facultatea de Mecanică

Master Diagnoza si Expertiza Tehnica

Generarea tensiunilor remanente in timpul sudarii.

Iaşi, 2012

1

Page 2: Generarea Tensiunilor Remanente in Timpul Sudarii

Tensiuni Remanente

1.Introducere

In cursul procesului de sudare, sursa de caldura incalzeste succesiv si rapid marginile pieselor de sudat pe masura inaintarii pe linia de sudura iar in urma sursei metalului topit se raceste cu viteza mai redusa.

In timpul incalzirii se produce dilatarea materialului ia la racire, contractia. Topirea si incalzirea fiind o suprafata foarte ingusta si numai locala (pe cordon), dilatarea este impiedicata de regiunile reci di care cauza dilatarea este mai mica decat contractia, deci linia de sudare va fi mai scurta decat ceea initiala. Acest fapt produce dupa racire in regiunea sudată si in zona influientata termic (Z.I.T.) tensiunile interne ca urmare a contractiei di toate directiile, zonele invecinate fiind supuse la eforturi de compresiune iar celelalte la tractiune.

Aceste tensiuni pot periclita, functie de grosimea materialului, calitatea lor, metoda de sudare, conditiile de racire, o serie de efecte care uneori pot periclita securitatea constructiei.

Tensiunile pot fi :

- temporare

- remanente

Cauzele aparitiei tensiunilor remanente sunt :

- incalzirea succesiva a liniei de sudare

- regim de sudare necorespunzator

- viteza de racire necorespunzatoare

- succesiune gresita a executiei sudurilor

- Temperaturi scazute

Intre domeniile de vârf ale industriei se situeaza si sudarea metalelor datorita avantajelor pe care le confera în realizarea unor produse de înalta complexitate. Pe lânga faptul ca tehnologiasudarii a cunoscut un avânt deosebit prin cunoasterea comportarii materialelor în timpul sudarii si dupa sudare, perfectionarea procedeelor de sudare si a tehnologiilor de tratament a pieselor sudate, se impune tot mai mult utilizarea unor surse de energie neconventionale (energiaultrasunetelor) pentru sporirea calitatii produselor si realizarea de avantaje economice.

Aplicarea ultrasunetelor în tehnica s-a datorat tocmai efectelor benefice induse deacestea în materialele metalice. Spre exemplu folosirea ultrasunetelor în procesele de deformarea metalelor a dus la obtinerea unor efecte utile cum ar fi: reducerea efectului de prelucrare si a numarului de faze tehnologice, îmbunatatirea calitatii, realizarea unor produse noi inclusiv din materiale greu deformabile imposibil de prelucrat prin metode clasice.

Se cunoaste faptul ca dupa efectuarea operatiilor de sudare în constructiile sudate ramân importante tensiuni interne a caror valori sunt dependente de forma si dimensiunile pieselor si a îmbinarilor, precum si de tehnologia de sudare aplicata.

2

Page 3: Generarea Tensiunilor Remanente in Timpul Sudarii

Tensiuni Remanente

2. Tensiuni în îmbinările sudate 

Procesul tehnologic de sudare se produce printr-o încălzire rapidă şi răcire cu circa300°C/minut, cu efect de fragilizare asupra metalului de bază şi în zona de influenţă termică. Ciclulde sudare produce deformaţii şi solicitări termice.

Structura ferito-perlitică într-un oţel carbonsudabil este transformată spre forme aciculare fragilizante, care intersectează lamele de cementită provenite din destrămarea sorbitei.Distribuţia neuniformă a temperaturii, figura 1,a conduce la deformaţii plastice „DP” şideformaţii elastice „DE”, la finalizarea încălzirii figura 1, b, care la răcire după solidificare potfi de întindere sau de compresiune, figura 1, c. 

Fig. 1. Influenţa temperaturii

Zona 1 este încălzită până la topire.Zonele 2-2 sunt încălzite peste pierderea elasticităţii, transformându-se ca structură cuînregistrarea unor deformaţii prin modificarea volumului. În zonele 3-3, elasticitatea este pierdutănumai parţial, deformaţia de volum fiind mai mică, iar în zonele 4-4 se înregistrează numaideformaţie elastică.

La răcire ansamblul se va comprima. În zonele 1 şi 2, comprimarea are loc la început îndomeniul plastic iar la temperaturi mai joase în domeniul elastic.

Ciclul termo-deformaţional examinat conduce la apariţia unor tensiuni remanente. Înzonele în care au loc deformări prin compresiune se formează tensiuni de întindere, iar tensiunilede compresiune care le echilibrează vor apare în zonele cu deformări prin întindere, figura 2. σσ

3

Page 4: Generarea Tensiunilor Remanente in Timpul Sudarii

Tensiuni Remanente

Fig. 2. Tensiuni remanente în sudură

 Nivelul acestor tensiuni depinde de compoziţia chimică a oţelului şi condiţiile tehnologicede sudare. O astfel de apreciere pentru două oţeluri sudabile este arătată în tabelul următor:

Tensiunile remanente în îmbinările sudate pot atinge limita elastică şi chiar limita decurgere a oţelului, ceea ce impune înlăturarea acestora prin recoaceri complete de echilibrare,realizate mai ales prin normalizare.În situaţia când tensiunile au valori sub limita de elasticitate, îmbinările sudate trebuie detensionate înainte punerii în operatie.

Prezenţa tensiunilor interne influenţează sensibil asupra caracteristicilor tehnologice şi de exploatare ale materialelor metalice, adică comportarea produselor metalice în timpul operaţiilor de prelucrare în servici sau chiar în timpul depozitării.

Dintre consecinţele dăunătoare ate prezenţei tensiunilor interne în produsele metalice, cele mai importante sunt următoarele: modificarea formei şi dimensiunilor, ca urmare a prelucrărilor ulterioare, a exploatării sau în timpul depozitării; în anumite părţi ale produselor apar modificări ale valorilor tensiunilor care conduc la modificarea echilibrului de forţe şi momente şi implicit la modificări ale formelor şi dimensiunilor; modificările se pot produce brusc prin lovire, strunjire sau lent, prin redistribuirea tensiunilor în timp; apariţia ruperilor la solicitări mult mai mici decât cele la care ar fi rezistat produsul în absenţa tensiunilor interne.

4

Page 5: Generarea Tensiunilor Remanente in Timpul Sudarii

Tensiuni Remanente

S-a constatat că dacă peste tensiunile remanente de întindere se suprapun tensiuni exterioare de întindere se poate produce fisurarea sau ruperea. De aceea trebuie studiat ca sudura să evite asemenea tensiuni alternante care solicită sudura la oboseală.

Mărimea şi distribuţia tensiunilor remanente în îmbinările sudate ale unor ţevi cu grosimea peretelui de 3 – 6 mm este dată în figura 1. Ţevile sunt executate dintr-un oţel slab aliat Cr-Mo, sudarea facându-se manual prin procedeul WIG cu metalul de adaos având compoziţie chimică apropiată de cea a materialului de bază.

Fig.3 Epura tensiunilor remanente în îmbinările sudate ale unor ţevi cu grosime între 3 şi 6 mm

a – tensiuni longitudinale pe înălţimea cusăturii; b – tensiuni tangenţiale pe înălţimea cusăturii; c – longitudinalele la suprafaţa exterioară; d – tangenţiale la suprafaţa exterioară.

5

Page 6: Generarea Tensiunilor Remanente in Timpul Sudarii

Tensiuni Remanente

3. Măsuri si procedee pentru prevenirea si combaterea deformatiilor si tensiunilor remanente.

In practică se urmăreşte diminuarea după sudare a tensiunilor remanente prin metode de detensionare termică sau mecanică, sau impiedicarea apariŃiei acestora prin măsuri preventive (fig. 2).

Fig. 4. Clasificarea măsurilor preventive pentru împiedicarea apariŃiei tensiunilor remanente

Clasificarea măsurilor preventive pentru împiedicarea aparitiei tensiunilor remanente Intre deformatiile permanente şi eforturile unitare remanente ce apar în constructii sudate există o legătură reciprocă: energia neconsumată prin deformări plastice (permanente) se transformă în tensiuni (eforturi unitare) remanente, deci dacă se împiedică deformatiile vor apare tensiuni remanente mari. Se cunoaşte faptul că la constructiile sudate nu este posibil să fie înlăturate în întregime eforturile remanente, respectiv deformatiile, dar într-o anumită măsură pot fi mentinute la valori mici nepericuloase.

Intre deformatiile permanente si eforturile unitare remanente ce apar în constructii sudate există o legătură reciprocă: energia neconsumată prin deformări plastice (permanente) se transformă în tensiuni (eforturi unitare) remanente, deci dacă se împiedică deformatiile vor apare tensiuni remanente mari.

Se cunoaste faptul că la constructiile sudate nu este posibil să fie înlăturate în întregime eforturile remanente, respectiv deformatiile, dar într-o anumită măsură pot fi mentinute la valori mici nepericuloase.

6

Page 7: Generarea Tensiunilor Remanente in Timpul Sudarii

Tensiuni Remanente

4. Indreptarea prin încălzire locală a pieselor deformate în urma sudurii.

O metodă de îndreptare a pieselor deformate, cea mai simplă este îndreptarea prin încălzire cu flacără, procedeu care se aplică numai în cazul pieselor din otel cu continut redus de carbon. In acest caz îndreptarea constă în realizarea unei încălziri locale, astfel condusă încat să se asigure o deformatie a piesei egală si de sens contrar cu cea suferită de piesă la sudare.

Prin încălzire la temperatura 700-8500C, regiunea încălzită tinde să se dilate si fiindcă dilatarea este împiedicată materialul suferă o comprimare în stare plastică.

Modul de încălzire, locul si suprafata regiunilor încălzite trebuie stabilite de la caz la caz, în functie de forma si dimensiunile piesei, astfel încât deformatia suferită de piesă, în urma încălzirii locale, să fie egală si de sens contrar cu deformatia la sudare.

Indreptarea cu flacără prezintă o serie de avantaje si se aplică foarte des deoarece:• nu necesită instalatii speciale;• se poate aplica la piese de orice formă si în oricare parte a acesteiaDacă procedeul nu este aplicat corespunzător si dacă mărimea zonei încălzită nu este corect

stabilită, se pot introduce în piesele îndreptate noi tensiuni remanente.

5. Pozitionarea corectă a pieselor ce se sudează pentru tensiuni reziduale minime

Piesele ce se sudeaza se recomandă să fie asezate pe cât posibil, astfel încât deplasarea lor în timpul încălzirii si mai ales in timpul racirii sa se realizeze liber si sa ajunga la forme optime pentru exploatarea dupa racire.

La realizarea imbinărilor cap la cap tablele se asează conform fig. 3 pentru ca in urma răcirii ele să rămână în acelasi plan (a=0). Mărimea unghiului depinde de grosimea tablei, de felul cusăturii si de procedeul de sudare utilizat.

Fig. 5. Valorile unghiului a pentru tablă sudată de 12 mm grosime (curba a) si pentru tablă sudată de 20 mm grosime (curba b)

7

Page 8: Generarea Tensiunilor Remanente in Timpul Sudarii

Tensiuni Remanente

In raport cu alte metode care necesită diferite echipamente, această metodă prin pozitionarea corectă a pieselor este simplă, iar starea de tensiuni remanente după operatia de sudare este acceptabilă.

Un dezavantaj al acestei metode este acela ca trebuie găsit un mod de aranjare optim al pieselor, în strânsă legătură cu fenomenul de contractie la răcire. De regulă, pentru alegerea optimă a modului de pozitionare corectă a pieselor se cere în prealabil realizarea unor probe.

6. Vibrarea în timpul sudării.

Vibrarea constructiilor în timpul sudării este cel mai avantajos mod de prevenire a formării tensiunilor.

Datorită vibrării în timpul sudării se constată o micsorare a duritătii materialului în zona încălzită, unde de regulă iau nastere cele mai mari tensiuni remanente. Prin vibrare după sudură deformatiile se micsorează până la mai putin de jumătate. Micsorarea tensiunilor de ordinul II si III în timpul sudării în câmp vibrator se poate explica prin cresterea mobilitătii dislocatiilor la temperaturi înalte, precum si prin accelerarea procesului de difuzie.

Prin sudare în câmp vibrator s-a observat o crestere a aderentei materialului de adaos de circa 3 ori.

Sudarea activată în câmp vibrator demonstrează că oscilatiile mecanice introduse în timpul sudurii conduc la îmbunătătirea proprietătilor zonelor sudate adiacente (de exemplu: degazarea metalului topit, micsorarea granulatiei, dispersia uniformă, reducerea substantială a tensiunilor interne).

Vibrarea în timpul sudării la metale moi reduce porozitatea si granulat ia deoarece solidificarea metalelor este activată în câmp vibrator.

Fig.6 Ciclul termic de sudare si tratament termic de preîncalzire simplu; b-Ciclul termicde sudare si tratament termic de de postîncalzire; c-Ciclul termic de sudare si preîncalzire latemperatura constanta; d-Ciclul termic specific sudarii izoterme; e-Sudare cu pre- si postîncalzire

8

Page 9: Generarea Tensiunilor Remanente in Timpul Sudarii

Tensiuni Remanente

CONCLUZII FINALE

Majoritatea procedeelor de fabricatie (turnarea, deformarea plastică, sudarea, prelucrărileprin aschiere) introduc în materialul pieselor tensiuni remanente care modifică în mod substantialperformantele în exploatare a acestora.

Cercetările legate de studiul si determinarea tensiunilor remanente vizează o serie de aspectecum ar fi:

• influenta diverselor procedee de fabricatie asupra stării de tensiuni remanente;• influenta exercitată de câmpul de tensiuni remanente asupra calitătii, fiabilitătii si duratei deexploatare a produselor;• utilizarea unor metode cu modele matematice, perfectionate si a unei aparaturi adecvatepentru a creste precizia si încrederea în rezultatele studiilor efectuate;Prezenta unui câmp însemnat de tensiuni remanente creează premisele aparitiei deformatiilor

si chiar a fisurilor într-o constructie sudată. La diminuarea acestor câmpuri de tensiuni se folosestedeja metoda clasică de detensionare termică prin încălzire la o anumită temperatură si apoi răcireapiesei împreună cu cuptorul.

Acest procedeu nu mai este optim pentru constructii sudate de dimensiuni mari, cum sunt cele dintr-un santier naval si s-a recurs la metode noi, mai rapide si cu efecte importante, cum ar fi detensionarea termoplastică, care constă într-o încălzire localizată pe o anumită portiune a piesei, detensionarea mecanică prin vibratii, prin soc, prin suprapresiune.

9

Page 10: Generarea Tensiunilor Remanente in Timpul Sudarii

Tensiuni Remanente

Bibliografie: 1. http://marcel.suciu.eu/Cartea_Std_Mater.pdf 2. http://www.unitbv.ro/LinkClick.aspx?fileticket=5NcMeQRSB0A%3D&tabid=4579 3. http://webbut.unitbv.ro/teze/rezumate/2010/rom/DinuOvidiuMadalin.pdf

10