201202_PSpaw.pdf
36 Przegląd sPawalnictwa 2/2012
Jacek Słania
usuwanie odkształceń spawalniczych
elimination of welding distortions
Dr hab. inż. Jacek Słania, prof. IS– Politechnika
Częstochowska.
Streszczenie
Tematem artykułu jest prostowanie na zimno i na
gorąco elementów spawanych. Przedstawiono rozkład
naprężeń przy prostowaniu na zimno, a także założe-
nia technologiczne do prostowania metodą miejscowe-
go nagrzania elementów długich, przekrojów złożonych
i płaszczyzn wybrzuszonych. omówiono wpływ materia-
łu, źródła ciepła i temperatury miejscowego nagrzewania
na proces usuwania odkształceń. Zaprezentowano tech-
nikę prostowania przez miejscowe nagrzanie oraz rodza-
je stref nagrzewania. Zamieszczono praktyczne przykła-
dy prostowania płomieniowego elementów spawanych.
Abstract
There was the straightening of welded elements
shown (both with and without pre-heating). The stress
distribution at cold straightening was presented. The-
re were technological assumptions for straightening by
means of local heating of long elements described. The
authors presented the influence of material, heat source
and the temperature of local heating on the process of di-
stortion removal. The techniques of straightening by lo-
cal heating and the types of heat zones were described.
Examples of flame straightening of welded elements were
given.
Wstęp
nawet przy bardzo starannej analizie rodzaju i wiel-
kości odksz tałceń, wywołanych skurczem spawalni-
czym, i zastosowaniu odpowie dnich środków zarad-
czych, mogą powstać zmiany kształtu i wymiarów ele-
mentów, które utrudniają lub uniemożliwiają zestawie-
nie ich w większy zespół, czy też w całość. Zachodzi
zatem często konieczność usuwania skutków skur-
czu przez prostowanie [1]. Prostowanie elementów lub
części odkształconych podczas spawania albo przed
spawaniem wykonuje się bądź na zimno – mechanicz-
nie, lub przez miejscowe podgrzewanie. Ponieważ w
obydwu wypadkach w prostowanym elemencie po-
wstają duże naprężenia i odkształcenia plastyczne, za-
biegi takie wywierają pewien wpływ na właściwości wy-
trzymałościowe materiału. Przy prostowaniu długich
elementów najczęściej chodzi o usunięcie krzywizny
w jednej lub dwóch płaszczyznach wzajemnie prosto-
padłych, rzadziej – o wyprostowanie elementów skrę-
conych śrubowo. W elementach płaskich o dużych wy-
miarach płaszczyzn dąży się do wyprostowania wy-
brzuszeń i miejscowych wypukłości [2].
Prostowanie na zimno
Prostowanie na zimno polega na stosowaniu ta-
kiego obciążenia elementu siłami zewnętrznymi zgi-
nającymi, które wywołają w materiale odkształcenia
trwałe. W ten sposób prostuje się zazwyczaj długie
elementy o małym momencie bezwładności i małym
przekroju poprzecznym. Aby powstały odkształcenia
trwałe, w przekroju muszą działać naprężenia na gra-
nicy plastyczności. na skutek odkształceń plastycz-
nych na zimno w materiale zmieniają się właściwo-
ści plastyczne, co dla materiałów o podwyższonej
wytrzymałości, a małym wydłużeniu, jest zjawiskiem
niekorzystnym. w elementach spawanych warun-
ki są jeszcze gorsze, gdyż najczęściej siły zewnętrz-
ne przy prostowaniu muszą wywołać naprężenia
Rys. 1. Schemat naprężeń przy prostowaniu: a) na zimno, b) z pod-
grzewaniem miejscowym [2]
Fig.1. Distortion scheme at: a) cold straightening, b) local heating [2]
37Przegląd sPawalnictwa 2/2012
wewnętrzne tego samego znaku, co istniejące w ele-
mencie naprężenia ze skurczu strefy spawania. Wsku-
tek tego prostowanie na zimno czasem może spowo-
dować znaczne zmiany właściwości plastycznych ma-
teriału, co pogarsza spawanie, gdy prostowanie będzie
wykonywane przed procesem. Podczas prostowaniu
elementów spawanych w strefie spawania mogą po-
wstać pęknięcia (rys. 1).
Z tych względów odkształcenia plastyczne przy pro-
stowaniu na zimno nie powinny przekraczać wydłu-
żeń odpowiadających granicy plastyczności materiału,
tj. 2%. Ponieważ w materiale nie powinny być całkowi-
cie wyczerpane właściwości plastyczne, należy ogra-
niczyć wielkość wydłużeń trwałych do 1%. Wychodząc
z tych założeń, można ustalić dopuszczalne wielkości
krzywizn, jakie mogą być prostowane na zimno.
Przy spawaniu wiotkich prętów nastąpi ich skrzy-
wienie w przybliżeniu po łuku koła o promieniu r
(rys. 2). Długość łuku po stronie rozciąganej L1 można
obliczyć na podstawie przyjętego wydłużenia plastycz-
nego i przy założeniu płaskich przekrojów, ze wzoru
L1 = L + 0,01 L = (1 + 0,01) L (1)
najmniejszy promień krzywizny oblicza się z zależ-
ności geometrycznych:
2)
r + 0,01r = r + e1 (2a)
(2b)
Przy odkształceniach elementu, których promień
jest mniejszy od 100e1 lub 50 h, prostowanie musi być
wykonywane na gorąco. na gorąco powinny być rów-
nież prostowane elementy załamane lub mające miej-
scowe zakrzywienia o bardzo małych promieniach.
Jeszcze gorsze skutki wywołuje prostowanie na zim-
no uderzeniami, przy których następuje miejscowy zgniot
materiału. W tym przypadku zachodzą bowiem miej-
scowe zmiany strukturalne, pogarszające właściwości
mechaniczne materiału. W przekroju o większym mo-
mencie bezwładności i większej sztywności powinny być
przyłożone bardzo duże siły, aby element naprostować.
Prostowanie na zimno wybrzuszeń w blachach jest trud-
ne ze względu na sprężynowanie większej płaszczyzny.
Dlatego prostowanie za pomocą miejscowego nagrzewa-
nia, które jest znacznie łatwiejsze do przeprowadzenia,
ma duże zastosowanie [2].
Prostowanie metodą
miejscowego nagrzewania
Technicznie najprostszym i najbardziej racjonal-
nym sposobem prostowania jest lokalne nagrzewanie
za pomocą palnika acetylenowo-tlenowego. Skutecz-
ność oraz nieszkodliwość tej metody dla pro stowanego
elementu zależy od pewnych podstawowych reguł,
omówio nych niżej. Podgrzewanie stosuje się również
przy prostowaniu odkształconej konstrukcji [1].
Prostowanie pewnych określonych miejsc od-
kształconego elementu za pomocą podgrzewania po-
lega również na wywoływaniu trwałych odkształceń.
W wyniku ogrzewania miejscowego materiału, w wa-
runkach ograniczonej możliwości wydłużenia stre-
fy przyległej, powstają w tych miejscach naprężenia
ściskające i plastyczne skrócenia materiału. Po osty-
gnięciu nagrzanych miejsc tworzą się naprężenia we-
wnętrzne rozciągające, które powodują odkształcenia
elementu, podobnie jak naprężenia własne przy spa-
waniu. w porównaniu do prostowania na zimno od-
kształcenia plastyczne przy prostowaniu za pomocą
podgrzewania powstają wówczas, gdy materiał ma wy-
soką temperaturę. odkształcenia trwałe powstają więc
w strefie nagrzania na skutek sztywności elementu
i bardzo dużej plastyczności materiału nagrzanego
w tej temperaturze. Gdy temperatura nagrzania nie
przekracza 720°C, w miejscu nagrzania nie występują
zmiany strukturalne, w przeciwieństwie do prostowania
na zimno. Po ostygnięciu w elemencie spawanym po-
zostają naprężenia o znaku przeciwnym do znaku na-
prężeń własnych ze spawania. Jednak na skutek do-
datkowego nagrzewania wprowadza się do elementu
prostowanego dodatkowe naprężenia własne, których
ujemne skutki są takie same, jak naprężeń powstają-
cych przy spawaniu. Przy nagrzewaniu należy więc dą-
żyć do warunków sprzyjających tworzeniu się odkształ-
ceń w tej strefie. nagrzewać należy na większej szero-
kości ze stopniowym rozkładem temperatury. W żad-
nym wypadku nie należy sztucznie (np. wodą) przy-
spieszać studzenie miejsc ogrzanych.
Elementy prostowane podgrzewa się przeważnie
zwykłymi palnikami gazowymi stosowanymi do spa-
wania lub palnikami ze specjalną końcówką. niekiedy
w celu wyprostowania elementu układa się spoinę łu-
kiem po stronie wypukłej, nagrzewając w ten sposób
odpowiednie miejsca na konstrukcji. Prostowanie za
pomocą dodatkowych spoin nie jest wskazane, gdyż
Rys. 2. odkształcenia plastyczne przy prostowaniu na zimno [2]
Fig. 2. Plastic distortion at cold straightening [2]
38 Przegląd sPawalnictwa 2/2012
podczas procesu następują zawsze zmiany struktural-
ne w strefie spawania, a naprężenia na osi spoiny osią-
gają bardzo duże wartości przy silnej koncentracji. na-
tomiast przy podgrzewaniu gazowym strefa nagrzania
jest znacznie szersza, dzięki czemu siłę potrzebną do
wyprostowania elementu uzyskuje się przy mniejszych
naprężeniach dodatkowych.
Aby wyprostować długie elementy, wygięte łukowo
na skutek spawania, podgrzewa się je po stronie wy-
pukłej, w kilku miejscach na płaszczyznach o kształ-
cie trójkąta (rys. 3). Strefa nagrzana powinna sięgać
poza środek przekroju. W przekrojach złożonych miej-
sca nagrzewania należy ustalać w taki sposób, żeby po
wyprostowaniu elementu w jednej płaszczyźnie nie na-
stąpiło wygięcie w drugiej. Przy prostowaniu wybrzu-
szonych powierzchni blach podgrzewa się wiele punk-
tów równocześnie po stronie wypukłej (rys. 3c). Punk-
ty nie powinny być zbyt małe, żeby nie wywołać du-
żej koncentracji naprężeń, które w takich wypadkach
będą przestrzenne. Również cienkie sfalowane blachy
nagrzewa się w wielu punktach, wywołując w nich na-
prężenia rozciągające [2].
Znacznie trudniejsze jest prostowanie odkształco-
nych konstrukcji przestrzennych, dla których należy
przeanalizować sposób wprowadzenia naprężeń do-
datkowych, żeby ustalić miejsca podgrzewania. Pro-
stowanie konstrukcji przez podgrzewanie wymaga,
również jak przy spawaniu, opracowania technologicz-
nego. w pracach spawalniczych w wielu wypadkach
jest konieczne ustalenie temperatury przedmiotu – np.
przy wyżarzaniu miejscowym, przy podgrzewaniu lub
prostowaniu. najpewniejszym środkiem jest oczywi-
ście pomiar temperatury za pomocą termometrów lub
termoelementów.
Istota procesu
Każdy proces prostowania wymaga albo wydłuże-
nia miejsca, które jest za krótkie, albo skrócenia miej-
sca, które jest za długie w prostowanym elemencie.
Przez skracanie lub wydłużanie trze ba doprowadzić
materiał lokalnie do płynięcia, czyli do przekroczenia
jego granicy plastyczności. Przy prostowaniu przez na-
grzewanie płomieniem stosuje się skurcz, który po na-
grzaniu miejsca zbyt wydłużonego ma spowodować
jego skrócenie [1].
Temperatura miejsca nagrzanego
Miejsce nagrzewane powinno osiągnąć temperatu-
rę, przy której metal jest całkowicie plastyczny, tzn. dość
miękki, aby naprężenia ściskające, wywołane rozsze-
rzaniem się w miejscu nagrzewania, za nikły i nie działa-
ły na otaczający chłodny metal. W tym celu należy osią-
gnąć temperaturę wiśniowego żaru (rzędu 900°C), nie
więcej jednak niż 1000°C (żar pomarańczowy) z uwagi
na niebezpie czeństwo rozrostu ziarna. nagrzewać nale-
ży szybko, tak aby jak najprędzej uplastycznić miejsca
nagrzewane i ograniczyć do minimum odpływ ciepła do
meta lu sąsiadującego, który powinien pozostawać chłod-
ny i w ten spo sób przeciwstawiać się rozszerzaniu [1].
Wpływ materiału
Bez żadnych ograniczeń można prostować elemen-
ty ze stali niskowęglowej, mającej duże wydłużenie, ale
zastosowanie tego zabiegu na elementach ze stali sto-
powych wymaga ostrożności, Trzeba dobrze analizować
powstałe już odkształcenia, zanim podejmie się decyzję
o prostowaniu. Stan dostawy stali wpływa na skutecz-
ność zabiegu w ten sposób, że stal normalizowana pod-
daje się skurczowi w nieco mniejszym stopniu niż stal
w stanie surowym (tj. bezpośrednio po walcowaniu) [1].
Źródło ciepła
najbardziej przydatnym źródłem ciepła jest palnik
acetylenowo-tlenowy, dzięki wysokiej temperaturze pło-
mienia, a zatem i dużej prędkości nagrzewania. Do pro-
stowania blach cienkich (do 3 mm) należy dobierać wy-
dajność palnika tak samo jak do spawania, tj. średnio
100 l/h acetylenu na 1 mm grubości. Dla blach grub-
szych wydajność powin na być 2÷3 razy większa w sto-
sunku do wydajności, jaką wyb rałoby się do spawania
blach danej grubości. na przykład dla grubości 10 mm
przewiduje się do spawania wydajność palnika rzędu
1000 l/h, czyli do prostowania blachtej grubości nale-
żałoby użyć nasadki o wy dajności ok. 2000÷3000 l/h.
Palnik przeznaczony do podgrzewania złączy przy spa-
waniu ma wydajność 1600÷4000 l/h, nadaje się za tem
również do prostowania przez nagrzewanie dla blach
śred niej grubości (do ok. 20 mm) [1].
Technika prostowania
przez nagrzewanie
Zabieg jest prosty, lecz wymaga uwagi i metodycz-
ności w postępowaniu:
– należy starannie wyznaczyć odkształcenia, które
zamierza się usunąć, stosując napięty drut, liniały
itp. do wytrasowania granic odkształceń na elemen-
cie i ustalenia ważności,
Rys. 3. Prostowanie za pomocą miejscowego nagrzania: a) elemen-
tów długich, b) przekrojów złożonych, c) płaszczyzn wybrzuszonych [2]
Fig. 3. Straightening by means of local heating: a) of long elements,
b) complex intersection heating, c) of bulge plane [2]
39Przegląd sPawalnictwa 2/2012
– każda strefa musi znajdować się tylko w obszarze
odkształconym i nie wolno powtarzać nag rzewania
w tym samym miejscu; gdyby np. okazało się, że
pot rzebne są dodatkowe strefy, należy je wybrać
w miejscach sąsiadujących z poprzednimi strefami,
– kształt stref nagrzewania (opisanych niżej) powi-
nien odpowiadać spodziewanemu efektowi,
– liczba stref nagrzewania zależy od wielkości od-
kształcenia, usta lenie jej wymaga doświadczenia,
należy zatem wykonywać zabieg stopniowo, tzn. le-
piej jest wprowadzać strefy dodatkowe, jeżeli po-
czątkowy wynik był niewystarczający, niż „przegiąć”
element wskutek zastosowania zbyt dużych, czy
zbyt licznych stref nagrzewania,
– element nagrzewany powinien mieć swobodę pro-
stowania się, wszel kie zamocowanie może albo ha-
mować efekt skurczu, albo go wzma gać, fałszując
przewidywane skutki nagrzewania, należy zatem
w razie konieczności uwolnić element z zamocowania,
nawet jeś li by to oznaczało wycięcie jakiejś spoiny,
– jeżeli element uległ odkształceniom złożonym
i wymaga prostowa nia w dwu lub więcej płaszczy-
znach, należy kolejne zabiegi pros towania wykonać
oddzielnie dla każdej płaszczyzny,
– skutki nagrzewania należy sprawdzać po całkowi-
tym wystygnięciu elementu [1].
Rodzaje stref nagrzewania
Strefom nagrzewania nadaje się zwykle kształ-
ty geometryczne zestawione na rysunku 4. Wielkość
wybranego kształtu zależy od wielkości odkształce-
nia, w obszarze którego wszystkie strefy mu szą się
mieścić. należy przy tym pamiętać o ewentualności
do datkowego nagrzewania, gdyby po pierwszej ope-
racji prostowanie nie było całkowite, strefy nie mogą
więc być zbyt duże, ani zbyt gęsto rozmieszczone [1].
Wybór stref nagrzewania
Strefy nagrzewania wybiera się zależnie od charakte-
ru odkształ cenia i od przekroju elementu prostowanego.
Zasady wyboru stref nagrzewania dla kształtowników lub
belek złożonych o podobnym przekroju, odkształconych
w jednej płaszczyźnie, pokazano na ry sunku 4 [1].
Sposoby zwiększenia
skuteczności zabiegu
W szczególnych przypadkach można zwiększyć
skuteczność zabiegu nagrzewania przez:
– przyspieszone stygnięcie stref nagrzanych za pomo-
cą powietrza sprężonego lub wody, dzięki czemu efekt
nagrzewania jest bardziej skupiony – sposób ten znaj-
duje zastosowanie głównie przy prostowaniu więk-
szych powłok z cienkich blach (np. pudeł wagonu);
Rys. 4. Kształty stref nagrzewania [1]
Fig. 4. Shapes of heating zones [1]
Rys. 5. Prostowanie kształtowników przez nagrzewanie [1]
Fig. 5. Straightening of sections by heating [1]
nagrzewanie elementu w kształcie klina należy rozpoczynać od wierz-
chołka do odstawy klina. Cyfry oznaczają kolejność nagrzewania. Ta
sama cyfra odniesienia do dwu miejsc nagrzewania oznacza, że miejsca
te należy nagrzewać jednocześnie. Strzałki oznaczają kierunek, w którym
nagrzewany element wyprostuje się pod wpływem nagrzewania.
Kątowniki
Ceowniki
Teowniki
Dwuteowniki
Punkty cieplne (blachę obciążyć)
Pierścienie cieplne
(okrągłe lub owalne)
Wstęgi cieplne
Kliny cieplne
Kombinacje stref nagrzewania.
Wstęga i pierścień
(usztywnione płyty)
Wstęga i klin (kształtowniki)
40 Przegląd sPawalnictwa 2/2012
– hamowanie rozszerzania się przy podgrzewaniu;
jak wiadomo, podczas nagrzewania rozszerzający
się metal wywoła począ tkowo odkształcenie w kie-
runku odwrotnym do od kształcenia końcowego po
ostygnięciu – przeciwstawiając się temu odkształ-
ceniu; można wywołać lokalne spęczenie co zwięk-
szy efekt skurczu podczas stygnięcia, spo sób ten
stosuje się zwykle łącznie ze sposobem prostowa-
nia blach cienkich; przez zaciśnięcie ich między
dwiema pły tami z otworami, przez które odbywa się
nagrze wanie palnikami i chłodzenie (rys. 6a), moż-
na go też użyć na elementach grubszych przez ich
zamocowanie (rys. 6b);
– spęczenie mechaniczne stref nagrzanych (młot-
kowaniem itp.), które może być użyte wyjątkowo
i pod ścisłą kontrolą temperatury zabiegu [1].
Przykłady
Dwuteownik wysokości 425 mm, długości 10,2 m
i masie 1060 kg z wycięciem w dwu płaszczyznach.
Wygięcie 30 mm z płaszczyzny półki usunięto
przez nagrzewanie pięcioma strefami z kombinacji kli-
nowo-wstęgowej, stosując jednocześnie dwa palniki.
nagrzewanie każdej ze stref trwało 4 min, a przebieg
prostowania był następujący:
strefa 1 – zmniejszyła wygięcie o 12 mm (z 30 na 18 mm),
strefa 2 – zmniejszyła wygięcie o 8 mm (z 18 na 10 mm),
strefa 3 – zmniejszyła wygięcie o 3 mm (z 10 na 7 mm),
strefa 4 – zmniejszyła wygięcie o 4 mm (z 7 na 3 mm),
strefa 5 – zmniejszyła wygięcie o 3 mm (z 3 na 0 mm).
Wymiary stref wynosiły ok. 250x40 mm. Stygnięcie
trwało 2 h.
Wygięcie 20 mm z płaszczyzny środnika usunię-
to przez nagrzewanie 3 strefami klinowo-wstęgowymi,
również przy jednoczesnym użyciu dwu palników. na-
grzewanie każdej ze stref o wymiarach 50x70 mm
trwało 2 min, a stygnięcie 1 h.
Dwuteownik szerokopasmowy IP18 długości
3,80 m z silnym wygięciem 70 mm z płaszczyzny pół-
ki (rys. 8).
Wygięcie usunięto dziewięcioma strefami klinowo-
wstęgowymi o wymiarach 140x40 mm. Dwuteownik
był zamocowany i obciążony. Przebieg prostowania był
następujący:
strefy 1 i 2 – zmniejszyły wygięcie o 24 mm (z 70 na
56 mm),
strefy 3 i 4 – zmniejszyły wygięcie o 23 mm (z 56 na
33 mm),
strefy 5, 6, 7 – zmniejszyły wygięcie o 24 mm (z 33 na
9 mm),
strefy 8 i 9 – zmniejszyły wygięcie o 9 mm (z 9 na 0 mm).
W obu przypadkach należy zwrócić uwagę na
rozmieszczenie i kolejność nagrzewania (pozostawio-
ne miejsca między strefami).
Podsumowanie
w artykule przedstawiono podstawy teoretyczne
prostowania na zimno i prostowania płomieniowego
na gorąco. omówiono również od strony praktycznej
kolejność postępowania przy prostowaniu na gorąco.
Przedstawiony sposób postępowania oraz zamiesz-
czone przykłady praktyczne mogą być pomocą przy
opracowywaniu technologii prostowania płomienio-
wego. należy jednak pamiętać o zweryfikowaniu do-
świadczalnym przedstawionych zasad postępowania
przed ich wprowadzeniem do praktyki.
Literatura
[1] Juffy E.: odkształcenia spawalnicze. Wytyczne obliczania
i usuwania. Biuro Studiów i Projektów Konstrukcji Stalowych
MoSToSTAL, Warszawa 1962.
[2] Śledziewski E.: Technologiczne plany spawania. Podstawy
projektowania. PWT, Warszawa 1957.
Rys. 7. Prostowanie dwuteownika [1]
Fig. 7. Straightening of I-section [1]
Rys. 8. Prostowanie dwuteownika [1]
Fig. 8. Straightening of I-section [1]
a) b)
Rys. 6. Prostowanie blach przez nagrzewanie: a) blach cienkich,
b) blach grubych [1]
Fig. 6. Straightening of sheets by: a) sheet metal heating, b) metal
plate heating [1]