Tens. Remanente in Constr. Sudate

Cercuri stiințifice studențești 2014

Tensiuni remanente în construcții sudate

PROF. ÎNDRUMATOR: BERCEA MIHAI

Boroș Marian

Dancă Ana

Dolhăscu Adrian

Gavriluța Mădălina Maria

Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi din Iaşi

1 Tensiuni remanente in constructii sudate

Cuprins 1.Cauzele formării tensiunilor remanente și efectele lor........................................................................ 2

2.Metode pentru determinarea tensiunilor remanente ......................................................................... 6

3.Determinarea tensiunilor remanente în construcții sudate ................................................................ 7

3.1 Factorii care infuențează apariția tensiunilor remanente la sudare ............................................. 7

3.2 Influența materialului de bază și a materialului de adaos aspura formării tensiunilor remanente

............................................................................................................................................................. 7

3.3 Influența metodelor de sudare asupra tensiunilor remanente .................................................... 8

3.4 Influența regimului de sudare ....................................................................................................... 9

3.5 Influența dimensiunilor și a formei pieselor ............................................................................... 11

4. Efectele tensiunilor remanente în produse metalice ........................................................................ 12

5. Măsuri și procedee pentru prevenirea și reducerea deformațiilor și tensiunilor remanente .......... 12

5.1 Prevenirea tensiunilor printr-o succesiune corectă a operațiilor de sudare .............................. 13

5.1.1 Pretensionarea sau deformările elastice în sens opus ............................................................. 14

5.1.2 Deformarea plastică în sens opus ............................................................................................ 15

5.1.3 Îndreptarea prin încălzire locală a pieselor deformate în urma sudurii ................................... 15

6. Concluzii............................................................................................................................................. 16

7. Bibliografie ......................................................................................................................................... 16

http://www.tuiasi.ro/



1.Cauzele formării tensiunilor remanente și efectele lor

Tensiunile remanente sunt cunoscute ca fiind tensiunile existente intr-un corp solid, aflat la o

temperatura uniforma, in absenta oricaror solicitari exterioare (forte, cupluri sau acceleratii). Acestea

determina formarea unui sistem de forte in echilibru, atat local cat si global, fiind in general dificil de

evaluat; rezulta de aici caracterul ascuns, inselator al acestora.

Tensiunile remanenete sunt prezente in majoritatea materialelor si pieselor, dupa elaborare,

prelucrare si tratament. Ele „traduc” istoria metalurgica si mecanica a fiecarui punct si a ansamblului

unei piese in cursul fabricarii sale. Complexe prin natura lor, tensiunile remanente au facut obiectul a

numeroase studii pentru a le defini cat mai bine, a le analiza, masura, prevedea printr-o modelare si

o simulare numerica, a determina si prevedea efectele lor asupra comportarii materialelor si a

pieselor, a optimiza in mod corespunzator procesele tehnologice etc.

Tensiunile remanente pot fi clasificate in functie de :

a) Cauzele care le generaeza;

b) Volumul de material in care se autoechilibreaza;

c) Orientarea lor spatiala.

Originile diverse ale tensiunilor remanente pot fi grupate in trei mari categorii dupa cum se

poate observa din figura 1.1.

Fig.1.1 Originile tensiunilor remanente

Intr-un punct al unei piese supusa la o solicitare mecanica sau terminca vor lua nastere

tensiuni remanente daca dupa suprimarea solicitarii, elementul de volum din jurul punctului nu

poate sa revina la „starea de repaus”, altfel spus, daca deformatiile susceptibile de a conduce la

aceasta stare toate punctele presei, nu sunt „compatibile” intre ele.

Intr-o manera mai precisa, solidul este supus unui camp de deformatii permanenete care nu

verifica ecuatiile de compatibilitate ale mecanicii solidelor. In acest caz, corpul trebuie sa fie in mod

necesar sediul unor deformatii aditionale, astfel ca deformatia rezultata sa fie compatibila. Starea de

Mecanica

Termica

Metalurgica




tensiuni asociata acestor deformatii complementare este o stare de tensiune autoechilibrata, ce

constituie tocmai campul tensiunilor remanente.

Exista asadar trei cauze principale care condul la aparitia tensiunilor remanente:

Deformatiile plastice neuniforme care apar in cazul supraincarcarii organelor de

masini si structurilor, in urma prelucrarilor mecanice ori prin presare la rece,

tratamente mecanice s.a (indepartare, matritare, autofretare, alicare, rulare) sau

existenta unei incompatibilitati mecanice intre diferitele componenete ale

materialelor compozite, intre strat si substrat in cazul depunerilor, intre

componentele ceramice sau compozite si aliajele metalice asamblate prin

termocompresiune sau prin brazare etc.

Existenta unui gradient termic ce determina depasirea limitei de elasticitate ca

urmare a modificarilor de volum sau lungime (este cazul tensiunilor remanente ce

apar la sudarea pieselor, la operatiile de forjare si laminare, a tensiunilor remanente

din piesele bimetalice supuse variatiilor de temperatura, a celor rezultate in urma

prelucrarilor mecanice cu regimuri intense de aschiere etc.) sau a unei

incompatibilitati termice (coeficienti de dilatare termica diferiti) intre diferite volume

ale materialului piesei.

Modificarile locale de volum si de densitate produse de transformarile alotropice

(schimbarile de faza metalurgica) si modificarile locare de structura ce apar de

exemplu in urma sudarii, a unor tratamente termice si termochimice, a depunerilor

electrolitice de straturi metalice s.a.

Clasificarea tensiunilor remanente dupa orientarea lor spatiala:

a) Monoaxiale, cand se manifesta dupa o singura directie;

b) Biaxiale sau plane, cand actioneaza dupa diferite directii cuprinse in acelasi plan;

c) Triaxiale sau spatiale, cand actioneaza dupa toate directiile.

Prevederea calitativa a tensiunilor remanente generate este in general mult mai usoara si

permite sa apreciem daca tensiunile din stratul superficial sunt de intindere sau de compresiune si

daca in profunzime gradientul acestora este ridicat sau nu. Aceasta estimare calitativa se poate face

pe baza unrmatoarelor rationamente:

Tensiunile remanente sunt de semn opus tensiunilor care le-au generat (principiu

analog cu prrincipiul actiunii si reactiunii); trebuie deci sa putem prevedea actiunea

mecanica sau termomecanica a procesului care sta la originea formarii lor, operatie

ce nu este intotdeauna simpla;

Gradientul tensiunilor este cu atat mai ridicat cu cat procesele generatoare au o

actiune mai localizata spre suprafata.

Natura macroscopica a tensiunilor remaneente de ordinul I face sa li se poata aplica ecuatiile

fundamentale ale teoriei elasticitatii si, in particular, teorema suprapunerii efectelor. In consecinta,

daca o piesa este supusa unui camp de tensiuni remanente elastice, caracterizat de tensorul 𝜎𝑅 ,

peste care se suprapune un camp de tensiuni de functionare sau de serviciu definit de tensorul 𝜎𝑆 ,

atunci tensiunea reala la care va fi supusa piesa, va fi data de tensorul 𝜎𝑅 + 𝜎𝑆 , vezi figura 1.2.




Fig.1.2 Suprapunerea tensiunilor remanente si a tensiunilor de serviciu

Aceasta modificare a repartitiei tensiunilor este foarte importanta mai ales pentru starturile

superficiale unde, in general, se amorseaza cel mai adesea microfisurile de oboseala sau de coroziune

sub tensiune.

Efectul tensiunilor remanente poate fi favorabil, ca de exemplu atunci cand prin distributia

acestora maresc capacitatea portanta a elementului unei structuri mecanice sau atunci cand sunt de

compresiune si maresc durata de viata in exploatare a piesei, ori nefavorabil, in situatia cand sunt la

originea unor deformatii mari dupa fabricatie, a ruperiolor fragile, a unor fisuri sau crapaturi dupa

tratament termic, a micsorarii capacitatii portante sau a duratei de exploatare a produsuil, cazuri in

care se impun masuri pentru a le diminua. Comportarea in exploatare a pieselor si structurilor

mecanice poate fi influentata si de alti factori cum ar fi calitatea materialului din punct de vedere

structural, al compozitiei imperfectiunii in proiectarea piesei care pot fi la originea unor concentrari

de tensiuni foarte localizate s.a. Rezulta ca nu este totdeauna unsor de identificat, din ansamblul

factorilor potentiali, partea ce reprezinta influenta tensiunilor remanente asupra comportarii in

exploatare a pieselor. In figura 1.3 se prezinta principalele propietati ale materialelor care sunt

influentate de prezenta tensiunilor remanente.

Fig.1.3 Efecte potentiale ale tensiunilor remanente

Ten

siu

ni r

eman

ente

Rezitenta la oboseala

Ruperea

Coroziunea sub tensiune

Rezitenta la tractiune

Frecarea si uzarea

Aderenta depunerilor

Stabilitatea dimensionala




Tensiunile remanente joaca un rol esential asupra rezistentei la oboaseala mecanica si/sau

termica a materialelor. Ele pot fi considerate ca o tensiune medie sau statica peste care se suprapune

tensiunea ciclica. Prin urmare, o crestere importanta a rezistentei la oboseala poate fi obtinuta

optimizand distributia tensiunilor remanente din piesa.

Fig. 1.4 Generarea tensiunilor remanente de compresiune intr-un arc lamelar si efectul

acestora asupra capacitatii portante in exploatare

Tensiunile remanente de compresiune permit o deplasare favorabila a unui punct din

diagramele Haigh sau Goodman, dinspre zona periculoasa in zona de siguranta (figura 1.5). Aceasta

stare de tensiune se poate obtine in straturile superficiale ale pieselor prin tratamente mecanice,

tratamente termice superficiale sau tratamente termochimice. Din cercetarile experimentale

efectuate pentru diferite procedee de prelucrare si diferite tratamente aplicate rezulta ca, cu cat

tensiunile remanente de compresiune sunt mai importante cu atat rezistenta la oboseala creste.

Fig. 1.5 Utilizarea diagramei Haigh pentru a prevedea rezistenta la oboseala in prezenta tensiunilor

remanente, (𝜎𝑎- amplitudinea tensiunii, 𝜎𝑚- temsoimea medie a solicitarii de oboseala,

𝜎𝑅- tensiunea remanenta)




2.Metode pentru determinarea tensiunilor remanente

Tensiunile remanente sunt fundamental statice si multiaxiale, in echilibru in asbsenta

incarcarilor, frecvent avand aceiasi directie ca si ternsiunie principale produse de catre sarcini.

Evaluarea starii de ternsiuni remanente trebuie sa aiba ca scop final optimizarea proceselor

tehnologice si alegerea corespunzatoare a materialelor, luand in considerare aspectele tehnice si

economice ale modelarii comportarii unei piese sau ansamblu pe taota durata de fabricare si

exploatare.

Modelarea starii de tensiuni remanente este deosebit de complexa, deoarece trebuie sa tina

cont de numerosi factori, cum ar fi: natura materialului, parametrii proceselor tehnologice,

modificarile chimiostructurale, solicitarile mecanice, timpul, temperatura, etc.

In ultimele decenii au fost dezvoltate si perfectionate diverse tehnici calitative si cantitative

pentru determinarea tensiunilor remanente. Functiile de efectul pe care il au asupra pieselor testate,

distingem conventional urmatoarele categorii de metode:

Metode distructive;

Metode nedistructive;

Metode semidistructive.

Metodele distructive presupun indepartarea unor cantitati semnificative de material,

sectionarea totala sau partiala a piesei, astfel incat aceasta nu-si mai poate indeplini rolul functional

dupa testare. Ele se bazeaza pe factul ca in interiorul unui corp nesolicitat (fara incarcari exterioare)

tensiunile remanente sunt intotdeauna in echilibru. Prin sectionarea sau indepartearea de material

acest echilibru este perturbat si piesa se deformeaza. Masurand aceste deformatii se pot determina

tensiunile remanente in piese sau structuri. Aceste metode permit evaluarea tensiunilor remanente

atat in timpul proceselor tehnologice cat si dupa finalizarea acestora, stiut fiind ca ele genereaza

asemenea tensiuni. Principalul dezavantaj al aceste categorii de metode este acela al distrugerii

piesei asupra careia s-au facut masuratorile.

Metodele nedistructive nu presupun indepartarea de material, astfel incat funcitonarea piesei

nu e afectata. Evaluarea prin tehnici nedistructive a tensiunilor remanente din produse finite elimina

principalele dezavantaje ale metodelor distructive.

Metodele semidistructive presupun doar indepartarea unor cantitati mici de material, in

urma acestei operatii functionarea piesei nefiind practiv afectata.

Tensiunile remanente nu pot fi determinate in mod direct si de aceea ele trebuie evaluate

prin masurarea unor parametri fizici care sunt influentati de prezenta lor.




3.Determinarea tensiunilor remanente în construcții sudate

3.1 Factorii care infuențează apariția tensiunilor remanente la sudare

Tensiunile interne remanente care apar la sudare sunt repartizate spatial (fig.3.1), iar in cazul

in care placile sudate sunt subtiri, una din componente poate fi neglijata si astfel starea de tensiuni

este considerata plana.

Fig.3.1 Starea de tensiuni interne spatiala la imbinarea sudata

Dintre cauzele aparitiei tensiunilor se pot mentiona:

Distributia neuniforma a temperaturii in timpul sudurii;

Caracteristicile fizico-mecanice ale materialului piesei si ale materialului de adaos;

Parametrii regimului de sudare (𝑈𝑎, 𝐼𝑠, viteza de deplasare a electrodului, 𝑣𝑒);

Metoda de sudare (sudare electrica prin topire, cu fascicul de electroni, prin

presiune);

Forma si dimensiunile piesei sudate (profile, tevi, table), timpul imbinarii sudate (cap

la cap, in V, in Y, cu treceri multiple);

Starea de tensiuni existenta in piesa anterior sudarii (starea de tensiuni creata la

laminare, turnare, etc).

3.2 Influența materialului de bază și a materialului de adaos aspura formării tensiunilor

remanente

La sudare, marimea zonei incalzite este influentata de felul si invelisul electrodului. Electrozii

subtiri incalzesc zone inguste (peste 600℃) in timp ce electrozii grosi incalzesc zone intinse, iar

portiunea deformata este mai indepartata de axe sudurii. Se poate spune ca tipul electrodului

determina latimea zonei incalzite.

Un rol important in formarea tensiunilor remanente il au propietatile fizico-mecanice ale

materialului de baza, precum si variatia acestora cu temperatura, in timp ce caracteristicile

materialului depus influenteaza intr-o masura mai mica. Variatia modului de elasticitaet E si a limitei

de curgere 𝜎𝑐 cu temperatura duce la micsorarea acestor marimi. Astfel, functie de tipul materialului

vom avea diferite variante de repartitie a tensiunilor remanente in piese cu aceeasi forma si care au

fost sudate cu aceleasi medote de sudare. Cum sunt influentate tensiunile remanente de aceste

caracteristici vezi figura 3.2.




Fig.3.2 Influenta caracteristicilor fizico-mecanice ale materialului de baza asupra tensiunilor

remanente

3.3 Influența metodelor de sudare asupra tensiunilor remanente

Valoarea tensiunilor remanente si a deformatiilor produse este in stransa legatura cu

extinderea zonei ce s-a incalzit cu ocazia sudarii. Cu cat se incalzeste un volum mai mare de material

si cu cat temperatura este mai ridicata, cu atat tensiunile remanente, respectiv deformatiile vor fi

mai mari.

Fig.3.3 Concentrarea densitatii fluxului termic pentru diferite surse utilizate la sudare.

Fiecare procedeu de sudare este caracterizat prin marimi specifice trasnsmiterii caldurii cum

ar fi fluxul termic si densitatea fluxului termic (fig.3.3).

TENSIUNI

REMANENTE

-Temperatura de topire T

-Limita de curgere 𝝈𝒄

-Coeficientul de dilatare 𝜶

- Conductibilitatea termica 𝝀

- Modulul de elasticitate E

1. Flacara oxiacetilenica

2. Arc electric intre electorzi de carbune

3. Arc electric descoperit (𝑰𝒔 = 𝟏𝟏𝟎𝟎𝑨)

4. Arc electric descoperit (𝑰𝒔 = 𝟗𝟎𝟎𝑨)

5. Arc de plasma

6. Fascicul de electroni

7. Fascicul laser




Se poate spune ca diferitele procedee de sudare la acelasi tip de imbinare duc la valori

diferite ale tensiunilor remanente si ale deformatiilor si aceste valori sunt strans legate de valoarea

gradientului de temperatura produs.

In cazul sudarii cu flacara oxiacetilenica regimul termic este mult mai cald decat in cazul

sudarii cu arc electric. In ceea ce priveste gradientul de temperatura se poate spune ca el este mai

mic in cazul regimurilor mai calde, deoarece zona de incazire este mai extinsa. Astfel se paote spune

ca valorile tensiunilor remanente, respectiv a deformatiilor sunt mai mici decat la regimuri cu

gradiente de temperatura mai mari cum e cazul sudarii electrice.

Fig.3.4 Influenta lungimii sudarii si a metodei de sudare asupra repartitiei tensiunilor

remanente

Repartizarea tensiunilor depinde de modul de realizare a cordonului de sudura. In figura 3.4A

sunt prezentate epurele pentru suduri scurte (300mm), iar in figura 3.4B pentru suduri de 600mm.

Sagetile din desene indica sensul de sudare: in fig. 3.4A1 si A3 se indica formarea tensiunilor la o

sudare in pas de pelerin, iar in fig. 3.4B2 sunt prezentate tensiunile remanente la o sudura in salturi.

Se poate face observatia ca la inceputul si la sfarsitul cusaturii apar tensiuni mari de compresie

indiferent de procedeu.

3.4 Influența regimului de sudare

Procesul de incalzire in vederea sudarii reperzinta factorului cel mai important de care

depinde aparitia tensiunilor remanente. Acest factor este conditionat de parametrii regimului de

sudare: intensitatea curentului de sudare 𝑰𝒔 [A], tensiunea arcului 𝑼𝒂 [V], viteza de sudare 𝒗 [m/s]. Cu

aceste valori se poate define energia liniara data de raportul:

𝐸 = 𝑘𝐼𝑠 ∙ 𝑈𝑎

𝑣=

𝑃

𝑣 ⌊

𝐽

𝑚⌋

unde k este un factor geometric care depinde de forma imbinarii sudate iar P [1W=1J/s] reprezinta

puterea sursei de sudare.

Fiecare procedeu de sudare are caracteristic un ciclu termic. Acest ciclu cuprinde un regim

termic nestationar unde transferul de caldura de la sursa de sudare la placa nu se face instantaneu,

iar gradientul de temperatura se micsoreaza pe masura indepartarii de axa cordonului de sudura.

Temperaturile maxime nu sunt atinse simultan ci numai dupa o perioada de timp care este

proportionala cu distanta fata de cordon.

(3.4.1)




La sudarea tablelor groase se impune suprapunerea mai multor straturi succesive, aplicand

cusaturi lungi astfel incat primul strat sa se raceasca inainte de a incepe sudarea stratului urmator

(fig. 3.5).

!!!!FIG LIPSA

Fig. 3.5 Influenta diferitilor parametri de sudare asupra ciclului termic.

Curbele 1÷5 :sudare cu arc electric cu electrod invelit

Curba 6: sudare cu fascicul de electroni

La sudarea in mai multe straturi, condiitle termice cele mai defavorabile apar in cusatura si in

zona influetata termic (ZIT) in timpul depunerii primului strat. Aceasta se observa din fig. 3.6 si 3.7, la

care panta portiunii descendente a ciclului termic (viteza de racire) are valoarea cea mai mare pentru

stratul 1, puctul material 1.

Fig. 3.6 Ciclul termic la sudarea in mai multe straturi cu lungime mare

Fig. 3.7 Ciclul termic la sudarea in mai mult straturi cu lungime redusa.

La operatiile de sudare sunt zone puternic incalzite langa care se vor gasi zone reci sau mai

putin incalzite. Zonele calde de material vor antrena zonele mai reci, deformandu-le, motiv pentru

care in aceste zone apar tensiuni remanente.

Atata timp cat tensiunea care apare in zona incalzita este sub limita de proportionalitate, vor

apare doar deformatii elastice in zonele invecinate, iar cand tensiunile din zonele calde depasesc

limita de curgere vor aparea deformatii plastice sub forma de contractii.

La formarea tensiunilor remanente un rol important il au transformarile straucturale care au

loc la sudarea otelurilor, in special al celor aliate.




3.5 Influența dimensiunilor și a formei pieselor

Forma pieselor sudate influenteaza repratitia tensiunilor interne, deoarece de forma piesei

depinde si repartitia temperaturii (fig. 3.8).

Fig. 3.8 Influenta formei corpului asupra variatiei temperaturii

Pentru imbinari de table care au latime egala, repartitia deformatiilor si tensiunilor

remanente este riguros simetrica cu deformatiile elastice si plastice mari de tractiune in zona sudurii

si deformatii elastice de compresiune inspre margini.

Daca latimea tablelor creste, tensiunile de compresiune descresc si se repartizeaza uniform

pe latimea tablelor. Latimea mai mare a tablelor va reduce zone deformatiilor plastice, iar tensiunile

de compresiune descresc spre margini. La tablele foarte inguste sau la suduri inguste apar tensiuni de

compresie si intindere mici.

La suduri cu table de latimi inegale epurele nu mai sunt simpetrice.

Capatul tablei mai inguste sufera deformatii mari de compresiune ajungand uneori pana la

deformari plastice, in schimb capatul tablei mai late preia deformatiile de tractiune sau compresiune

mai scazute, in functie de raportul dintre cele doua latimi.

Fig. 3.9 Repartitia tensiunilor dupa pozitia cusaturii.

Pozitia cusaturii influenteaza marimea si repartitia tensiunilor. In fig. 3.9 I sunt prezentate

comparativ repartitiile tensiunilor pentru sudura pe mijloc (fig. 3.9 I 1), la un capat (fig. 3.9 I 2) si la

ambele capete ale tablei (fig. 3.9 I 3). Sudurile care se incruciseaza in diferite cazuri se indica prin

repartitiile prezentate in fig. 3.9 II 1,2,3.




Sudurile de colt se aplica pentru realizarea elementelor I, T si acestea provoaca aparitia unor

tensiuni remanente longitudinale cu o repartitie in sectiunea elementului conditionata de

dimnesiunile tablelor, in special de raportul dintre grosimile lor.

In talpa profilului apar tensiuni de compresiune, iar zona sudurilor este supusa unor eforturi

de intindere. Capatul liber al inimii suporta tensiuni de indindere daca grosimea lui este apropiata de

grosimea talpii, respectiv tensiuni ed compresiune la profile cu talpa mai groasa.

4. Efectele tensiunilor remanente în produse metalice

In produsul metalic deformatiile si tensiunile remanente au valori si semne diferite,

echilibrandu-se reciproc mentinand astfel integritatea produsului. Acest echilibru nu este un echilibru

stabil, deoarece orice actiune din exterior (solicitari din exploatare, prelucrari ulterioare) poate

induce noi tensiuni care se insumeaza algebric cu cele preexistente depasind rezistenta la rupere a

materialului.

Tensiunile remanente sunt periculoase datorita urmatoarelor aspecte care favorizeaza

ruperile fragile:

In imbinari formeaza varfuri de solicitare care, daca materialul nu este suficient de tenace

sau intre timp si-a pierdut-o , duc la aparitia de fisuri ce pot amorsa o rupere fragila; fisurile

se formeaza in zonele cu neomogenitati structurale, in zone cu concentratori de tensiuni;

In elementele sudate produc eforturi remanente de intindere ce favorizeaza propagarea unei

ruperi fragile care pot exista deja in imediata vecinatate a tensiunilor;

Micsoreaza resitenta la oboseala a materialului deoarece solicatirle externe se pot

suprapune peste tensiunile interne din material;

Daca valorile acestor tensiuni sunt mari, acestea pot provoca deformatii insemnate care pot

modifica configuratiile initiale ale pieselor;

Influenteaza foenomenul de coroziune fisuranta sub tensiune ducand la cresterea

sensibilitatii materialelor la aparitia acestui fenomen. Acest fenomen apare in cazul otelurilor

nealiate care lucreaza in medii corozive (caustice) sau chiar la otelurile aliate (inoxidabile)

care lucreaza in medii cu presiuni si temperaturi ridicate;

In imbinarea sudata produc stari biaxiale si triaxiale de intindere ce fac otelul casant.

5. Măsuri și procedee pentru prevenirea și reducerea deformațiilor și

tensiunilor remanente

In practica se urmareste diminuarea dupa sudare a tensiunilor remanente prin metode e

detensionare termica sau mecanica, sau impiedicarea aparitiei acestori prin masuri preventive (fig.5).

Intre deformatiile permanente si eforturile unitare remanente ce apar in constructii sudate

exista o legatura reciproca: energia neconsumata prin deformari pastice (permanente) se transforma

in tensiuni (eforturi unitare) remanente; deci daca se impiedica deformatiile vor apare tensiuni

remanente mari.




Se cunoaste faptul ca la constructiile sudate nu e posibil ca eforturile remanente, respectiv

deformatiile sa fie inalturate in intregime, dar intr-o anumita masura pot fi mentinute la valori mici

nepericuloase.

Fig. 5 Clasificarea masurilor preventive pentru impiedicarea aparitiei tensiunilor remanente

5.1 Prevenirea tensiunilor printr-o succesiune corectă a operațiilor de sudare

Cu cat o cusatura este mai scurta cu atat deformatiile si tensiunile interne vor fi mai reduse,

fapt pentru care in cazul cusaturilor lungi este necesar ca acestea sa fie executate pe portiuni de

100÷200 mm, stabilite in asa fel incat la fiecare portiune sa se consume un numar intreg de electrozi

in cazul sudarii manuale cu arc.

In cazul sudurilor scurte ( l<400 mm) sudarea se face intr-un singur sens de la un capat la

celalat al piesei.

In cazul sudurilor cu lungime medie ( l=400÷1200 mm) sudarea se face de la mijlocul sudurii

spre capete.

In cazul sudurilor cu lungime mare ( peste 1200 mm) sudarea se face in trepete inverse (pas

de pelerin); lungimea unei sectiuni este egala cu lungimea depusa cu un electrod (cca.

200÷350 mm)

La sudarea in mai multe straturi succesive se sudeaza in sensuri inverse, astfel incat sfarsitul

cusaturilor sa nu se suprapuna.

Masuri preventive pentru impiedicarea tensiunilor

remanente

deformari plastice anteriore

in sens opus

pretensionare

(deformari elastice anterioare)sudare in camp vibrator

preincalzire,

postincalzire

stabilirea ordinii de

aplicare a cusaturii




La sudarea din ambele parti, (fig. 5.1) randurile trebuie amplasate alternativ pe cele

douaparti astfel incat tensiunile si ca atare, deformatiile sa se echilibreze cat mai mult.

Fig. 5.1 Schema depunerii cordoanelor la sudarea tablelor groase

a- marginale in X; b- de colt

In general pentru diminuarea tenisunilor, a deformatiilor si a pericolului de fisurare trebuie

luate urmatoarele masuri:

Asigurarea unei libertati cat mai mari de miscare a elementelor ce formeaza

ansamblul;

Sudarea nodurilor tipice si sectiilor, in primul rand se vor suda imbinarile ce atrag

dupa sine contractia maxima a constructiei. Ca o regula generala, in cazul cand in

cadrul unui nod sau a unei sectii exita atat suduri cap la cap cat si suduri de colt,

primele suduri ce se vor executa vor fi cele cap la cap deoarece, acestea creaza dupa

sudare cele mai mari contractii, care pot aduce dupa sine deformatii peste limitele

admise, tensiuni interne a caror valori pot fi de asemeni foarte mari, dupa care se vor

executa sudurile de colt verticale, apoi cele orizontale;

Nervurile de rigidizare se sudeaza la sfarsit;

Se va evita intersectarea intr-un punct a mai multor suduri;

Sudarea alternativa de o parte si de alta a rostului;

Odata produse, deofrmatiile sudurilor pot fi eliminate prin calzire locala cu falcara si

indepartare mecanica. In cazul incalzirii cu flacara, in zonele incalzite se produce, din

cauza dilatatiei impiedicate, o scurtare a piesei.

5.1.1 Pretensionarea sau deformările elastice în sens opus

Incovoierea sau arcuirea componentelor inainte de sudare in directie opusa contractiei ce se

porduce dupa procesul de sudare este o metoda de pretensionare. Prin folosirea unor cadre si pene

de fixare se diminueaza deformatiile unghiulare care apar dupa sudare.

Pretensionarea apare in urma deformarii elastice a paterialului, realizata pe cale mecanica.

Astfel se introduc tensiuni de sens opus celor de la sudura. Epura repartitiei tensiunilor de la

pretensionare este foarte asemanatoare cu repartitia tensiunii la sudura.




5.1.2 Deformarea plastică în sens opus

Deformarea prealabila de sens contrar ce trebuie aplicata tablei sudate se poate stabili cu

relatia:

𝐶 =𝑎 ∙ 𝑏

30 ∙ 𝑡

In cazul unei grinzi imbinata prin suduri amplasate excentric (sudata la o margine), valoarea

sagetii cu care ramane grinda dupa racire este data de relatia:

𝑓 =𝑎2 ∙ 𝑙2 ∙ 𝑒

𝐾 ∙ 𝐼

unde a- grosimea cusaturilor, l- lungimea cusaturilor, e- distanta cusaturilor de la axa neutra a

sectiunii piesei, I- momentul de inertie al sectiunii piesei, K- coeficient termic egal cu 160 pentru

electrozi neinveliti, 90 pentru electrozi inveliti si 65 pentru suduri cu flacara.

Pentru ca grinda sa ramana dreapta dupa sudare este necesar sa primeasca o deformatie

prealabila plastica corespunzatoare, de sens contrar, care poate fi realizata fie pe cale mecanica, fie

prin incalzire cu flacara.

5.1.3 Îndreptarea prin încălzire locală a pieselor deformate în urma sudurii

Cea mai simpla metoda de indreptarea a pieselor deformate este indreptarea prin incalzire

cu flacara, procedeu care se aplica numai in cazul pieselor din otel cu un continut redus de carbon. In

acest caz indreptarea consta in realizarea unei incalziri locale, astfel condusa incat sa se asigure o

deformatie a piesei egala si de sens contrar cu cea suferita de piesa la sudare.

Prin incalzire la temperatura de 700÷800℃, regiunea incalzita tinde sa se dilate si fiinda

dilatarea este impiedicata materialul sufera o comprimare in stare plastica.

Modul de incalzire , loc si suprafata regiunilor incalzite trebuie stabilite de la caz la caz, in

functie de forma si dimensiunile piesei, astfel incat deformatia suferita de piesa, in urma incalzirii

locale, sa fie egala si de sens contrar cu deformatia la sudare.

Indreptarea cu flacara prezinta o serie de avantaje si se aplica foarte des deoarece:

Nu necesita instalatii speciale;

Se poate aplica la piese de orice forma si in oricare parte a acestora.

Daca procedeul nu este aplicat corespunzator si daca marimea zonei incazita nu e corect

stabilita, se pot introduce in piesele indeptate noi tensiuni remanente.

(5.1.2.1)

(5.1.2.2)




6. Concluzii

1. Prin tensiuni remanente se inteleg acele eforturi unitare care raman intr-un corp solid

elsastic, dupa ce se indeparteaza toate sarcinile exterioare produse de forte, cupluri si

aceleratii.

2. Tensiunile remanente intr-un corp solid si elastic se pot forma in trei feluri diferite:

Prin nepotriviri de dimensiuni la montaj;

Prin deformari plastice la rece;

Prin variatii de temperatura.

3. Pentru valori ridicate ale acestor tensiuni, deformatiile introduse apar sub forma de

contractii, deplasari, schimbari ale formei uneori insotite de fisuri.

4. In cazul imbinarilor sudate, aceste tensiuni apar atat in materialul depus cat si in materialul

de baza influentat termic; valoarea lor scade repede cu distanta de la cusatura de sudura.

5. Tablele sudate fiind de grosime mica, cu rigiditate scazuta, in timpul sudarii sufera o dilatare

care induce deformatii plastice in metalul neincalzit. Pe masura racirii contractia sudurii este

impiedicata, iar tensiunile remanente din zona invecinata sudurii, actioneaza ca tensiuni de

compresiune.

7. Bibliografie 1. C.C. Teodorescu, D.R.Mocanu, M.Buga, Imbinari sudate, Editura Tehnica, Bucuresti, 1967.

2. P.D Barsanescu, N. Amariei, Tensiuni remanente, Editura „GH. Asachi”, Iasi, 2003.

3. I. Boarna, V. Centea, C. Miklosi, Sudarea metalelor, Editura Tehnica, 1965.

4. V. Miklosi, L. Scorobetu, Bazele proceselor de sudare, Editura D.P, Bucuresti, 1993.

5. D.J Smith, N.W Bonner, Measurement of residual stresses in thick-section steel welds, Int.

Conf on Eng Integrity Assesment, Eng Mat. Adv. Serv. 1994, p.259-274.


Tens. Remanente in Constr. Sudate

Documents

Transcript of Tens. Remanente in Constr. Sudate