Efectul deformaţiilor reziduale asupra preciziei dimensionale
1 Cauzele abaterilor de formă şi dimensionale
Respectarea formelor şi dimensiunilor din proiect la execuţia construcţiilor sudate este dificilă din cauza preciziei scăzute a semifabricatelor cât şi a abaterilor admise la o serie de operaţii din fabricaţie, dar mai ales a deformaţiilor remanente şi secundare.
Prima grupă de cauze se rezolvă mai simplu prin creşterea preciziei semifabricatelor şi a operaţiilor de asamblare şi sudare, adică o execuţie mai îngrijită şi mai atentă a construcţiei.
În ceea ce priveşte prevenirea deformaţiilor la sudare şi considerarea influenţei deformaţiilor secundare asupra preciziei construcţiei sudate sunt necesare măsuri speciale la asamblare şi sudare a căror deficienţă trebuie să fie verificată de calculeă
Pentru a se asigura precizia construcţiei sudate, trebuie să se aibă în vedere mărimea deformaţiilor la sudare în faza de asamblare a elementelor construcţiei. Adică, asamblarea construcţiei să se facă cu abateri de la dimensiunile proiectului egale cu mărimea la care construcţia se deformează în procesul de sudare.
În concluzie, cauza principală care provoacă abateri de la dimensiunile reale ale construcţiei sunt deformaţiile remanente. Deformaţiile remanente nu pot fi evitate, deoarece ele constitue o urmare naturală a procesului de sudare, dar se pot reduce la valori minime sau chiar anulate prin măsuri speciale. Încovoierea elementelor construcţiei îngreunează asamblarea şi modifică condiţiile de funcţionare ale construcţiei în exploatare, iar scurtările longitudinale pot fi mult mai simplu compensate printr-o abatere pozitivă a componentelor.
Determinarea prin calcule a deformaţiilor de sudare în procesul de proiectare a construcţiilor sudate permite să se facă o apreciere comparativă a diferitelor variante de soluţii constructive, atât din punct de vedere al preciziei lor, cât şi al procedeelor tehnologice de sudare necesare şi a succesiunii operaţiilor de asamblare şi de sudare. Apariţia deformaţiilor la sudare este însoţită de formarea tensiunilor remanente, interior echilibrate, care la rândul lor provoacă deformaţii
secundare.
Deformaţiile secundare sunt ca urmare a apariţiei deformaţiilor plastice locale şi a modificării echilibrului forţelor interioare. Apariţia tensiunilor secundare se utilizează pentru îndreptarea construcţiilor.
În concluzie, precizia construcţiei sudate depinde de mulţi factori a căror influenţă este stabilită prin calcule care ţin seama de deformaţiile la sudare.
2. Deformarea la sudare a construcţiilor sudate
Formarea eforturilor unitare reziduale proprii îmbinărilor sudate, pot fi provocate, de cele mai multe ori, de una, două sau mai multe cauze care pot acţiona succesiv sau simultan cum ar fi:
- deformaţii plastice uniforme;
- deformaţii structurale sau de fază;
- deformaţii termoplastice.
După cauzele care produc deformaţiile reziduale ale construcţiilor sudate, şi după modul de deformare al construcţiei, acestea se împart în:
- deformaţii termice libere, nu conduc la forţe interioare şi nici la deformarea reţelei
cristaline;
- deformaţii elasto-plastice, determinate de forţe interne, acestea caracterizează condiţiile de rezistenţă şi de rupere a pieselor sudate;
- deformaţii mixte, determinate de acţiunea combinată a temperaturii şi a forţelor interioare. Dacă notăm T-deformaţia termică, -deformaţii elastice, m- deformaţii mixte, şi ca urmare
a cauzelor care le generează putem scrie:
m = T +
deci = m - T (3.49) Daca se are în vedere faptul că:
T = T0 şi T = R/EA (3.50)
unde: R - forţa de legătură; EA- rigiditatea elementelor sudate, atunci sunt cunoscute cauzele care
produc deformarea elementelor sudate, ale construcţiei:
1. T0 > R/EA, deformarea construcţiei este determinată de acţiunea termică şi;
2. T0 < R/EA, deformarea construcţiei este determinată de acţiunea forţelor interne. Modificarea formei geometrice a construcţiei sudate se datorează deformaţiilor reziduale
clasificate astfel:
- deformaţii generale, când deformarea construcţiei şi modificarea dimensiunilor unui element, are loc pe toate direcţiile şi în tot volumul. Sunt des întâlnite la construcţiile sudate executate din piese cu grosimi diferite.
- deformaţii locale, produc modificarea dimensiunilor sau deformarea unei părţi a construcţiei sudate.
Pentru controlul şi îmbunătăţirea calităţii construcţiilor sudate trebuie luate o serie de măsuri pentru reducerea deformaţiilor conform schemei din figura 1:
Conform schemei rezultă pentru rezolvarea problemei legate de deformarea construcţiilor sudate, trei condiţii:
1. optimizarea procedeelor de sudare şi a procedurilor de execuţie;
2.stabilirea de normative raţionale pentru acceptarea deformaţiilor;
3.dezvoltarea de tehnici de execuţie, pentru minimizarea sau înlăturarea deformaţiilor cum ar fi de exemplu ordinea de sudare a elementelor în formarea construcţiei.
Deformaţii Procedee de minime sudare cu
deformaţii
minime
Probleme ale Standarde pentru
Deformării deformaţii acceptabile
Îmbunătăţirea căilor de înlăturare a deformaţiilor
Îmbunătăţirea metodelor de analiză şi control a deformaţiilor
Fig. 1 Schema reducerii deformaţiilor la sudare
O influenţă ridicată asupra modului de deformare a constucţiilor sudate, pe lângă temperatura de sudare, o are şi viteza de încălzire şi răcire la sudare.
Variaţia deformaţiei reziduale în raport cu temperatura şi viteza de deformare atinsă în cazul
diverselor regimuri de sudare se arată în figura 2.
În figura 2, zona I corespunde temperaturilor ridicate şi vitezelor mici de deformare, deformaţiile reziduale apărute sunt prin difuzie, adică se produc pe suprafaţa cristalelor şi conduc la ruperi fragile, figura 3.3.
zona II, zona temperaturilor joase, deformaţiile reziduale se produc prin alunecare, deci prin deplasarea ireversibilă a planelor cristalografice, iar ruperea materialului este tenace, figura 3.
zona III, zona în care deformaţiile prin difuzie şi alunecare se manifestă în mod egal, iar ruperea materialului se poate realiza după forme combinate ductil şi fragil. Figura 3 arată formele de rupere funcţie de temperatura şi viteza de deformare(de sudare) a materialului construcţiei sudate şi corelate cu zonele din figura 2.
Zona de fragilizare la roşu, în care materialul se poate rupe fragil, zonaIII, este plasată în domeniul deformaţiilor plastice mixte.
Procesul de formare a deformaţiilor elasto-plastice la sudare depinde de natura materialului, de gabaritul pieselor, de ciclul termic, de natura şi mărimea solicitărilor exterioare, de regimul de sudare, de tipul rostului etc.
Fig 2 Variaţia deformaţiei în raport cu Tº şi Vs
Fig. 3 Tipuri de rupere funcţie de Tº şi Vs
3. Efectul deformaţiilor reziduale asupra calităţii construcţiilor sudate
Prezenţa eforturilor unitare reziduale în construcţiile sudate, interior echilibrate, constituie un pericol permanent pentru calitatea acestora, deoarece, orice încărcare exterioară, conduce la deformaţii suplimentare care afectează condiţiile tehnice ale structurii. Dimensiunile şi formele geometrice stabilite prin proiectul de execuţie al construcţiei nu pot fi respectate strict din mai multe cauze ca:
- abateri dimensionale şi de formă ale semifabricatelor utilizate;
- tensiuni reziduale existente în semifabricate;
- deformaţii termice la sudare;
- procese metalurgice la sudare.
Deformaţiile elasto-plastice dezvoltate într-o îmbinare sudată funcţie de dimensiunile
elementelor îmbinării sunt analizate în figura 4.
Fig. 4 Deformaţii elasto-plastice la sudare
Din figură se constată că odată cu creşterea lăţimii pieselor, b=20..180mm din oţel carbon obişnuit, rigiditatea îmbinării creşte, ceea ce face ca deformaţia elasto-plastică şi deformaţiile reziduale de contracţie să crească.
Rezultatele experimentale au stabilit că o influenţă considerabilă asupra acestora o are şi
regimul de sudare, figura 5.
În figura 5.a energia liniara esta relativ redusă, încălzirea plăcii pe lăţime poate să fie neuniformă, ceea ce conduce la deformaţii plastice termice. Dacă se foloseşte un regim mai intens, încălzirea plăcii poate fi suficient de uniformă, ceea ce conduce la o zona deformată plastic mult mai redusă sau la anularea acesteia, figura 5.b.
Se poate întâmpla şi fenomenul invers la sudarea cap la cap a unor placi de lăţime mijlocie. Mărimea energiei liniare El utilizată la sudare poate să crească zona deformaţiilor plastice, figura
5.d şi să crească deformaţiile reziduale. În comparaţie cu cazul regimurilor coborâte de sudare,
figura 5.c.
Fig 5 Influenţa lăţimii pieselor asupra deformaţiilor
Deformaţiile elasto-plastice locale, care determină mărimea eforturilor unitare reziduale, depind în mică măsură de regimurile de sudare folosite.
În figura 5.e,f se dau rezultatele cercetărilor experimentale pentru determinarea mărimii deformăţiilor elasto-plastice, în funcţie de lăţimea componentelor.
După cum reiese din figura 5.e, în cazul, când lăţimea elementelor este foarte mică, deformaţiile elasto-plastice în zona cusăturii sunt extrem de mici şi în unele cazuri(când lăţimea plăcii este de 20mm) au semnul minus. Pe măsură ce lăţimea creşte, mărimea deformaţiilor elasto- plastice în zona cusăturii creşte şi ea.
După cum reiese din figura 5.f, valoarea contracţiei longitudinale a plăcilor mai depinde şi de dimensiunile lor geometrice. Plăcile cu lăţime mai mică pot să dea o contracţie ceva mai redusă în comparaţie cu plăcile de lăţime mijlocie; mărimea lăţimii plăcilor peste o anumită limită duce la o micşorare a contracţiilor longitudinale provocate de aplicarea cusăturilor.
Deformaţiile locale conduc la modificarea echilibrului anterior al forţelor interioare. Deformaţiile reziduale la sudare sunt cauzate, în principal, de deformaţiile şi contracţiile termice longitudinale şi transversale.
Din cauza rigidităţii mari a elementelor de sudat tensiunile reziduale pe direcţia longitudinală capăta valori mari deci, abaterile dimensionale şi de forma geometrică pe această direcţie sunt mari. Dilatările şi contracţiile termice transversale, datorită rigidităţii reduse se manifestă liber, ceea ce conduce la abateri de formă şi geometrice mai mari în raport cu cele longitudinale.
În concluzie, relaţiile analitice pentru stabilirea deformaţiilor reziduale se stabilesc în ipo
- Teacher: Gabriel GARLEANU