Dotychczasowe podejście do projektowania połączeń spawanych sprowadza się do policzenia naprężeń i pomnożenia ich przez współczynnik bezpieczeństwa na niewiedzę technologiczną projektanta. Ale czy do materiałów niejednorodnych można stosować abstrakcyjne pojęcie naprężeń spawalniczych?

Ryszard Jastrzębski

Wyobraźmy sobie  kratownicę pokrytą papierem pomalowanym na kolor stali. Projektant, na podstawie obciążenia i ugięcia, przy założeniu jednorodności materiału, policzy naprężenia w dowolnym punkcie belki. Po przebiciu papieru okaże się jednak, że w miejscu policzonych naprężeń jest powietrze, które nie przenosi sił wewnętrznych...

Przyjrzyjmy się zatem naszej spoinie w przekroju. Spoina jest zahartowana, a w jej otoczeniu, zwanym strefą wpływu ciepła, są wszystkie możliwe strefy wpływu ciepła. Wydawałoby się, że w tak mikroskopowych obszarach nie da się wyznaczyć krzywych rozciągania, a własności wytrzymałościowe materiału w skali mikro można tylko porównywać na podstawie mikro twardości Vickersa. Kilka lat temu pojawiły się w USA mikroskopowe maszyny wytrzymałościowe działające jak dziurkacz, który wycina mikro otwór w folii przekroju poprzecznego spoiny. W procesie skalowania urządzenia z wykresu zależności siły wycinania mikro otworu i przemieszczenia po przemnożeniu przez stałą wartość otrzymuje się wykres otrzymywany z rozciągania dużych próbek. Rysunek 1 pokazuje kilka takich krzywych rozciągania. Wraz ze wzrostem stopnia zahartowania krzywa jest bardziej stroma i przy mniejszym odkształceniu następuje pękanie. Gdyby spoina była zbiorem sprężyn to w wyniku rozciągania, po przekroczeniu dopuszczalnego odkształcenia najsztywniejszej sprężyny, sprężyna ta by pękła, ale pozostałe sprężyny przenosiłyby obciążenie. Ponieważ spoina jest kryształem, to pęknięcie mikroobszaru spowoduje pękanie całej spoiny. Oznacza to, ni mniej ni więcej, że w przypadku materiałów niejednorodnych posługiwanie się pojęciem naprężeń nie ma sensu. Zamiast kontrolować naprężenia należy więc badać odkształcenia i jedynym sensownym podejściem jest w tym wypadku ustalenie kryterium maksymalnego odkształcenia najbardziej kruchego mikro fragmentu spoiny. Jest to właściwie rewolucja w dziedzinie badań wytrzymałości materiałów. Chociaż, z doświadczenia jednak wiadomo, że przy dopuszczaniu suwnic i mostów drogowych  do ruchu próba obciążenia polega na kontroli odkształceń.


Rys 1 Krzywe wytrzymałości różnych obszarów złącza spawanego. Wpływ podgrzewania na odkształcenia cieplne i zapas na odkształcenia krzywych wytrzymałości.

Przeanalizujmy model dr Mariana Bala z AGH dla stali energetycznych 10H2M. Załóżmy, że spoina odkształci się termicznie o L1. Z wykresu na rysunku 1 wynika, że spoina pęknie w punktach B,C,D.
Jeżeli podgrzejemy miejsce spawania na szerokości 150 mm od złącza to odkształcenie  zmniejszy się o ∆L i wyniesie L2. Z wykresu wynika, że podgrzewanie spowoduje pęknięcie w punkcie D. Z drugiej strony, podgrzanie spowoduje mniejsze zahartowanie i krzywa D zamieni się na krzywą C, co spowoduje, że spoina nie pęknie lecz będzie miała mniejszy zapas na odkształcenie. Jeżeli miejsce spawania było by wcześniej obrabiane plastycznie na zimno to ta obróbka spowoduje utratę zapasu na odkształcenie (bardziej strome krzywe wytrzymałości z rys 1) i spowoduje to pęknięcie spoiny pomimo podgrzewania. Dlatego Urząd Dozoru Technicznego nie dopuszcza spoin na „kolanach”, a ich odległość od miejsca odkształceń plastycznych na zimno powinna wynosić 150 mm.

Kontrola ilościowa procesów cieplnych spawania na etapie projektowania

Jednym z etapów projektowania jest dopuszczanie technologii do spawania na podstawie norm europejskich i ISO. Obliguje to wykonawcę do przeprowadzenia prób spawania i pełnego badania wytrzymałości płyt próbnych i określenie parametrów spawania i energii liniowej, przy której wyniki wszystkich prób będą pozytywne. Dopuszczone są wówczas parametry spawania, przy których energia liniowa wynosi – od 0,8 energii liniowej spawania w pozycji naściennej, do 1,2 energii liniowej spawania w pozycji pionowej.

Można się zastanawiać dlaczego normy europejskie wprowadziły pojęcie energii liniowej i skąd ono się wzięło, i czy kontrola energii liniowej zawsze jest słuszna. Poniżej spróbujemy przybliżyć tę sprawę.


rys. 2  Stary i nowy model analizy procesów cieplnych spawania

Kontrola procesów cieplnych spawania opiera się na rozwiązywaniu równań różniczkowych wymiany ciepła podczas spawania. W latach 70-tych pojawiły się prace opisujące procesy rozchodzenia się ciepła poprzez rozwiązywanie równań wymiany ciepła. Ponieważ w przypadku topienia metalu problem jest dosyć trudny, gdyż rozwiązania takich równań różniczkowych udaje się uzyskać stosunkowo prosto dla funkcji liniowych,  pominięto bardzo istotny element – nieliniowe wprowadzenie ciepła topienia. Dla dociekliwego fizyka byłoby to niedopuszczalne, lecz względy praktyczne i możliwość wyliczania szybkości chłodzenia i przewidywania hartowania się strefy wpływu ciepła zwyciężyły. O dziwo, matematycy wykonujący obliczenia cyfrowe metodą elementów skończonych, zamiast próbować zbliżyć się do rzeczywistości, próbowali dopasować funkcję „od tyłu”, wstawiając wirtualny rozkład temperatury łuku. Było to możliwe dlatego, że w latach 80-tych tylko obecny rektor UJ, prof. Musioł dysponował stanowiskiem do badania rozkładu temperatury łuku. Przy istniejących wtedy komputerach „Odra”, pomiary fotopowielaczem trwały kilka godzin, a obliczenia – kilka tygodni.

Dopiero niedawno pojawiły się laserowe techniki pomiaru punktowego temperatury łuku w czasie rzeczywistym, gdzie dwa promienie lasera barwnikowego zderzają się, tworząc jeden strumień, który niesie informację o punktowej temperaturze łuku elektrycznego.