Są to trudne problemy, wymagające dużego doświadczenia, zarówno od technologa spawalnika jak i konstruktora przyrządu. Schemat ustalenia kierunku baz oraz kierunku wyjmowania pospawanego zespołu z przyrządu pokazano na rysunku 7.

Rys. 7  Schemat idealnego ustawienia baz i docisków (kierunek bazowania i dociskania) elementów spawanych w przyrządzie spawalniczym oraz kierunek wyjmowania pospawanego zespołu z przyrządu; X – baza

• Wykonanie, zwłaszcza dla odpowiedzialnych zespołów spawanych, planu technologicznego spawania wraz z odpowiednimi instrukcjami. Plan taki powinien uwzględniać wyliczone lub ustalone doświadczalnie naddatki na skurcz spawalniczy oraz przewidywane inne odkształcenia spawalnicze. Powinien też zawierać ewentualny podział na zespoły, kolejność spawania, wytyczne bazowania detali spawanych w przyrządzie i inne parametry technologiczne. Ważne jest, aby technolog przewidywał także wcześniejsze operacje technologiczne, jak np. cięcie (krojenie) detali, a zwłaszcza tolerancje cięcia, i ich powtarzalność. Często dokładność cięcia powinna mieścić się w tolerancji +/- 0,1 mm, co może być kosztowne i nie do uzyskania w przeciętnej spawalni. Ma to wielkie znaczenie dla uzyskiwania właściwych tolerancji, a zwłaszcza ich powtarzalności przy spawaniu odpowiedzialnych zespołów, a więc też na panowanie nad (przynajmniej założonymi) odkształceniami.
  
  
• Przy spawaniu zespołów, które po spawaniu mogą wykazać tzw. strzałkę ugięcia, należy stosować rozwiązania zapobiegające jej powstawaniu. Może tu być zastosowane odpowiednie przygotowanie detali przed spawaniem np. wycięcie przed spawaniem długich blach w odpowiedni łuk, przy spawaniu długich belek np. tzw. belki grzbietowej przy produkcji niektórych wagonów towarowych (lub odpowiednie naprężenie zespołu) nadanie ujemnej strzałki ugięcia, np. ramy podwozia wagonu przy spawaniu jej ze ścianami bocznymi (Rys. 8).
  
  
  Rys. 8  Przeciwdziałanie powstawaniu „strzałki ugięcia” podczas spawania długich segmentów poprzez nadawanie ujemnej strzałki w przyrządzie: 1 – element spawany, 2 – baza regulowana przyrządu, F – siła dociskająca, f – strzałka ugięcia 
  
  Strzałka ugięcia f może wynosić 1 mm na każdy metr długości dla przeciętnej konstrukcji spawanej. Niekiedy więcej, nawet do kilkudziesięciu milimetrów całkowitej strzałki dla długich zespołów.
  
  
• Przestrzeganie kolejności spawania ciężkich konstrukcji. Podstawowe zasady kolejności wykonywania spoin dla doczołowego spawania blach pokazano na rysunku 9.
  
  
  Rys. 9  Prawidłowa kolejność spawania doczołowego blach: a) przy spawaniu z udziałem jednego spawacza, b) przy spawaniu z udziałem dwóch spawaczy. I, II, III, IV – kolejność układania warstw spoiny
  
  Technologia spawania powinna spełniać zasady ogólne dotyczące kolejności spawania elementów zespołu spawanego: w pierwszej kolejności wykonuje się spoiny doczołowe elementów najgrubszych, następnie cieńszych, a na końcu wykonujemy spoiny pachwinowe i usztywnienia, zaczynając od osi (od środka) na zewnątrz (po długości, szerokości i grubości). Wynika to z tego, że elementy najgrubsze i najbardziej oddalone od osi obojętnej najbardziej odkształcają konstrukcję podczas spawania. W celu uniknięcia pęknięć należy „zgubić” odkształcenia poprzeczne spoin, unikając ich koncentracji na spoinie. Wymaga to stanu, w którym konstrukcja nie będzie przesztywniona żebrami lub spoinami pachwinowymi.

W prawidłowo działających fabrykach, w których tworzy się konstrukcje spawane, powinien być dział technologiczny, dział konstrukcji oprzyrządowania spawalniczego i dział kontroli jakości. Powinny być też przestrzegane wypracowane w oparciu o odpowiednie normy i przepisy procedury jakościowe. Konstruktor przyrządu powinien otrzymać od technologa odpowiednie wytyczne dotyczące projektowanego przyrządu z uwzględnieniem parametrów spawania, kolejności spawania, programu produkcji, wyliczonych naddatków rozmieszczenia baz i docisków, oraz oczekiwanych rezultatów spawania w przyrządzie. Praktyka u nas w Polsce jest jednak nierzadko inna, odbiegająca od tych założeń. Często żadnych wytycznych od technologa nie ma. Wtedy niestety opracowanie tych danych w wyniku analizy, spada na konstruktora przyrządu, bo ktoś to musi zrobić, a bez tej wiedzy przyrządu konstruować się nie powinno. Wtedy założone i wyliczone przez konstruktora przyrządu parametry i naddatki, oraz kolejność spawania powinny być zapisane w dokumentacji konstrukcyjnej przyrządu.

Usuwanie odkształceń spawalniczych
Mimo starannie opracowanej technologii spawania oraz zastosowania dobrze skonstruowanego oprzyrządowania niekontrolowane odkształcenia spawalnicze i tak mogą powstać. Powstaną one na pewno, gdy spawanie odbywa się bez odpowiedniej, poprzedzającej analizy i w sytuacji, gdy nie stosuje się odpowiednich działań zapobiegających odkształceniom. Niekiedy nawet przewiduje się odkształcenia, zakładając ich usuwanie po spawaniu, jako osobną operację. Mimo że działanie takie nie jest zalecane, jednak w wielu wypadkach może nie być innego wyjścia. W niektórych spawalniach stosuje się jako podstawowe działanie przy usuwaniu odkształceń – „palnik gazowy i mokrą szmatę”. Niektórzy doświadczeni spawacze potrafią tą prymitywną metodą naprawić źle pospawany zespół i doprowadzić wymiary do oczekiwanych. Jednak coś za coś. Szkody wyrządzone w strukturze materiału podczas podgrzewania mogą być dla jakości i bezpieczeństwa konstrukcji tak samo szkodliwe, lub nawet bardziej szkodliwe, niż samo odkształcenie. Ta metoda nie jest zalecana. A na pewno nie można jej stosować w odpowiedzialnych konstrukcjach spawanych. Dopuszczalną metodą jest prostowanie konstrukcji na zimno. Wykonuje się to na specjalnych urządzeniach hydraulicznych, które wyposażone są w siłownik hydrauliczny, wraz z odpowiednim zasilaczem, zamontowany na przejezdnym portalu wzdłuż długiego najczęściej stołu (Fot. 2).

Fot. 2  Urządzenie do prostowania na zimno długich belek

W niektórych spawalniach do prostowania na zimno belek wykorzystuje się prasy poziome tzw. „bokserki”. Do prostowania dużych ram spawanych, np. wózków wagonowych, stół urządzenia do prostowania jest znacznie szerszy (Fot. 3).

Fot. 3  Urządzenie do prostowania na zimno ram wózków wagonowych
Na drugim planie widoczne stanowisko pomiarowe

Na wyposażeniu urządzenia są różne podkładki i elementy naciskowe. Sam siłownik wyposażony jest w przelicznik ciśnienia na siłę nacisku oraz w przymiar w mm związany z wysuwem tłoczyska (Fot. 2). Prostowanie podłużnic czy ram na takim urządzeniu daje dobre wyniki bez skutków ubocznych – zmian w strukturze materiału. Nie zawsze jednak możliwe jest prostowanie na zimno. Odkształcenia cienkich blach np. blach poszyciowych w pudłach wagonów czy lokomotyw można zmniejszyć za pomocą technologii opracowanej w Taskoprojekt przy współpracy z Politechniką Wrocławską. W skrócie polega ona na zastosowaniu przejezdnych elektromagnesów przykładanych z zewnątrz blachy poszyciowej pudła. Od środka pudła przykłada się dopasowane do szkieletu ścian bocznych płyty z otworami. Poprzez otwory nagrzewa się palnikiem blachę poszyciową, która ściśnięta jakby elektromagnetycznym imadłem powoduje wyprostowanie podgrzanej blachy. Proces ten prowadzi się z obu stron pudła jednocześnie. Wykonano kilka takich stanowisk, które z powodzeniem od wielu już lat stosowane są do prostowania ścian bocznych wagonów i lokomotyw w różnych fabrykach taboru szynowego. Fragment stanowiska pokazany jest na fotografii 3. Wykonanie dużej płyty elektromagnesu proste nie jest. Utrzymanie płaskości 0,25 mm w warunkach ciągłego nagrzewania i chłodzenia płyty wymaga specjalnej konstrukcji i technologii wykonania płyty.

Osobnym problemem, niejako obok usuwania odkształceń spawalniczych, jest usuwanie szkodliwych naprężeń spawalniczych. We wszystkich odpowiedzialnych konstrukcjach spawanych powinny one być usunięte. Dotyczy to np. spawanych korpusów silników spalinowych np. okrętowych, dużych przekładni zębatych, korpusów obrabiarek, czy dokładnych przyrządów. W mniej dokładnych (mniej ważnych) konstrukcjach spawanych, mimo że usunięcie naprężeń jest wskazane, nie wykonuje się tej operacji. Usuwanie naprężeń jest dokonywane głównie za pomocą wyżarzania odprężającego. W tym celu wykorzystywane są piece do wyżarzania. W dużych spawalniach wykonujących dużo odpowiedzialnych konstrukcji spawanych jest taki piec lub nawet kilka, pracujących na zmiany, bo proces odprężania trwa długo. Niekiedy zamiast wyżarzania stosuje się wibrowanie konstrukcji spawanej, otrzymując w zasadzie nie tyle usunięcie naprężeń, jak przy wyżarzaniu, tylko równomierne ich rozłożenie w konstrukcji, bez spiętrzeń. Efekty tej metody nie są jednak takie same jak przy wyżarzaniu, i w niekorzystnych warunkach montażowych lub eksploatacyjnych może się pojawić ponownie spiętrzenie naprężeń. Niekiedy zjawisko to ujawnia się już podczas transportu drogowego lub niewłaściwego rozładunku w transporcie, konstrukcji spawanej.

Fot. 4  Widok na płytę elektromagnesu urządzenia do prostowania ścian bocznych wagonu

W artykule zasygnalizowano jedynie problemy związane ze skurczami spawalniczymi. Zagadnienie to jest obszerne i niełatwe do opanowania. W ostatnich latach polskie firmy stały się uznanym producentem i eksporterem konstrukcji spawanych w Europie. W związku z tym, być może, niektórzy technolodzy spawalnicy posiadają swoje „zapiski”, wynikające z własnych doświadczeń, tabele lub wzory do wyznaczania naddatków na skurcze spawalnicze dla różnych rodzajów spawania. Jest co prawda podręcznik „Technologia Konstrukcji Spawanych” Mariana Jakubca (z której zacytowano niektóre sformułowania w niniejszym artykule) i inne podręczniki, w których podano wzory do obliczania odkształceń spawalniczych. Te wzory są jednak skomplikowane i trudne do stosowania w praktyce spawalniczej. Brakuje kompleksowego i jednocześnie prostego w użytkowaniu opracowania, które mogłoby przez swoją dostępność pomagać wielkiej rzeszy spawalników, zwłaszcza w mniejszych spawalniach. Możliwe, że w przyszłości jakiś zdolny doktorant, na wzór profesora Bryły, który przed wojną stabelaryzował parametry spawania do dzisiaj używane na całym świecie, stabelaryzuje w podobny sposób naddatki na skurcze spawalnicze.

Aleksander Łukomski

Rysunki i zdjęcia pochodzą z archiwum Taskoprojekt

artykuł pochodzi z wydania 3 (78) marzec 2014

Czytaj także:

Obliczenia połączeń spawanych konstrukcji ramowych

Spawanie stali drobnoziarnistych na przykładzie platform wiertniczych, stadionów i hal widowiskowo-sportowych

Spawanie dużych, dokładnych ram stalowych

Analizy wytrzymałościowe stalowych ram naczep kłonicowych