Jak zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową połączeń spawanych

1. Zmniejszenie skupienia naprężeń

Pęknięcia zmęczeniowe powstają w miejscach skupienia naprężeń w połączeniach spawanych i konstrukcjach. Każde działanie, które eliminuje lub zmniejsza te skupiska, może zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową.

Zastosuj solidną konstrukcję

• Należy preferować połączenia czołowe i ograniczać do minimum połączenia zakładkowe. Tam, gdzie to możliwe, należy zastąpić połączenia typu T lub narożne w konstrukcjach krytycznych połączeniami czołowymi oraz unikać wykonywania spoin w narożnikach. Jeśli połączenie typu T lub narożne jest nieuniknione, należy zastosować spawanie z pełnym wnikiem.
• Należy unikać obciążeń ekscentrycznych. Siły wewnętrzne powinny przebiegać płynnie i rozkładać się równomiernie, nie powodując naprężeń wtórnych.
• W miejscach styku płyt o znacznie różnej grubości lub szerokości należy zapewnić płynne przejścia. W ostrych narożnikach i na zagięciach należy stosować duże promienie.
• Należy unikać trójpunktowych przecięć przestrzennych spoin. Spoiny należy wykonywać z dala od stref koncentracji naprężeń oraz unikać spoin poprzecznych na głównych elementach poddawanych rozciąganiu. Jeśli nie da się tego uniknąć, należy zapewnić wysoką jakość wewnętrzną i zewnętrzną spoiny oraz zminimalizować koncentrację naprężeń u nasady spoiny.
• W konstrukcjach krytycznych nie należy pozostawiać stałego podkładu za jednostronnym spawem czołowym. Należy unikać spoin przerywanych, ponieważ każdy odcinek charakteryzuje się dużym skupieniem materiału na początku i na końcu.

Konstrukcje poddane obciążeniom dynamicznym lub eksploatowane w niskich temperaturach wymagają bardziej starannego opracowania szczegółów konstrukcyjnych niż konstrukcje przenoszące obciążenia statyczne w temperaturze pokojowej.

Kontrola kształtu i jakości spoiny

Wzmocnienia spawane na styk powinny być jak najmniejsze; najlepiej wyrównać spoinę do powierzchni za pomocą strugarki lub szlifierki. W połączeniach typu T należy stosować spoiny kątowe wklęsłe zamiast wypukłych. Należy zapewnić płynne przejście w obszarze podstawy spoiny, w razie potrzeby szlifując ją lub ponownie topiąc metodą TIG.

Każda wada spawalnicza powoduje pewną koncentrację naprężeń. Wady płaskie — pęknięcia, niedostateczna penetracja, brak stopienia i podcięcie — mają największy wpływ na wytrzymałość zmęczeniową. Należy projektować każdy szew tak, aby zapewnić łatwy dostęp i prawidłowe wykonanie, a także usuwać wszystkie wady przekraczające dopuszczalne limity.

2. Dostosuj pole naprężeń szczątkowych

Resztkowe naprężenie ściskające zwiększa wytrzymałość zmęczeniową, natomiast resztkowe naprężenie rozciągające ją zmniejsza. Korzystne pole ściskające na powierzchni lub skupisko naprężeń można uzyskać poprzez zmianę kolejności spawania lub zastosowanie miejscowego ogrzewania.

W połączeniu czołowym belki dwuteowej największe naprężenie zginające występuje w spoinie czołowej 1. Należy pozostawić krótki odcinek spoiny pachwinowej 3 niespawany na każdym końcu, wykonać spoinę 1, a następnie wykonać spoinę czołową 2 w środniku. Skurcz spoiny 2 powoduje, że spoina 1 znajduje się w stanie ściskania resztkowego. Na koniec należy spawać pozostałe części spoiny 3; ich skurcz powoduje, że zarówno spoina 1, jak i spoina 2 znajdują się w stanie ściskania resztkowego. Badania wykazały, że ta sekwencja zwiększyła wytrzymałość zmęczeniową o 30% w porównaniu z sytuacją, w której spoinę 2 spawano przed spoiną 1. W przypadku blachy wzmacniającej połączonej spoinami wzdłużnymi prawidłowo ustawione ogrzewanie punktowe w miejscu nacięcia w pobliżu końca spoiny może wytworzyć korzystne naprężenie ściskające resztkowe w miejscu skupienia naprężeń.

Wzmocnienie poprzez odkształcenie powierzchniowe w wyniku walcowania, kucia lub śrutowania może również spowodować odkształcenie plastyczne i utwardzenie powierzchni połączenia, pozostawiając naprężenia ściskające, które zwiększają wytrzymałość zmęczeniową.

3. Poprawa mikrostruktury i właściwości połączeń

Poprawa wewnętrznej odporności na zmęczenie metalu podstawowego i spoinowego wymaga lepszej jakości metalurgicznej zarówno materiału, jak i drutu, a także mniejszej liczby wtrąceń. Tam, gdzie jest to możliwe, obróbka cieplna połączenia może zapewnić korzystną mikrostrukturę, zwiększając wytrzymałość wraz z plastycznością, udarnością i odpornością na zmęczenie.

Wytrzymałość, plastyczność i odporność na pękanie muszą być zrównoważone. Wytrzymałość zapobiega pękaniu, ale materiały o wysokiej wytrzymałości są wrażliwe na nacięcia. Plastyczność pochłania energię odkształcenia, obniża szczyty naprężeń, rozkłada wysokie naprężenia oraz łagodzi krawędzie nacięć i pęknięć, co spowalnia lub zatrzymuje ich rozprzestrzenianie się. Ponieważ plastyczność pozwala na efektywne wykorzystanie wytrzymałości, zwiększenie plastyczności i udarności może znacznie poprawić odporność na zmęczenie połączeń ze stopów aluminium o wysokiej wytrzymałości.