analiza naponskih stanja zavarenih …scindeks-clanci.ceon.rs/data/pdf/0354-7965/2012/... ·...

NAUKAISTRAŽIVANJERAZVOJ SCIENCERESEARCHDEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE, 1/2012, str. 13-19 13

Sead Avdić

ANALIZA NAPONSKIH STANJA ZAVARENIH KONSTRUKCIJSKIH ELEMENATA

STRESS ANALYSES OF THE WELDED CONSTRUCTION ELEMENTS

Originalni naučni rad / Original scientific paper UDK / UDC: 624.078.45.014.7

Rad primljen / Paper received: 13.01.2012.

Adresa autora / Author's address: Dr Sead Avdić, dipl. Ing. Institut za zavarivanje d.o.o. Tuzla, Hasana Brkića br.72, 75000 Tuzla, BiH. E-mail: [email protected]

Ključne reči: elementi konstrukcija, zavarivanje, mjerne trake - rozete, zaostali naponi, deformacije.

Keywords: construction elements; welding; strain gages-rosettes; residual stresses; deformations.

Izvod

U radu je data analiza zaostalih napona u zavarenim konstrukcijskim elementima, na bazi rezultata dobivenih mjerenjem i proračuna glavnih napona.

Zaostale napone od zavarivanja moguće je odrediti mjerenjem pomoću elektro-otpornih mjernih traka metodom bušenog otvora. Rezultate tih mjerenja moguće je porediti sa rezultatima dobivenim drugim metodama. Najčešće se za usporedbu postavlja matematički model gdje se vrši kompjutersko modeliranje i simulacija parametara zavarivanja.

Zaostala naponska stanja u konstrukcijskim dijelovima mogu izazvati štetne ali i povoljne posljedice na čvrstoću, zavisno od toga da li su naponi raspoređeni istosmjerno ili suprotnosmjerno. U svakom slučaju je za ocjenu ponašanja konstrukcijskog dijela prednost što je moguće tačnije poznavati zaostala naponska stanja.

Abstract

An analyses of the residual stresses in construction elements based on the measurement results and the main stresses calculation is given in this paper.

Residual stresses is possible to measure with electrical- resistance strain gages by drilled hole method. These results is possible to compare with other methods results. The most common way for the comparison is mathematical model setting where computer modelling and welding parameters simulation is covered.

Residual stresses in construction parts can initate detrimental but, also favorable consequences, depending on stress direction distribution ( same or opposite direction). In any case, for the assessment of construction part behavior the best is, to know state of residual stresses.

UVOD

Za vrijeme i nakon zavarivanja, termičkog rezanja ili žlijebljenja javljaju se zaostali naponi i deformacije. Nerijetko zaostali naponi, kao posljedica zavarivanja, nadilaze čvrstoću, što može rezultirati i lomom konstrukcije u području zavarenog spoja. Isti uzrok može biti i razlog za deformaciju konstrukcije, naponsku koroziju i td.

Zaostali naponi i trajne deformacije su povezani. Ako postoji mogućnost deformacije, zaostali naponi su manji i obrnuto, kad nisu omogućene deformacije (krutost konstrukcije) zaostali naponi su veći. Nisu iste kod svih konstrukcija i kod svih vrsta materijala. Ukoliko je konstrukcija jako ukrućena i masivna, neće biti deformacija, ali su jaki zaostali naponi. Ako je konstrukcija slobodnija a materijali manjih debljina dolazi do deformacija uz manje zaostale napone. Zaostale deformacije su različite. Veće su kod tanjih materijala, a manje kod debljih. Veće su kod visokolegiranih čelika, a manje kod nelegiranih konstrukcionih čelika. Veće su kod aluminijskih, a manje kod čeličnih materijala. Ne mogu se potpuno izbjeći ali se mogu odgovarajućim tehnološkim

mjerama smanjiti i većim dijelom otkloniti odnosno svesti u tehnički dopuštene.

Eksperimentalna analiza zaostalih napona rađena je na bazi rezultata mjerenja, metodom elektro-otpornih mjernih traka, na mjerno-pojačivačkom sistemu za mjerenje mehaničkih veličina. Za setovanje, prenos podataka i vizuelizaciju korišten je softwar „Catman Easy“ i sistem elektronskog mjerenja na PC (Spider 8). Tako su dobivene lokalne dilatacijske veličine ispitnih uzoraka u laboratorijskim uslovima. Na osnovu tih veličina vršeno je izračunavanje glavnih napona i njihovi pravci djelovanja (zaostali naponi).

EKSPERIMENT

Ispitivanje naponskih stanja metodom elektro-otpornih mjernih traka zasniva se na mjerenju relativnog omskog otpora u funkciji od promjene relativne dužine žičanog vodiča mjerne trake. Na osnovu podataka o promjeni relativnog omskog otpora pri naprezanju dolazi do promjene dilatacija na mjernom mjestu. Mjerenjem dilatacija na kritičnim mjestima u pravcu glavnih napona, te poznavajući osobine materijala od kojeg je element izrađen, koristeći jednačine teorije elastičnosti i automatsku obradu podataka, moguće je


14 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE, 1/2012, str. 13-19

izračunati naprezanja u materijalu na mjernim mjestima.

Oprema za rad i ispitivanje

Za ispitivanje naponskih stanja korištena je oprema:

- Spider 8, mjerno-pojačivački sistem za mjerenje mehaničkih veličina, univerzalnog tipa, u kućištu sa 8 kanala i sa mogućnošću povezivanja više uređaja međusobno;

- RESTAN, sistem za mjerenje zaostalih napona metodom bušenja otvora;

- 1-RY61-1,5/120S, elektro-otporne mjerne trake (rozete);

- 1-DAK-1, starter kit, pribor za aplikaciju mjernih traka;

- Catman Easy version 1.2, Software za setovanje uređaja, prenos podataka i vizuelizaciju;

- Namjenski kablovi za vezu između elektro-otpornih mjernih traka i mjerno-pojačivačkog sistema za mjerenje mehaničkih veličina i druga oprema.

- Mjerno-pojačivački sistem za mjerenje mehaničkih veličin

Slika 1: Mjerna traka ( rozeta ) 1-RY61-1,5/120S

Slika 2: Mjerenje zaostalih napona metodom elektro-otpornih mjernih traka

Slika 3: Mjerenje zaostalih napona metodom elektro-otpornih mjernih traka i bušenje na stonoj bušilici



Mjerenje zaostalih napona metodom elektro-otpornih mjernih traka

Mjerenje zaostalih napona metodom elektro-otpornih mjernih traka rađeno je na uzorcima izrađenim od CrNi čelika debljine 2 i 5 mm. Nakon pripremljenih uzoraka određena su mjerna mjesta koja približno odgovaraju čvornim mjestima iz mreže modela, te provedena kompletna procedura za spajanje mjerne trake (rozete) sa mjerno - pojačivačkim sistemom za mjerenje mehaničkih veličina (SPIDER 8). Uređaj je podržan sa Softwarom za setovanje, prenos podataka i vizualizaciju Catman Easy Version 1.2.

Na slikama 1-4 prikazana je priprema i mjerenje uzoraka. Nakon pripreme i mjerenja vrši se izračunavanje zaostalih napona i određivanje glavnih pravaca napona. Prilikom mjerenja zaostalih napona veoma je važno ispoštovati i provjeriti sljedeće: da li je mjerna traka (rozeta) ispravno zalijepljena i povezana sa kablovima, zatim se nuliraju svi kanali i startuje mjerenje.

Kroz rozetu se buši uzorak do određene dubine sa malim pritiskom i niskim brojem obrtaja, a nakon bušenja na uređaju se pojavljuje novo stanje dilatacija na trakama i na proračunskim kanalima. Tada se zaustavlja mjerenje i pristupa proračunu.

Slika 4: Softver za setovanje, prenos podataka i vizualizacija Catman Easy Version 1.2.

Testiranje sadrži sljedeće korake:

- Priprema uređaja koja se sastoji od kalibrisanja, pozicioniranja itd.

- Bušenja rupe

- Mjerenja

- Proračuna

Proračun glavnih normalnih napona za uzorak debljine 5 mm - B3.1

Vrijednosti dilatacija mjerne trake ( ) na uzorku B3.1 debljine 5 mm, prikazane su u tabeli 1.

Glavni normalni naponi 1 i 2 računaju se prema formuli:

gdje su:

E – modul elastičnosti mjerenog materijala,

A i B - konstante, koje mogu biti determinisane na sljedeći način:

2

0

1;

2 i

aA

r r

220

20

20

2

0

2

4

11

2

i

i

i rr

rrra

rr

aB

- Poissonov koeficient za mjereni materijal,

r0 – vanjski radijus mjerne mreže,

ri – unutarnji radijus mjerne mreže,

a – radijus bušenog otvora.

2 2

1,2 4 4a c c a a c b

E E

A B



Modul elastičnosti i Poissonov koeficient za CrNi čelik iznose:

E = 200000 N/mm2 ; = 0,3

Za bušeni otvor rozete tipa RY 61 vrijednosti r0 , ri i a iznose.

r0 = 3,3 mm , ri = 1,8 mm , a = 0,75 mm.

A i B su konstante koje zavise od veličine primijenjene rozete i izračunate su kao:

A = 0,04735 (1 + ) = 0,04735 ( 1 + 0,3 ) = 0,061555

B = 0,1894 – 0,01515 (1 + ) = 0,1894 – 0,01515 (1 + 0,3) = 0,169705

21 460, 285 /N mm

22 196,525 /N mm

Tabela 1: Vrijednosti dilatacija mjerne trake ( ) na uzorku debljine 5 mm – B3.1

CH [m/mm]

(1 mm)

a b c

Prije bušenja Poslije bušenja a= da - ra b = db - rb c = dc - rc

CH 1 (a) ra = -0,68 da = -1,15 -0,47

CH 2 (b) rb = -0,85 db=-211,4 -210,57

CH 3 (c) rc = -0,83 dc=-404,8 -403,97

Uglovi glavnih napona

Za primijenjenu rozetu RY 61 (0/45/90) formula za računanje uglova glavnih napona je:

2 2 ( 210,57) ( 0,47) ( 403,97) 16,97

0,47 ( 403,97) 403,5b a c

a c

ztg

n

´ "0, 04205 2 24 28arctg

´ ´´ ´́1 1360 360 2 24 28 178 47´45

2 2

- gde je pravac glavnog napona 1-1.

Pravac glavnog napona 2-2 je normalan na pravac glavnog napona 1-1, tako da mu se dodaje 90 i u ovom slučaju iznosi 26857´56´´.

ANALIZA DOBIJENIH REZULTATA MJERENJA ZAOSTALIH NAPONA Mjerenje zaostalih napona izvršeno je metodom bušenja mjernih traka (rozeta) na zavarenim uzorcima u laboratoriji, a jedan primjer dobijenih rezultata za uzorak B3-1 dat je u tabeli 2.

Na slikama 6 i 7 prikazani su rezultati analize u vidu uporednih dijagrama.

Zaostali naponi su analizirani sa različitih aspekata:

u zavisnosti od udaljenosti od zavara,

u zavisnosti od debljine materijala. Na slici 6 prikazan je uporedni dijagram zaostalih napona i deformacija u zavisnosti od udaljenosti od zavara na uzorku A3. Na uzorak A3 postavljene su tri mjerne trake u osi okomitoj na zavar i sa različitim udaljenostima od zavara kako je prikazano slikom.

Povećanjem udaljenosti od zavara zaostali naponi se smanjuju a deformacije povećavaju. Krutost konstrukcije u blizini zavara je velika tako da su zaostali naponi najveći neposredno uz zavar a deformacija na tom mjestu je veoma mala. Dalje od zavara konstrukcija je imala veću slobodu dilatiranja pa je deformacija dosta velika, ali su naponi manji. U tabeli 3 dati su rezultati mjerenja zaostalih napona i deformacija u zavisnosti od udaljenosti mjernog mjesta od zavara.

Na slici 7 prikazan je dijagram zaostalih napona i deformacija u zavisnosti od debljine materijala – uzorci „A3 i B3“. Kod veće debljine materijala zaostali naponi su veći a deformacije manje. U tabeli 4 dati su rezultati mjerenja zaostalih napona i deformacija u zavisnosti od debljine materijala.

z 0 > 0 0 < 0

n > 0 0 < 0 0

n

zarctan2

1

450

n

zarctan2

1

2

9045

n

zarctan2

1

2

13590

n

zarctan2

1

180135

Slika 5: Pravci glavnih napona - uzorak B3-1



Tabela 2: Rezultati mjerenja zaostalih napona i deformacija – uzorak A 3

H(m) εa εb εc ∆εa ∆εb ∆εc σ1 σ2

0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,1 -30,67 -54,60 -93,73 -30,67 -54,60 -93,73 128,77 73,34

0,2 -31,77 -79,02 -134,02 -31,77 -79,02 -134,02 174,18 95,16

0,3 -31,02 -109,30 -184,60 -31,02 -109,30 -184,60 230,19 120,11

0,4 -32,30 -133,23 -228,82 -32,30 -133,23 -228,82 281,19 143,03

0,5 -31,57 -151,70 -271,68 -31,57 -151,70 -271,68 329,99 162,67

0,6 -26,22 -177,38 -314,87 -26,22 -177,38 -314,87 374,84 179,30

0,7 -16,92 -195,33 -344,35 -16,92 -195,33 -344,35 401,62 185,31

0,8 -8,62 -208,83 -373,38 -8,62 -208,83 -373,38 429,27 191,33

0,9 -1,15 -211,42 -404,80 -1,15 -211,42 -404,80 461,78 197,73

1,0 9,67 -226,57 -425,67 9,67 -226,57 -425,67 477,81 198,03

1,1 16,35 -231,27 -448,97 16,35 -231,27 -448,97 500,81 202,03

1,2 26,43 -235,67 -456,78 26,43 -235,67 -456,78 503,07 196,08

Tabela 3: Rezultati mjerenja zaostalih napona i deformacija – uzorak A3

Mjerno mjesto

Udaljenost od zavara y, (mm)

Gl. napon 11

(N/mm2)

Gl. napon 22

(N/mm2)

Deformacija7

(mm)

Deformacija 8

(mm)

Ugao glavnog napona

()

A 3-1 15 288,08 183,14 0,40 0,30 7619`5``

A 3-2 25 109,80 -223,67 0,65 0,45 26`0``

A 3-3 35 58,76 -324,71 0,85 0,80 434`12``

Tabela 4: Rezultati mjerenja zaostalih napona i deformacija u zavisnosti od debljine (A3 i B3)

Mjerno mjesto

Udaljenost od zavara y, (mm)

Debljina uzorka ≠ 2 (mm) Debljina uzorka ≠ 5 (mm) ≠ 2 ≠ 5

Gl. Napon 11 (N/mm2)

Gl. napon 22

(N/mm2) Gl. napon 11

(N/mm2) Gl. napon 22

(N/mm2) 7

(mm) 7

(mm)

A(B)3-1 15 288,08 183,14 477,81 198,03 0,40 0,35

A(B)3-2 25 109,80 -223,67 55,50 -186,85 0,65 0,55

A(B)3-3 35 58,76 -324,71 -228,14 -675,32 0,85 0,80

ZAKLJUČAK

Zavarivanje eksperimentalnih uzoraka, snimanje temperaturnih ciklusa, mjerenje dilatacija i tenzometrijske metode mjerenja zaostalih napona, te provedene analize dobivenih rezultata, potvrdile su zavisnost zaostalih napona i deformacija od uticaja pogonske energije. Sa većom količinom unesene toplote u materijal, zaostali naponi su veći.

Mjerenjem je takođe dokazana zavisnost intenziteta zaostalih napona i deformacija u odnosu na udaljenost od zavara: zaostali naponi se smanjuju sa udaljenošću od zavara, a deformacije se povećavaju. Izmjereni

zaostali naponi su znatno veći u uzorcima napravljenim od debljeg materijala, dok su deformacije značajno veće na uzorcima od tanjeg materijala. Navedene zavisnosti su u radu prezentirane grafički, u vidu odgovarajućih dijagrama.

Za mjerenja zaostalih napona pomoću mjernih traka korištena je najsavremenija oprema, podržana odgovarajućim softverom, koja daje pouzdane rezultate, ali je zbog tehnologije lijepljenja rozeta, mjerenje bilo moguće vršiti tek sa korakom od 10 mm po jednoj izvodnici. Ovo je relativno veliko rastojanje da bi se precizno mogla utvrditi vrlo fina distribucija zaostalih napona poprečno na liniju zavarenog spoja.



Slika 6: Dijagram zaostalih napona i deformacija u zavisnosti od udaljenosti od zavara (A3)



Slika 7: Dijagram zaostalih napona i deformacija u zavisnosti od debljine materijala (A3,B3)

LITERATURA

[1] S.Avdić : „Uticaj parametara zavarivanja na pojavu zaostalih napona i deformacija i njihovo sprečavanje predviđanjem očekivanog stanja“ Doktorski rad, Univerzitet Džemal Bijedić, Mostar, 2009

[2] I.Hrivnjak: Teorija zavarljivosti metala i legura, Slovačka akademija nauka, Bratislava, 1989

[3] Radaj D., Eigenspannungen Und Verzug Beim Schweißen, Dvs, Düsseldorf,2002.

[4] Radaj D., Wärmewirkungen Des Schweißens, Springer – Verlag Berlin Heidelberg New York, 1988.

[5] Keil Stefan, Beanspruchungsermittlung Mit Dehnungsmeßstreifen, Cuneus-Germany, 1995.

[6] Ferušić S., Zavarene Čelične Konstrukcije, Univerzitet u Sarajevu,1996

analiza naponskih stanja zavarenih …scindeks-clanci.ceon.rs/data/pdf/0354-7965/2012/... ·...

Documents