127

CAPITOLUL 7. TENSIUNI IN IMBINARILE SUDATE

7.1. Generalitati

Ca urmare a parcurgerii ciclului termic la sudare, metalul îmbinării suferă modificări de volum ce se traduc în diferite dilatări şi contracţii.

Aceste fenomene sunt importante din punct de vedere al sudării sub următoarele aspecte:

a) pot duce la deformarea componentelor sudate, imediat după sudare afectând precizia dimensională a produsului sudat, sau în timp îndelungat afectând stabilitatea dimensională;

b) atunci când dilatarea şi contracţia sunt împiedicate (bridare) dau naştere unor tensiuni proprii existente şi în lipsa unor solicitări exterioare şi care pot duce la modificări în exploatare a comportării construcţiei sudate;

c) în unele cazuri tensiunile şi deformaţiile apărute pot afecta nefavorabil unele însuşiri ale materialului din ZIT. (rezilienţa şi rezistenţa la coroziune).

d) în cazul cel mai defavorabil tensiunile proprii cumulate cu altă cauză duc la apariţia celui mai grav defect- fisurare.

Pentru evidenţierea diferitelor modificări de volum ce apar la sudare, se ia o cusătură în curs de răcire realizată dintr-un oţel cu transformare de fază oţel carbon sau oţel martensitic, fig. 7.1.

Fig. 7.1 . Curbe dilatometrice

128

S-a notat cu:mV.- micşorare de volum;MV.- mărire de volum.Se urmăresc curbele dilatometrice ce evidenţiază unele aspecte

macroscopice. Pe abscisă sunt poziţionate dilatările şi contracţiile iar pe ordonată temperatura.

În fig. 7.1 , curba I semnifică răcire cu viteză mică, substanţial mai mică decât viteza critică de călire martensitică.

Pornind de la o temperatură de supraîncălzire TSI şi micşorând treptat

temperatura, cu aliajul în stare lichidă apare o micşorare de volum, 1. La

atingerea temperaturii Tl aliajul începe să cristalizeze, proces ce se încheie la

atingerea TS, interval în care are loc o nouă micşorare de volum 2. Răcind mai

departe cusătura ce are o structură austenitică nu apare nici o modificare structurală pâna la temperatura punctului Ar3, proces ce determină apariţia

contracţiei 3. Într-o primă aproximaţie se poate spune că 2 şi 3 furnizează

tensiuni proprii în măsură să determine fisurarea la cald.O dată cu atingerea temperaturii Ar3 începe procesul de descompunere a

austenitei iniţial în ferită apoi în perlită, proces ce se încheie complet la temperatura Ar1, interval în care se constată o creştere de volum 4.

Spre deosebilre de modificările de volum datorate contracţiei la răcire, această modificare de volum se datoreşte unei transformări de fază şi este în măsură să determine apariţia unor tensiuni proprii relativ mici deoarece procesul are loc la o temperatură relativ mare, când limita de curgere a materialului este relativ mică, ceea ce determină o relaxare a tensiunilor proprii induse în material pe baza deformării plastice ce apare în acestă zonă.

Răcind în continuare până la temperatura mediului ambiant apare o nouă cotracţie 5 datorită contracţiei în stare solidă a agregatului ferito-perlitic.

Cu ocazia încălzirii tot cu viteză foarte mică, lucrurile se petrec identic, dar în ordine inversă.

Dacă acest material este răcit cu viteză mare (mai mare decât viteza critică de călire martensitică) atunci este valabilă curba II.

Până la atingerea temperaturii Ar1 putem admite că cele două curbe I şi II se suprapun. Acest lucru face că în faza solidă, structura austenitică să se menţină până la temperatura punctului martensitic superior Ms. Coborârea

temperaturii sub Ms determină apariţia din austenită a martensitei, proces

întovărăşit de o creştere de volum 6 care se încheie la Mi. Mărirea de volum,

6, determină apariţia unor tensiuni proprii mari deoarece creşterea de volum

specific este importantă, iar temperatura fiind relativ mică tensiunile nu se mai pot relaxa (c fiind relativ mare) şi6 constituie una din cauzele principale ale

129

fisurării la rece. Răcirea sub Ms determină contracţia 7 datorită răcirii

martensitei.În vederea urmăririi mecanismului pe baza căruia aceste modificări de

volum conduc la apariţia tendiunilor proprii se consideră cazul simplificat al unui element de volum cilindric din ZIT, încastrat pe baze şi liber pe suprafaţa laterală fig. 7.2. De asemenea considerăm că materialul care înconjoară elementul de volum considerat rămâne la temperatură constantă, în timp ce elementul parcurge ciclul termic la sudare, constând într-o încălzire sub AC1 (deci neapărând transformare de fază) urmată de o răcire până la temperatura mediului ambiant.

Fig. 7.2 Model fizic de apariţie a tensiunilor proprii

În fig. 7.2:

1 - materialul cusăturii considerat la T<AC12 - volumul cilindric considerat la T0.

Dacă acest element de volum ar fi liber, încălzirea cu T ar duce la creşterea lui l0 la l0+l, în care l este dat de relaţia 6.1:

l=l0T [7.1]

în care: - coeficient de dilatare liniară.Datorită însă faptului că el este încastrat apare o forţă de compresiune care

printr-o deformaţie plastică va tinde să anuleze alungirea l.Conform legii lui Hook:

σ=εE [7.2] în care ε este alungirea specifică şi este egală cu ε = l/l0 iar E este modulul de

elasticitate longitudinal. Rezultă deci că valoarea tensiunii proprii ce apare in material este dată de

o relaţie de forma 6.3:

[7.3]

În domeniul elastic, considerând că şi E sunt constante, între şi T există o dependenţă liniară. Acest lucru nu este real pentru că în realitate şi E depind de temperatură. La o variaţie de temperatură dată, este mai mare dacă

• •

•l T

lE E T

0

130

coeficientul de dilatare este mai mare. (Ex: oţelurile austenitice au modulul de elasticitate mai mare decât oţelurile carbon, de aici valori mai mari ale tensiunilor proprii).

Ori de câte ori la încălzire apare şi o deformaţie plastică, după reîntoarcerea la T0 apare o tensiune proprie a cărei valoare poate varia între 0 şi valoarea limită c.

Într-un punct oarecare, tensiunile sunt distribuite după un elipsoid ale cărui 3 axe sunt cele 3 tensiuni principale. În raport cu axa longitudinală a cusăturii se manifestă tensiuni proprii longitudinale iar în cazul sudării elementelor cu grosime mare apar tensiuni proprii şi pe grosimea materialului.

Aceste tensiuni proprii se pot manifesta:- la nivel macroscopic- de ordinul I;- la nivel microscopic- de ordinul II;- la nivel submicroscopic- de ordinul III.

Într-o construcţie sudată există:1 - tensiuni reziduale2 - tensiuni de reacţie.

7.2. Tensiuni rezidualeAcestea apar datorită încălzirii neuniforme a componentelor de sudat.Dacă în schema anterioară încălzirea ar fi fost uniformă, tensiunile proprii

din elementul considerat ar fi fost egale cu zero. Aceste tensiuni acţionează în vecinătatea îmbinării sudate şi se echilibrează în limitele aceleaşi îmbinări sudate. Deci ori de câte ori într-o zonă apare o solicitare proprie la întindere, în alta apare neapărat o solicitare la compresiune. Asemenea tensiuni reziduale există dacă sudăm două table cap la cap cu capetele complet libere.

Tensiunile reziduale nu pot fi evitate dar pot fi diminuate, fig.7.3. Scăderea nivelului tensiunilor reziduale se poate face prin folosirea materialului de adaos cu limită de curgere scăzută sau ca rezultat al aplicării şi îndepărtării unei sarcini exterioare. (σex, fig.7.3)

Fig 7.3 Tensiuni reziduale în îmbinările sudateAstfel, dacă în îmbinare se aplică după sudare tensiunea de tracţiune ex,

tensiunile reziduale se vor reduce la valoarea: = c- exTensiunile reziduale se pot micşora şi ca rezultat al unui tratament termic

re c

l

lE

131

prin încălzirea uniformă a îmbinării sudate.La atingerea valorii T0= c/•E, când c = 0, tensiunile reziduale dispar

aproape total. În acest caz însă se micşorează într-o oarecare măsură rezistenţa metalului şi se anulează ecruisajul format în zonele învecinate sudurii.

7.3. Tensiuni de reacţieApar ca urmare a răcirii îmbinării sudate, atunci când există o bridare

externă care împiedică contracţia liberă.Aceste tensiuni nu se echilibrează într-o zonă din vecinătatea îmbinării

sudate ci în ansamblul construcţiei sudate. După sudare, la răcire, scurtarea l este împiedicată datorită rigidităţii componentelor, situaţie prezentată în fig.7.4 Dacă considerăm structura sudată ca în fig.7.4 formată din elementele a, b şi c, în elementul c, (cu sudură) după răcire, apare solicitarea de întindere 1.

În elementele a şi c apar tensiuni de compresiune, 2 şi 3 astfel încât să rezulte o echilibrare a tensiunilor de reacţie pe ansamblul construcţiei sudate.

Valoarea aproximativă a tensiunii de reacţie este dată de relaţia 7.4:[7.4]

Rezultă că pentru valoarea l constantă, tensiunile de reacţie vor fi cu atât mai mari cu cât va fi mai mică distanţa dintre rigidizări, fig 6.4.

Tensiunile de reacţie se pot micşora prin:• soluţii constructive; • tratament termic;• aplicarea de sarcini exterioare.

Fig 7.4. Tensiuni de reactie in imbinari sudate