PS 4 2016 WWW HR.pdf 23PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 4/2016 Badania połączeń spawanych   poddanych wahadłowemu zginaniu Investigation welded joints subjected to oscillatory bending Mgr inż. Janusz Lewandowski; dr hab. inż. Dariusz Rozumek, prof. nzw. PO; dr Maria Hepner – Politechnika Opolska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: d.rozumek@po.opole.pl Streszczenie W pracy zaprezentowano wyniki badań próbek z pachwino- wym złączem spawanym, wykonanych ze stali S355, podda- nych wahadłowemu zginaniu. Badania przeprowadzono przy stałej wartości amplitudy momentu i współczynnika asymetrii cyklu z częstotliwością obciążenia wynoszącą 28,4 Hz. Prób- ki posiadały koncentrator naprężeń w postaci zewnętrznego, dwustronnego karbu i pachwinowych złączy spawanych. Słowa kluczowe: spawanie; zginanie; wzrost pęknięć zmę- czeniowych; struktura Abstract The paper presents the results of tests on specimens of fillet welded joint, made of steel S355 subjected to oscilla- tory bending. Tests were performed at a constant amplitude of moment and stress ratio at a frequency of 28.4 Hz load. Specimens had a stress concentrator in the form of external bilateral notch and fillet welds. Keywords: welding; bending; fatigue crack growth; structure Wstęp Projektowanie bezawaryjnych i bezpiecznych urządzeń technicznych w różnych gałęziach przemysłu ma ogrom- ne znaczenie. Wiedza z zakresu wytrzymałości materiałów a tym bardziej trwałości zmęczeniowej, inicjacji i rozwoju pęk- nięć umożliwia tzw. bezpieczne podejście do konstruowania i budowy urządzeń technicznych. Najczęściej stosowanymi połączeniami nierozłącznymi w przemyśle są połączenia spawane. Niezależnie od rodzaju połączeń czy sposobu ich wykonywania w trakcie eksploatacji badacze prowadzący okresowe badania wykrywają pęknięcia zmęczeniowe. Autorzy postawili sobie za cel opis rozwoju pęknięć zmę- czeniowych w pachwinowych złączach spawanych ze spo- inami wklęsłymi i wypukłymi wykonanych ze stali S355, pod- danych wahadłowemu zginaniu. Przygotowanie próbek do badań Próbki do badań wykonano ze stali S355. Kształt oraz wy- miary badanych próbek, litej oraz z wklęsłym złączem spa- wanym, pokazano na rysunku 1. Próbki wykonane zostały z pręta ciągnionego o średnicy Ø30 mm, z którego wykonano dwa rodzaje elementów skła- dowych próbek (rys. 2), połączonych następnie dwustron- nymi spoinami wklęsłymi lub wypukłymi. Złącza spawane wykonano ręcznie metodą TIG w osłonie argonu. Dodatko- wo w czasie spawania podawano drut spawalniczy o ozna- czeniu W-42-2-W2Sil zgodnie z PN-EN 1668 [1]. Teoretyczny współczynnik kształtu karbu wyznaczono dla próbki litej Janusz Lewandowski, Dariusz Rozumek, Maria Hepner zgodnie z równaniem podanym w pracy [2], który dla ob- ciążeń zginających wynosi αK = 1,38. Na rysunku 3 przed- stawiono gotowe próbki do badań ze spoinami wklęsłymi i wypukłymi. Rys. 1. Kształt i wymiary próbek: litej i z wklęsłą spoiną pachwinową Fig. 1. The shape and dimensions of the specimens: the solid and with fillet weld (concave connector welded) Próbki wykonane zostały z pręta ciągnionego o średnicy Ø30 mm, z którego wykonano dwa rodzaje elementów skła- dowych próbek (rys. 2), połączonych następnie dwustronny- mi spoinami wklęsłymi lub wypukłymi. Złącza spawane wy- konano ręcznie metodą TIG w osłonie argonu. Dodatkowo w czasie spawania podawano drut spawalniczy o oznaczeniu przeglad Welding Technology Review 24 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 4/2016 W-42-2-W2Sil zgodnie z PN-EN 1668 [1]. Teoretyczny współ- czynnik kształtu karbu wyznaczono dla próbki litej zgodnie z równaniem podanym w pracy [2], który dla obciążeń zgi- nających wynosi αK = 1,38. Na rysunku 3 przedstawiono go- towe próbki do badań ze spoinami wklęsłymi i wypukłymi. Rys. 2. Elementy składowe badanych próbek Fig. 2. Components test specimens Rys. 3. Próbki do badań ze spoinami wklęsłymi i wypukłymi Fig. 3. The test specimens: with a concave and convex welded joint Stanowisko do badań Badania przeprowadzano na maszynie zmęczeniowej MZGS-100 przy zginaniu i wartości współczynnika asy- metrii cyklu R = - 1 [3]. Jednostronnie utwierdzone próbki, poddano cyklicznemu zginaniu stałą amplitudą momentu Ma = 9,20 N•m, co odpowiadało nominalnej amplitudzie na- prężenia normalnego σa = 383 MPa przed pojawieniem się pęknięcia. Rozwój pęknięć obserwowano metodą optyczną na powierzchni próbek. Przyrosty pęknięć zmęczeniowych mierzono za pomocą mikrometru cyfrowego umieszczone- go w mikroskopie przenośnym o powiększeniu 25x z dokład- nością 0,01 mm, notując jednocześnie liczbę cykli obciąże- nia N. Badania na zginanie prowadzone były z częstotliwości obciążenia 28,4 Hz. Moment wywoływano siłą na ramieniu o długości 0,2 m. Wyniki badań i ich analiza Pomiary twardości Na wybranych losowo próbkach przeprowadzono badanie twardości metodą Vickersa HV01, zgodnie z PN-EN 1043-1 [4]. Kryterium akceptacji była różnica pomiędzy twardością złącza, a materiału rodzimego, która nie może przekraczać 100 HV. Na rysunku 4 pokazano wykres zmienności warto- ści twardości w zależności od położenia punktu pomiarowe- go. Widać, że w materiale rodzimym twardości utrzymywały swoje wartości na podobnym poziomie. W strefie wpływu ciepła (SWC) widoczne są silne wahania wartości twardości. Następnie przechodząc do materiału spoiny zaobserwowa- no, że wartości te ulegają stabilizacji (nieznaczne wahania punktów pomiarowych). Obserwacje strukturalne Na rysunku 5 przedstawiono strukturę materiału badanej próbki litej ze stali S355. Materiał charakteryzuje się drob- noziarnistą strukturą ferrytyczno–perlityczną wykazującą drobne równoosiowe ziarna ferrytu oraz bardzo drobny perlit w układzie pasmowym. Perlit odznacza się bardzo drobną strukturą płytkową z częściową koagulacją cementytu. Rys. 4. Pomiary twardości z podziałem na strefy Fig. 4. Hardness measurements with divided into zones Rys. 5. Struktura materiału rodzimego (powiększenie 500x) Fig. 5. The structure of the base material (magnification 500x) Na rysunku 6 przedstawiono strukturę materiału próbki ze spoiną zarówno wklęsłą jak i wypukłą. W spoinach oby- dwóch rodzajów próbek zaobserwowano budowę dendry- tyczną z ziarnami w układzie Widmanstattena (rys. 6a). W SWC występuje gruboiglasta struktura martenzytu i ba- initu górnego w układzie Widmanstattena, struktura bainitu dolnego, drobnoziarnista strefa normalizowana (powstała przy nagrzaniu materiału rodzimego powyżej A3), strefa czę- ściowo przekrystalizowana, charakteryzująca się niejedno- rodną wielkością ziarna o stosunkowo dużych ziarnach fer- rytu i znacznie rozdrobnionych ziarnach perlitu (rys. 6b-6e). Badanie pęknięć zmęczeniowych Na rysunku 7a przedstawiono przykładową fotografię ini- cjacji rozwoju pęknięcia zmęczeniowego próbki litej. Głów- ne pęknięcie ma charakter nieregularny i przebiega zarówno po granicach ziaren jak i transkrystalicznie poprzez ziarna. Zmiana kierunku pęknięcia najczęściej zachodzi w pasmo- wych wydzieleniach perlitu. Obserwuje się również nielicz- ne, krótkie pęknięcia boczne inicjowane w pasmach perlitu (rys. 7b). Na rysunku 8a przedstawiono fotografię inicjacji rozwoju pęknięcia zmęczeniowego próbki ze spoiną wklęsłą. Pęknię- cie inicjowane było w dnie karbu w obszarze gruboiglastej struktury martenzytycznej i na całej swojej długości charak- 25PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 4/2016   a)   b)   c)   e)  d) Rys. 6. Struktura złącza spawanego (powiększenie 500x): a) budo- wa dendrytyczna z ziarnami w układzie Widmanstattena, b) struk- tura martenzytu i bainitu górnego w układzie Widmanstattena, c) struktura bainitu dolnego, d) strefa normalizowana, e) strefa czę- ściowo przekrystalizowana Fig. 6. The structure of the parent material (solid specimens) (ma- gnification 500x): a) the dendritic structure with grains in system Widmanstattena, b) the structure of martensite and upper bainite in system Widmanstattena, c) the structure of lower bainite, d) nor- malized zone, e) zone partially recrystallized teryzowało się nieregularnym przebiegiem, tworząc liczne „uskoki”, często wzdłuż igieł martenzytu (rys. 8b). Pęknięcie zasadniczo rozwija się w kierunku prostopadłym do kierunku największych naprężeń normalnych. Przebiega ono w zróż- nicowanej strukturze: martenzytycznej, bainitycznej oraz w strefie normalizacji. W tej ostatniej propagacja pęknięcia miała charakter bardzo regularny. Od pęknięcia głównego obserwuje się w obszarze struktury martenzytycznej i ba- initycznej odchodzące rozgałęziające się pęknięcia boczne. Na rysunku 9a przedstawiono fotografię inicjacji roz- woju pęknięcia zmęczeniowego próbki ze spoiną wypukłą. Pęknięcie główne inicjowane było w dnie karbu na linii wto- pienia i przebiegało prostopadle do kierunku największych Rys. 7. Pęknięcie zmęczeniowe próbki litej przy cyklicznym zgina- niu: a) inicjacja, b) struktura (powiększenie 200x) Fig. 7. Fatigue cracks in the solid specimen in cyclic bending a) ini- tiation, b) structure (magnification 200x)   a)   b) Rys. 8. Pęknięcie zmęczeniowe próbki litej przy cyklicznym zgina- niu: a) inicjacja, b) struktura (powiększenie 200x) Fig. 8. Fatigue cracks in the solid specimen in cyclic bending a) ini- tiation, b) structure (magnification 200x)   a)   b) naprężeń normalnych (rys. 9b). Od pęknięcia głównego od- chodzą liczne krótkie pęknięcia boczne. Następnie pęknię- cie główne przebiegało w strefie struktury normalizowanej i na tym etapie nie obserwowało się pęknięć bocznych.   a)   b) Rys.  9.  Pęknięcie zmęczeniowe próbki ze spoiną wypukłą przy cyklicznym zginaniu: a) inicjacja, b) struktura (powiększenie 200x) Fig. 9. Fatigue cracks in the specimen with a convex connector we- lded in cyclic bending a) initiation, b) structure (magnification 200x) Podczas badań zaobserwowano, że inicjacja i rozwój pęk- nięć występowały z jednej strony próbki (z góry lub z dołu), a po pewnym okresie propagacji rozwój pęknięć występował również z drugiej strony (rys. 7-9). Na rysunku 10 przedsta- wiono przykładowe krzywe długości pęknięć zmęczenio- wych w funkcji liczby cykli dla otrzymanych wyników badań. Na podstawie rys. 10 można zauważyć, że najmniejsze trwa- łości zmęczeniowe miały próbki ze spoiną wypukłą. Inicjacja pęknięć (0,10 mm) następowała przy 67000 cykli. Dalszy roz- wój pęknięcia następował dość szybko i przy liczbie 74000 cykli próbka uległa zniszczeniu. W próbce ze spoiną wklęsłą po 44500 cykli zaobserwowano pęknięcie o długości 0,15 mm. Rozwój pęknięcia następował z mniejszą prędkością, w porównaniu do rozwoju pęknięcia próbki ze spoiną wypu- kłą. Przy liczbie cykli 77500 próbka została zniszczona. Próbka lita wykazała największą trwałość zmęczeniową w porównaniu do próbek spawanych. Inicjacja pęknięcia (0,10 mm) wystąpiła po 85000 cykli i była wyższa niż w próbkach spawanych. Rozwój pęknięcia następował w szybszym tem- pie niż próbki ze spoiną wklęsłą ale w porównywalnym tempie do próbki ze spoiną wypukłą, a przy liczbie 98000 cykli prób- ka została zniszczona. Różnica w trwałości pomiędzy próbką z materiału litego, a próbką ze spoiną wklęsłą była większa o 31000 cykli (46%). Różnica w trwałości pomiędzy próbką z materiału litego, a próbką ze spoiną wypukłą była większa o 24000 cykli (32%). Widać więc, że przy tych samych badanych przekrojach i zastosowanym obciążeniu różnice są wyraźne. Rys.  10.  Długości pęknięć zmęczeniowych w funkcji liczby cykli dla próbek poddanych zginaniu Fig. 10. Fatigue crack length versus number of cycles for the speci- mens subjected to bending 26 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 4/2016 Literatura [1] PN-EN 1668:2000 Materiały dodatkowe do spawania -- Pręty, druty do spawania łukowego w osłonach gazów elektrodą wolframową stali nie- stopowych i drobnoziarnistych oraz ich stopiwa – Klasyfikacja. [2] Kocańda S., Szala J., Podstawy obliczeń zmęczeniowych, PWN, Warsza- wa 1985, s. 276. [3] Rozumek D., Macha E., Opis rozwoju pęknięć zmęczeniowych w materia- łach sprężysto-plastycznych przy proporcjonalnym zginaniu ze skręca- niem, Politechnika Opolska, Opole 2006, s. 196. [4] PN-EN 1043-1:2000 Spawalnictwo -- Badania niszczące metalowych złą- czy spawanych -- Próba twardości -- Próba twardości złączy spawanych łukowo. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań połączeń spawanych poddanych wahadłowemu zginaniu sformułowano nastę- pujące wnioski: – Inicjacja pęknięć zmęczeniowych we wszystkich badanych próbkach rozpoczynała się w miejscu największej koncentra- cji naprężeń. – Największą trwałość wykazały próbki wykonane z litego materiału. Ich trwałość w porównaniu do próbek ze spoinami wklęsłymi była wyższa o 32%, a w porównaniu do próbek ze spoinami wypukłymi była wyższa o 42%. – Najmniejsze prędkości wzrostu pęknięć zmęczeniowych wykazały próbki ze spoinami wklęsłym. – Próbki z litego materiału oraz próbki ze spoinami wypukłymi wykazywały podobne prędkości wzrostu pęknięć zmęczenio- wych ale trwałości ich były różne.