Metode de reabilitare a sudurilor de colt convexe

I. Rezistenta la oboseala a structurilor sudate. Curba lui Wohler

Exista multe constructii si structuri sudate supuse la solicitari variabile in timp ( poduri, instalatii energetice, etc.)

Experienta a aratat ca structurile supuse la solicitari variabile se distrug la eforturi mai mici decit rezistenta la rupere la solicitarea statica a materialului din care sunt confectionate; ele se rup cu atit mai repede cu cit eforturile sunt mai mari.

a.In cazul structurilor nesudate exista rezistenta la oboseala σ0

Timpul de functionare deci numarul de cicluri de variatie a solicitarii la care rezista o piesa, depinde de marimea efortului unitar maxim din piesa. Aceasta dependenta este reprezentata grafic printr-o curba stabilita experimental ( curba lui Wohler )-figura 1.

Figura 1.Curba lui Wohler

O asemenea curba trasata in sistemul N-σ ( N-τ) arata ca numarul de cicluri N la care rezista o piesa este cu atit mai mare cu cit efortul unitar σ este mai mic. La o anumita valoare σ0 a efortului unitar piesa rezista la un numar foarte mare de cicluri de incarcare, practic nelimitat ( valabil doar pentru structurile nesudate ). Aceasta valoare σ0 se numeste rezistenta la oboseala. Experientele au aratat ca metalele feroase care au suportat un numar de 10 7

cicluri de variatie a efortului unitar nu se mai rup oricit ar dura incarcarea. De aceea pentru aceste materiale se ia de obicei NB=10 7 ca baza pentru definirea rezistentei la oboseala.

b. existenta unei suduri duce la micsorarea rezistentei la oboseala a piesei chiar daca sudura este de buna calitate si nu modifica fluxul liniilor de forta din piesa respective. ( Referinta 1 )

Rezistenta la oboseala a imbinarilor sudate, este sensibil mai mica decit cea a materialului de baza din cauza efectului de concentrare a eforturilor unitare ce apare datorita sudurii. Se deosebesc:

- concentratori interni si - concentratori externi de natura constructiva.

Spre deosebire de materialul de baza, care prezinta uneori defecte de laminare, sudura prezinta defecte specifice materialelor turnate. Concentratorii interni apar din cauza porilor si incluziunilor de gaze, radacinii sudurilor si punctelor care corespund schimbarii electrozilor in cazul sudarii manuale ). Concentratorii externi apar la capetele cusaturii de sudura si in zona de trecere de la sudura la materialul de baza. Efectul concentratorilor poate fi micsorat sau chiar eliminat printr-o prelucrare corespunzatoare a imbinarilor respective. Valoarea coeficientilor efectivi de concentrare este influentata de diversi factori specifici imbinarilor sudate ca: materialul de baza, materialul de adaos, procedeul de sudare utilizat, defectele interne si externe ale sudurilor, forma imbinarii, forma cordonului de sudura, tensiunile remanente, etc.

Astfel s-a demonstrat ca existenta unei suduri duce la micsorarea rezistentei la oboseala a piesei chiar daca sudura este de buna calitate si nu modifica fluxul liniilor de forta din piesa respective.Incercarile efectuate arata ca sudurile transversale si capetele sudurilor longitudinale chiar si in cazul cind sudura nu transmite efort, produc o scadere sensibila a rezistentei la oboseala a piesei pe care este aplicata sudura. (Referinta 1) .

Astfel rezistenta la oboseala a unei platbande din OL 37 solicitata la intindere ( compresiune ) dupa un ciclu pulsant scade de la σ0t=23-24 daN/mm2 la σ0t=16-18 daN/mm2, daca pe aceasta platbanda se face o cusatura transversala prin sudura. Aceasta rezistenta poate fi marita pina la σ0t=22-23 daN/mm2, daca se prelucreaza suprafata cu sudura a platbandei, asa cum se arata in figura 2.

Neprelucrat Prelucrat

Figura 2 Prelucrarea sudurii pentru marirea rezistentei la oboseala

Aceasta influenta nefavorabila a sudurii asupra rezistentei la oboseala se explica astfel: in timpul sudarii, stratul subtire al materialului de adaos topit curge peste materialul de baza, se raceste foarte repede si nu are destula caldura ca sa topeasca in masura suficienta materialul de baza, din care cauza nu se realizeaza o legatura suficienta intre cusatura si materialul de baza, stratul topit se intareste repede astfel ca incluziunile de gaze si impuritati nu mai sunt eliminate in intregime; acesti concentratori, care sunt mai pronuntati in straturile superficiale ale materialului depus, dar sunt invizibili din exterior, produc micsorarea rezistentei la oboseala; la aceasta micsorare contribuie si aparitia datorita sudurii, a tensiunilor remanente. Prin prelucrarea piesei si a sudurii, indepartindu-se citiva milimetri, se inlatura in cea mai mare parte aceste defecte ( care constituie concentratori de tensiuni ) marindu-se astfel rezistenta la oboseala a piesei.

c. in cazul sudurilor de colt solicitate gigaciclic la vibratii stationare ( peste 107 cicluri de solicitare ) din cadrul centralelor nucleare nu mai este valabila curba lui Wohler ( Referinta 2 )

Practica a demonstrat ca in cazul sudurilor de colt solicitate gigaciclic la vibratii stationare ( peste 107 cicluri de solicitare ) din cadrul centralelor nucleare nu mai este valabila curba lui Wohler adica nu mai exista acea tensiune σ0- denumita rezistenta la oboseala pentru care pentru oricite cicluri de solicitare N nu apare cedarea structurii. In cazul structurilor sudate, dupa 107 cicluri de solicitare, in realitate apare cedarea structurii. Deci se verifica practic caci aceasta curba a lui Wohler nu mai este valabila.

In concluzie imbinarile sudate reprezinta surse particulare de concentrare a tensiunilor. Cercetari efectuate in Anglia la Welding Institute Cambridge ( TWI ), au identificat incluziuni de zgura la nivel microscopic, dealungul virfului sudurii ( intersectia dintre cordon si materialul de baza ), la toate procedeele de sudare cu arc electric, mai putin la procedeul WIG ( GTAW ). Toate procedeele de sudare au determinat in anumita masura producerea de crestaturi la degetul cordoanelor de sudura.Practica a demonstrat ca toate cordoanele de sudura aveau discontinuitati microscopice intr-o forma sau alta, crestaturi, incluziuni de zgura sau ambele. Metodele norrmale de inspectie nu pot detecta aceste discontinuitati, care sunt de neevitat utilizind procedeele de sudare existente.( Referintele 3,4,5).

In cazul metalelor nesudate durata de viata la oboseala cuprinde atit initierea cit si propagarea fisurii. In cazul structurilor sudate, fisuri ca de exemplu discontinuitatile deja exista. Din acest motiv pe durata de viata la oboseala a structurii sudate se produce doar propagarea fisurii, fisurile preexistind. Din acest motiv si datorita tensiunilor reziduale apropiate de limita de curgere, structurile sudate pot suporta mai putine cicluri de incarcare decit materialele nesudate in aceleasi conditii de incarcare. ( figura 3 )

Figura 3. Durata de viata la oboseala a unei structuri sudate cuprinde numai initierea fisurii

II. Discontinuitati care pot aparea in cordonul de sudura, ZIT –ul si MB al unei imbinari sudate de colt in T

Legenda: 1a) Pori uniform imprastiati

1b)Pori in forma de ciorchine

1c)Pori lineari

1d)Pori alungiti

2a)Incluziuni de zgura

4)Patrundere incompleta

5)Crestatura

7)Suprainaltare

8)Destramare lamelara

9)Exfoliere

10)Crapatura in materialul de baza

12a)Fisura longitudinala

12b)Fisura transversala

12c)Fisura in crater

12d)Fisura la varful de sus al sudurii

12e)Fisura la varful de jos al sudurii

12f)Fisura la radacina

12g) Fisura in zona influentata termic

Figura 4. Discontinuitati aparute in cazul sudurii de colt a unei imbinari in T

Fisura se defineste ca o discontinuitate a materialului cu lungime mare in raport cu deschidera si cu raza de curbura mica.

Fisura constituie cel mai important defect ce apare in cusaturile sudate atat datorita dificultatii depistarii cat si a efectelor ei – ruperi catastrofale.

Porul se defineste ca o incluziune gazoasa de forma sferica ramasa captiva in cusatura in urma procesului de solidficare a bai de metal lichid.

Incluziunile de zgura, sunt des intalnite in sudura si sunt alcatuite din oxizi si uneori sulfuri.

III. Distributia aproximativa a tensiunilor ( fluxului de forte ) in imbinarile sudate de colt

Imbinarile de colt sunt alcatuite din elemente asezate in T prin suprapunerea partiala sau totala a marginilor elementelor, prin fixarea pieselor in cruce sau oblic cu cordonul dispus partial sau total pe marginile suprapuse.

Aceste imbinari se executa in unul sau mai multe straturi, fara patrundere la radacina sau cu patrundere totala.

Stresul indus in imbinarile sudate de colt este complex datorita: excentricitatii sarcinii aplicate, formei cordonului de sudura si efectului de crestatura. Acest stres se manifesta sub forma de tensiuni de forfecare si compresiune.

Analitic si experimental s-a aratat ca distributia stresului ( eforturilor unitare ) nu este uniforma de-a lungul gitului ( apotemei ) si catetei unei suduri de colt, variind chiar si pe lungimea sudurii. In figura 5 este aratata o distributie aproximativa a stresului ( eforturilor unitare ) intr-o sudura solicitata transversal pe cordoanele de sudura.

Figura 5. Distributia aproximativa a stresului

Se observa doua cazuri:

- cazul unei imbinari sudate in T cu sudura bilaterala fara prelucrarea marginilor piesei

- cazul unei imbinari sudate in T cu sudura bilaterala cu prelucrarea marginilor piesei

Observam in ambele cazuri in zona radacinii cordonului de sudura ( punctul B ) atit efortul unitar normal cit si cel tangential au valoarea maxima.

In aceste conditii se intelege ca radacina sudurii este cea mai susceptibila de aparitia fisurilor in cazul solicitarilor ciclice.

IV. Necesitatea reabilitarii sudurilor de colt convexe in suduri de colt concave

Grosimea de calcul a cordonului de sudura in cazul sudurilor de colt, se considera egala cu inaltimea triunghiului isoscel inscris in sectiunea transversala a cordonului- figura 6.

c)

Figura 6. Forma cordonului la sudura de colt

Conform figurii 6, functie de raportul k/a, cordoanele de colt pot fi:-plane, atunci cind k/a ≈ ( figura 6.a )

-convexe, atunci cind k/a > ( figura 6.b )-concave, atunci cind k/a < ( figura 6 c si d )

Forma convexa a cordoanelor favorizeaza concentrarea liniilor de forta in metalul depus, din care cauza se recomanda utilizarea cordoanelor concave, mai ales pentru constructiile solicitate la oboseala prin soc. De mentionat ca in cazul cordoanelor concave trebuie ales un optim, deoarece cresterea concavitatii, conduce la cresterea eforturilor unitare reziduale.

Dupa unele norme italiene, conditiile pentru realizarea unui cordon de calitate se inrautatesc daca unghiul α scade sub 70 E.

Cedarile in cazul structurilor sudate ce prezinta suduri de colt, au o frecventa din ce in ce mai mare in timpul operatiilor de service din cadrul centralelor energetice de putere. Cauza acestor cedari se datoreaza tensiunilor la oboseala aparute in cazul solicitarii gigaciclice ( peste 107 cicluri de incarcare ). Nu exista pentru aceste structuri durata de viata infinita la oboseala. ( conform curbei lui Wohler ). Fisurarea a aparut dupa 1-3 ani de vibratii continue cu frecventa de 1 ciclu/minut. Sudurile de colt sunt expuse unui stres critic la radacina si la virful sudurii, corespunzind unor potentiale discontinuitati geometrice: radacina incompleta, forma convexa a cordonului, concentrarea fluxului de forte la degetul sudurii. Extinderea testelor dinamice pe sudurile unilaterale de colt ( categoria E indicate in AWS D1.1 and ASME Biler and Pressure Vessel Code)- au aratat o descrestere continua a rezistentei la oboseala cu 3 ksi la 100 de mega cicluri. Capacitatea de folosire la vibratii a sudurilor de colt a impus controlul si repararea: completarilor la radacina, suprafetei convexe in concave si trecerea lina la degetul sudurii dintre materialul de adaos si materialul de baza.

Se observa ca, curba lui Wohler nu mai este valabila in cazul solicitarii gigaciclice la oboseala a sudurilor de colt convexe. Dupa 107 cicluri sudurile de colt cedeaza.

Din cele prezentate rezulta necesitatea reabilitarii sudurilor de colt convexe cu suduri de colt concave. Se recomanda ca sudurile de colt existente sa fie ranforsate cu suduri de colt concave incepind sudarea de la virful cordonului de sudura existent.

V. Metode de reconditionare pentru imbunatatirea duratei de viata la oboseala a sudurilor de colt convexe.Metodele de reconditionare ce vor fi prezentate in continuare sunt benefice pentru marirea duratei de viata la oboseala a structurilor sudate, mai ales atiunci cind tensiunile aplicate sunt normale la axa sudurii. Aceste tehnici imbunatatesc durata de viata la oboseala a structurilor sudate numai din punct de vedere a cedarilor datorate tensiunilor de la virfului sudurii ( intersectia dintre cordonul de sudura si materialul de baza ). Posibilitatile de cedari la oboseala din alte cauze cum ar fi tensiunile de la radacina sudurii nu sunt micsorate prin aceste tehnici.

1. Metoda de ranforsare a sudurilor existente de colt convexeprin tehnica ( Temper Bead Technique )

Aceasta metoda urmareste prin tehnica stratului de revenire ( Temper Bead Technique )- si prin imbunatatirea profilului sudurilor de colt ( se doreste obtinerea formei concave dupa completarea sudurii existente ) scaderea tensiunilor interne in cordon si deci marirea duratei de viata la oboseala a acestuia.Sudurile vor fi in concordanta cu urmatoarele:

a) Inainte de sudare , zona ce urmeaza a fi sudata va fi examinata cu pulberi magnetice sau cu lichide penetrante.

b) Toate suprafetele care trebuiesc sudate si cele inconjuratoare vor fi curatate de tunder,rugina, umezela, sau alte tipuri de contaminari ale supreafetelor.

c) Temperatura minima de preincalzire specificata in procedura de sudare si in testele de fabricatie va fi mentinuta pe timpul sudarii de prindere si pana la terminarea sudurii.

d) Temperatura maxima intre straturi va fi de 2600C.e) Sudura va consista in aplicarea unui strat de fund, urmata de

straturi de revenire(cu efect de tratament termic de revenire) sau strat de revenire. Amplasarea stratul de fund si stratul altern de revenire pentru sudurile de colt sunt prezentate in figura Fig 7 IWA- 4652.4-2.

f) Nu este necesar tratament post sudare.

Fig 7 IWA- 4652.4-2 2. Polizarea virfului sudurii

Polizarea virfului cordonului de sudura se va face de-a lungul liniei de intersectie dintre cusatura si materialul de baza, atit pentru imbinarile dintre tevi ( Imbinari in T, Y sau K ) cit si pentru imbinarile de colt dintre table. Scule recomandate pentru acest procedeu sunt freze deget de mare viteza cu pietre cu carburi de Wolfram. Raza la virf a sculei trebuie sa fie in conformitate cu grosimea tablei asa cum se arata in tabelul 1.

Tabel 1Grosimea tablei

<20 20-29 30-39 40-49 50-64 65-79 80-99 100-119 120-149 150-180

Raza frezei

5 6 10 8 12 16 18 20 25 30

Aceste raze sunt minimul recomandat; marimi mai mari sar putea sa fie mai mai benefice.Polizarea se va face la un minim de adancime de 0,8-1,0mm sub suprafata tablei sau 0,5-0,8 sub cea mai adanca subtaietura vizibila la o adancimea totala de 2mm sau 5% din grosimnea tablei, care dintre este mai mica. Axa frezei trebuie sa fie aproximativ la 450 fata de placa principala(figura). Unghiul axei frezei va fi la maximum 450 fata de directia de mers pentru a asigura ca urmele polizari sunt perpendiculare pe linia degetului de sudura(paralel cu oboseala). Sfarsitul sudurilor longitudinale

supuse la oboseala necesita ingrijire speciala pentru a avea efect. Trecerea finala trebuie sa fie usoara pentru a obtine o buna suprafata de sfarsit. Se va verifica vizula cu pulberi magnetice si lichide penetrante pentru eventuale subtaieri sau discontiunuitati ramase.

Figura 8 Polizarea degetului sudurii

3.Detensionare prin ciocanire si deformare plastica

Detensionarea prin ciocanire se aplica la otelurile cu rezistenta la rupere de 800MPa si o grosime mai mare de 10 mm. Falcile ciocanelor de fier ar trebui sa aiba varfuri sferice cu diametre intre 6-12mm. Amprenta in otelul moale( rezistenta la rupere pana la 250 MPa) ar trebui sa fie de aproximativ 0,5mm ; i otelul cu o rezistenta medie (cu rezistenta de

rupere intre 250-450 MPa) 0,25 mm ; si in otelurile cu rezistenta inalta(rezistenta la rupere intre 450 si 800 MPa) 0,1 mm. Aceste adancimi sun aproximativ cu 4 faze de ciocanire . Sudura va fi verificata vizual si cu pulberi magnetice si lichide penetrante cu prioritate la ciocanire. Beneficiile detensionarii prin ciocanire sunt derivate prin introducerea unei tensiuni reziduale ; desi este critic sa se asigure ca nu se va face nimic care sa cauzeze eliminarea tensiunilor(tratament termic post sudare) dupa detensionarea prin ciocanire. Iarasi, detensionarea prin ciocanire si deformare plastica ar trebui aplicat cand imbinarea este sub sarcina de lucru.

Figura. 10. Detensionarea prin ciocanire si deformare plastica

4.Retopire WIG

Consista in retopirea metalului sudurii la o adancime de aproximativ 2 mm dealungul degetului sudurii fara a se aduga material de ados. Suprafata de sudare va fi curatata de rugina, tunder si zgura. Varful electrodului trebuie sa fie ascutit si curat. Varful trebuie sa se afle la 0,5 pana la 1,5mm fata de degetul suduri(figura). Unde duritatea a zonei

influentate termic poate cauza proble , se poate utiliza o tehnica modificata folosind o trece de revenire.

Figura. 9. Retopire WIG

5. Polizarea virfului sudurii combinata cu detensionare prin ciocanire si deformare plastica

Polizarea degetului sudurii urmata de o detensionare prin ciocanire si deformare plastica stopeaza fisurarea la oboseala si rata propagarii fisurilor.Astfel, pentru suduri critice, aceasta tratament combinat ofera rezistente superioare la fisurarea prin oboseala. Suprafata de suduri va fi verificata vizula si cu pulberi magnetice pentru discontinuitati la suprafata datorate deformari palstice. Dupa deformarea plastica se va face un control vizula dupa fiecare trecere.

VI Concluzii

- In cazul structurilor nesudate exista rezistenta la oboseala σ0

- Existenta unei suduri duce la micsorarea rezistentei la oboseala a piesei chiar daca sudura este de buna calitate si nu modifica fluxul liniilor de forta din piesa respective- In cazul sudurilor de colt solicitate gigaciclic la vibratii stationare ( peste 107 cicluri de solicitare ) din cadrul centralelor nucleare nu mai este valabila curba lui Wohler. Toate sudurile au fisuri preexistente- radacina sudurii este cea mai susceptibila de aparitia fisurilor in cazul solicitarilor ciclice deoarece in zona radacinii cordonului de sudura ( punctul B ) atit efortul unitar normal cit si cel tangential au valoarea maxima.

- Se impune astefel necesitatea reabilitarii sudurilor de colt convexe in suduri de colt concave folosind tehnicile prezentate anterior.

Bibliografie

1. NEWMAN, A. , Schveisstechnishes Hanndbuch fur Konstrukteure. Vol I si III, Berlin, VEB Verlag Technik, 1960 si 1963. Vol. I: Grundlagen, Festigkeit und Gestalung. Vol. III: Mashinen und Kesselbau.

2. RATIU M. D., HAU G. , Suitability for steady- state vibrations of piping fillet welds- a fracture mechanics approach.

3. MADDOX, S.J. , Fatigue strength of welded structures. Second Edition, 1992, Abington Publishing.

4. MADDOX, S.J. , International efforts on fatigue of welded construction. Welding and Metal Fabrication, december 1992.

5. COMMISSION IIW WORKING GROUP 2, Improovement Techniques. Proposed IIW Specification for Weld Toe Improovement by Hammer Peening and Burr Grinding 1993.

6. MADDOX, S.J. , Improoving the Fatigue Performance of Welded Joints, TWI, Cambridge, England.

7. ASME B&PVCode 2004- Section XI-Fig. IWA- 4652.4-2.