Spawanie, a zwłaszcza spawanie łukowe, które za sprawą wynalazku inżyniera Stanisława Olszewskiego z 1882 roku, współautora patentu spawania łukowego, stosowane jest na całym świecie, mimo wielu lat stosowania i wielu prób opisania procesu spawania, nadal powoduje często trudne do przewidzenia odkształcenia spawalnicze, które wymykają się teoretycznym wzorom matematycznym, czy wzorom empirycznym. Dotyczy to zwłaszcza większych i zarazem dokładnych konstrukcji spawanych, takich jak konstrukcje mostowe lub spawane konstrukcje taboru szynowego, gdzie trudno przewidywalne odkształcenia spawalnicze powodują poważne problemy techniczne w przeciwdziałaniu ich powstawania, lub – gdy już powstaną – w ich usunięciu.
Powstawanie odkształceń spawalniczych
W większości odkształcenia spawalnicze sprowadzają się do tzw. skurczu spawalniczego i wyzwalanych w związku z tym dużych naprężeń. Mechanizm powstawania odkształceń wiąże się z tym, że sam proces spawania wymaga miejscowego doprowadzania dużych ilości ciepła. Ciepło płomienia gazowego lub łuku elektrycznego podgrzewa miejscowo spawane elementy metalowe i stapia ich brzegi na wąskiej przestrzeni, powodując nierównomierny rozkład temperatur w łączonych elementach. Wzrost temperatury powoduje zwiększenie wymiarów elementów spawanych. Po czym, na skutek stygnięcia następuje skurcz liniowy i objętościowy metalu. Skurcz spawalniczy jest znacznie większy od rozszerzalności materiału łączonych elementów. Złącze spawane zmniejsza się, a więc następuje skrócenie spawanych elementów. Zmniejsza się też podłużny i poprzeczny przekrój spoiny. Sama spoina łącznie ze strefą nagrzanego materiału kurczy się zarówno w kierunku podłużnym jak i poprzecznym, a także w kierunku grubości materiału. W skrócie – najpierw podczas podgrzewania materiał spawany rozszerza się, a później, podczas stygnięcia, kurczy znacznie bardziej niż początkowo się rozszerzył. Na rysunku 1 przedstawiono kierunki zmian objętościowych spoiny przy nagrzewaniu i stygnięciu złącza spawanego. Skurcz w kierunku grubości spoiny jest swobodny – spoina w tym kierunku swobodnie się kurczy i nie wywołuje naprężeń wewnętrznych. Skurcz poprzeczny, podczas spawania elementów swobodnie leżących może te elementy swobodnie zbliżyć do siebie (Rys. 2). W złączach doczołowych i kątowych (Rys. 3) skurcz poprzeczny wywołuje także odkształcenia kątowe objawiające się np. ugięciem elementów. W złączach doczołowych odkształcenie kątowe jest uzależnione między innymi od wielkości i kształtu rowka spawalniczego, liczby warstw spoiny i grubości materiału spawanego. W złączach kątowych odkształcenie kątowe zależne jest m.in. od rodzaju złącza, grubości spoiny i liczby warstw spoiny.



Odkształcenia spawalnicze i powstające dzięki temu naprężenia są niezwykle szkodliwe dla konstrukcji spawanej w odniesieniu do jej nośności, gdyż mogą się sumować z naprężeniami od oddziaływań zewnętrznych, doprowadzając do przekroczenia nośności materiału, co grozi katastrofą budowlaną, jeżeli jest to stalowa konstrukcja np. budynku, czy hali, lub innym poważnym uszkodzeniem konstrukcji np. pojazdu szynowego, czy konstrukcji mostowej.
Skurcz podłużny ma mniejsze znaczenie w złączach spawanych wykonywanych krótkimi spoinami. W przypadku długich spoin skurcz podłużny może spowodować pofałdowania, wybrzuszenia i wygięcia (Rys. 4). Charakterystyczne jest pofałdowanie blach cienkich – do 4 mm grubości, na skutek skurczu podłużnego, co niekiedy można zaobserwować na ścianach bocznych niektórych wagonów. W procesie spawania, metal nagrzany w miejscu spawania posczepianych elementów spawanych nie może się wydłużyć. Metal ten, w sąsiedztwie metalu o niższej temperaturze otoczenia, zostaje spęczony i powstaje odkształcenie plastyczne. Z kolei w fazie stygnięcia spoina i przyległy do niej materiał podstawowy nie mogą się skurczyć, gdyż uniemożliwia to chłodniejszy metal w dalszej odległości od spoiny. W ten sposób, w pobliżu stygnącej spoiny powstają wewnętrzne siły, wywołujące naprężenia rozciągające, a w dalszej odległości od spoiny – w chłodnym metalu – powstają naprężenia ściskające. Naprężenia te nie ustępują i pozostają w złączu spawanym.

Skurcz objętościowy ma znaczenie przy większych grubościach spawanych elementów. Przy spawaniu cieńszych elementów może być ograniczony do odkształceń wynikających ze skurczu podłużnego i poprzecznego. Skurcz podłużny powoduje skrócenie długości spawanych elementów, wskutek poosiowego skrócenia spoiny. Skurcz poprzeczny kurczy spoinę w poprzek przekroju i „ściąga” połączone elementy. Skutkiem opisanych wyżej sił odkształcających są naprężenia rozciągające i ściskające w złączu spawanym.
Duże naprężenia rozciągające powstają wzdłuż i w poprzek osi spoiny, a w zewnętrznych pasach złącza spawanego powstają naprężenia ściskające. Przykładowo w złączach spawanych o przekrojach teowych można obserwować dwa rodzaje odkształceń podłużnych elementów po spawaniu:
- Przy dużej wysokości środnika i małym przekroju pasa w wyniku odkształcenia górna krawędź ścianki pionowej będzie wypukła.
- Przy małej wysokości środnika i dużym przekroju pasa, o kierunku ugięcia decyduje sztywność pasa. Górna krawędź ścianki może być wtedy wklęsła.
Gdy te same elementy łączy się spoinami pachwinowymi przerywanymi to spowoduje to mniejsze odkształcenia elementów ze względu na mniejszą objętość materiału nagrzanego podczas spawania. Najogólniej mówiąc, odkształcenia złącza spawanego zależą od ilości doprowadzonego ciepła, przekroju poprzecznego spoiny, sztywności i wielkości konstrukcji. Dla większej konstrukcji spawanej np. ramy podwozia lokomotywy, gdzie występują grubsze blachy, skurcz podłużny całkowity ramy po spawaniu, może wynosić 1 mm na każdy metr długości ramy. Przy konstrukcjach mostowych może to być nawet 1,5 mm na każdy metr długości segmentu. Przy długich ramach lub segmentach spawanych może to być w efekcie kilkanaście lub nawet kilkadziesiąt milimetrów.
Ważna jest tutaj technologia spawania, a więc poprzedzające spawanie sczepne (montażowe) i kolejność spawania. Sczepianie detali przed spawaniem umożliwia zachowanie ustalonego ich położenia podczas procesu spawania, przede wszystkim – zachowanie wymaganego odstępu między elementami.
Niewłaściwa kolejność sczepiania elementów powoduje zamknięcie odstępu między brzegami elementów, a niekiedy nawet zachodzenie ich na siebie.
Skurcz poprzeczny spoin zależy od kształtu przekroju spoiny i zwiększa się wraz ze wzrostem zróżnicowania szerokości spoiny, na jej grubości. Ten wzrost skurczu w kierunku lica spoiny, szczególnie w spoinach o znacznie zmieniającym się przekroju, powoduje odchylenie połączonych elementów od powierzchni płaszczyzny (Rys. 3). Odchylenie to określa się jako odkształcenie kątowe złącza spawanego. Kąt odkształcenia elementów złącza spawanego zależy od:
- ilości ułożonych warstw,
- kolejności układania warstw spoiny,
- długości układanych odcinków spoiny,
- kształtu rowka spawalniczego.
Na ogół większe wartości skurczów, a zatem i większe odkształcenia, przyjmuje skurcz poprzeczny, niż wzdłużny.
Specyficznym rodzajem odkształceń spawalniczych jest tzw. „strzałka ugięcia”, która występuje przy spawaniu np. długich belek, czy ram lub segmentów, w sytuacji gdy górna część zespołu spawanego wykonywana jest z grubszych elementów, a więc i większych spoin niż dolna część (Rys. 5). Odkształcenie to, gdy już powstanie, jest często trudne do usunięcia. Kiedyś w tym celu stosowano prostowanie płomieniowe. Dzisiaj w większości odpowiedzialnych konstrukcji jest to działanie zabronione. Pozostaje więc prostowanie na zimno lub usuwanie tego odkształcenia w inny sposób.

Aby zmniejszyć negatywne skutki skurczów spawalniczych należy stosować właściwe rozwiązania konstrukcyjne i odpowiednie technologie spawania, oraz zabiegi po spawaniu. Skurcze spawalnicze i inne odkształcenia podczas spawania można przewidywać. Mimo, że nie jest to proste, można je również wyliczyć. Istnieje szereg wzorów uwzględniających różne rodzaje złącz spawanych, grubość detali spawanych i wielkość spoin, oraz pewne parametry technologiczne dające duże prawdopodobieństwo w miarę dokładnego określenia odkształceń spawalniczych. Obliczenia te są pracochłonne, ale niekiedy konieczne. Istnieją też programy komputerowe, amerykańskie lub francuskie, dzięki którym wyznaczanie odkształceń jest prostsze. Duże znaczenie ma tu także doświadczenie technologa spawalnika lub konstruktora oprzyrządowania spawalniczego. Jednak mimo tych działań i dużej pracy włożonej w wyznaczanie odkształceń i naprężeń powstają one często w sposób nie tak kontrolowany, jak chciałoby się to osiągnąć.