Teräsrakenteiden hitsausmuodonmuutokset ja niiden hallinta ja korjaus

Hitsaus on teräsrakenteiden liitoksissa laajalti käytetty menetelmä, ja joissakin kriittisissä hitsaussaumoissa käytetään yleensä täysläpihitsausmenetelmää. Lisäksi kun metalli hitsauksen aikana lämpiää paikallisesti sulamispisteeseen asti, sulaneen metallin ja sen vieressä olevan perusmetallin välinen lämpötilaero on erittäin merkittävä, mikä aiheuttaa hitsausprosessin aikana hetkellisiä jännityksiä.

Kun se on jäähtynyt alkuperäiseen lämpötilaansa, koko liitosalueella hitsaussauman ja sen viereisten alueiden vetojännitysalueet sekä perusmetallin puristusjännitysalueet saavuttavat tasapainon, jolloin syntyy rakenteen omat hitsausjäännösjännitykset.

Tällä hetkellä, kloHitsausjännityksetKun voimat vaikuttavat, hitsattujen osien rakenteessa esiintyy monenlaisia muodonmuutoksia. Jäännösjännitysten esiintyminen ja muodonmuutosten syntyminen ovat toisiinsa liittyviä ilmiöitä; kun muodonmuutosten lainalaisuudet ymmärretään selvästi, ei ole vaikeaa löytää keinoja muodonmuutosten ehkäisemiseksi, vähentämiseksi ja korjaamiseksi.

I. Muodon hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ja niiden syyt

Teräsrakenteiden hitsausMyöhemmin ilmenevät muodonmuutokset voidaan karkeasti jakaa kahteen tyyppiin: koko rakenteen muodonmuutokset ja rakenteen paikalliset muodonmuutokset. Koko rakenteen muodonmuutokset kattavat rakenteen lyhenemisen sekä pituus- että poikittaissuunnassa sekä taipumisen (eli vääntymisen). Paikalliset muodonmuutokset ilmenevät monin eri tavoin, kuten äkillisenä taivutuksena, aaltomaisena muodonmuutoksena tai kulmissa esiintyvänä muodonmuutoksena, ja tällaisia muotoja on varsin paljon.

1.1 Muodonmuutosten yleiset perusmuodot

Yleisimmät hitsausmuodonmuutokset ilmenevät seuraavasti: Levyn uran päittäishitsauksen jälkeen pituus lyhenee, eli tapahtuu pituussuuntaista kutistumista, ja samalla leveys kapenee, eli tapahtuu poikittaissuuntaista kutistumista; lisäksi levyn uran päittäishitsauksen jälkeen syntyy kulmamuodonmuutoksia.

Hitsauksen jälkeen rakenteessa ilmeni kulmavääristymiä, joiden suuruus vaihteli rakenteen pituussuunnassa. Lisäksi rakenteen siipien ja välilevyn pituussuuntainen kutistuminen ei ollut yhdenmukaista, mikä johti vääntömuodonmuutokseen.

Ohutlevyn hitsauksen jälkeen painejännityksen alaisella alueella perusmetallissa tapahtuu epävakauden vuoksi levyn pinnan kaareutumista, mikä puolestaan aiheuttaa aaltomaisen muodonmuutoksen; Hitsaussauman pituussuuntaiset ja poikittaissuuntaiset kutistumat ovat epäsymmetrisiä suhteessa rakenteen neutraaliakseliin, ja tämä epäsymmetria aiheuttaa rakenteen kokonaisvaltaisen taipumisen. Tällaista muodonmuutosta kutsutaan taivutusmuodonmuutokseksi.

Nämä muodonmuutokset esiintyvät perusmuodoissaan, ja kaikenlaiset monimutkaiset rakenteelliset muodonmuutokset syntyvät näistä perusmuodonmuutoksista, jotka kehittyvät, muuntuvat ja yhdistyvät toisiinsa.

1.2 Hitsauksen muodonmuutosten syyt

Hitsausprosessin aikana hitsattavat kappaleet kuumenevat paikallisesti ja epätasaisesti, mikä aiheuttaa hitsausjännityksiä ja muodonmuutoksia. Hitsauksen aikana hitsaussauma ja sen läheisyydessä oleva kuumennettu metallialue laajenevat, mutta ympäröivä kylmempi metalli estää tämän laajenemisen. Tämän seurauksena hitsausalueella syntyy puristusjännityksiä ja plastista kutistumista, mikä aiheuttaa eriasteista poikittaista ja pituussuuntaista kutistumista. Näiden kahden suunnan kutistuminen aiheuttaa erilaisia muodonmuutoksia hitsatussa rakenteessa.

II Hitsattujen rakenteiden muodonmuutokseen vaikuttavat tekijät

Hitsausmuodonmuutoksen suuruusVaikuttavat tekijätTekijöitä on melko paljon, ja toisinaan sama tekijä vaikuttaa pituussuuntaiseen, poikittaissuuntaiseen ja kulmasuuntaiseen muodonmuutokseen vastakkaisella tavalla. Kunkin tekijän vaikutuksen kattava analysointi tällaisiin muodonmuutoksiin ja niiden vaikutusmekanismien ymmärtäminen ovat perusta järkevien menetelmien soveltamiselle muodonmuutosten hallitsemiseksi. Muutoin on vaikea saavuttaa toivottuja tuloksia.

1) Hitsaussauman poikkipinta-alan vaikutuksesta: hitsaussauman poikkipinta-alalla tarkoitetaan sulatusrajan sisällä olevaa metallipinta-alaa. Mitä suurempi hitsaussauman pinta-ala on, sitä suurempi on jäähdytyksen aikana syntyvän kutistumisen aiheuttama plastinen muodonmuutos.

2) Hitsauksen lämpöpanoksella on vaikutusta: yleensä kun lämpöpanos on suuri, kuumennettu alue on laaja ja jäähtymisnopeus hidas, mikä suurentaa liitoksen plastisen muodonmuutoksen aluetta ja lisää sekä pituus-, poikittais- että kulmamuodonmuutoksia. Pintapinnoituksessa kuitenkin, kun lämpöpanos kasvaa tiettyyn tasoon, koko levyn paksuuden lämpötila tasoittuu, joten vaikka lämpöpanos kasvaisi edelleen, kulmavääristymä ei enää kasva, vaan päinvastoin pienenee.

3) Mitä tulee työkappaleen esilämmitykseen ja kerrosten välisten lämpötilojen vaikutuksiin, mitä korkeammalle esilämmityslämpötila nousee ja mitä korkeampi kerrosten välinen lämpötila on, sitä suuremmaksi vastaava lämmönsyöttö kasvaa, mikä puolestaan hidastaa jäähtymisnopeutta ja lisää kutistumisesta johtuvaa muodonmuutosta.

4) Hitsausmenetelmällä on vaikutusta: Rakennusteräsrakenteissa yleisesti käytetyistä hitsausmenetelmistä, lukuun ottamatta elektro-slag-hitsausta, upotetun kaarihitsauksen lämpöpanos on suurin, ja kun muut olosuhteet, kuten hitsaussauman pinta-ala, ovat samat, sen kutistumisesta johtuva muodonmuutos on suurin. Käsikaarihitsauksen lämpöpanos on keskitasoa, ja sen kutistumis- ja muodonmuutokset ovat pienempiä kuin uppoarkkikaarihitsauksessa. CO₂-kaasusuojahitsauksen lämpöpanos on pienin, ja sen kutistumis- ja muodonmuutokset ovat vastaavasti vähäisimmät.

5) Hitsaussauman sijainti vaikuttaa muodonmuutoksiin, koska hitsaussaumat eivät ole symmetrisesti sijoitettuja rakenteessa; tällainen hitsaussaumien epäsymmetrinen sijainti aiheuttaa erilaisia muodonmuutoksia.

6) Rakenteen jäykkyyden vaikutuksesta hitsausmuodonmuutoksiin voidaan todeta, että rakenteen jäykkyys määräytyy pääasiassa rakenteen muodon ja poikkileikkauksen koon perusteella. Jäykkyydeltään heikommissa rakenteissa hitsausmuodonmuutos on suurempi, kun taas jäykissä rakenteissa muodonmuutos hitsauksen jälkeen on suhteellisen pieni.

7) Seuraavat tekijät vaikuttavat hitsausmuodonmuutoksiin: kokoonpano ja hitsaus; eri kokoonpanomenetelmät vaikuttavat rakenteen muodonmuutoksiin. Kun koko rakenne kootaan ensin ja hitsataan vasta sen jälkeen, muodonmuutokset ovat pienempiä kuin silloin, kun kokoonpanoa ja hitsausta tehdään samanaikaisesti.

Hitsaustöiden aikana hitsauksen jälkimuodonmuutosten käyttäytyminen on varsin monimutkaista erilaisten olosuhteiden ja tekijöiden yhteisvaikutuksen vuoksi. Kunkin tekijän erillisen vaikutuksen tunteminen auttaa tekemään konkreettisen ja kokonaisvaltaisen analyysin kunkin projektin erityisolosuhteiden perusteella.

III Toimenpiteet rakenteellisten muodonmuutosten ehkäisemiseksi ja vähentämiseksi

1) Hitsaussauman poikkipinta-alaa on pyrittävä pienentämään mahdollisimman paljon. Edellyttäen, että saadaan aikaan moitteeton hitsaussauma, jossa ei ole sallittuja rajoja ylittäviä vikoja, on käytettävä mahdollisimman pieniä saumavaloja (mukaan lukien kulma ja rako).

2) Teräksille, joiden myötöraja on alhainen ja joiden karkenevuus ei ole kovin hyvä, on käytettävä pienempää lämmöntuottoa, vältettävä esilämmitystä mahdollisuuksien mukaan tai vähennettävä esilämmitystä kohtuullisesti, ja myös kerrosten välistä lämpötilaa on alennettava asianmukaisesti; Valitse ensisijaisesti hitsausmenetelmiä, joissa lämmönsyöttö on suhteellisen pieni, kuten CO₂-kaasusuojahitsaus.

(3) paksujen levyjen hitsaus mahdollisimman pitkälle käyttämällä monikerroksista hitsausta yksikerroksisen hitsauksen sijasta.

4) Jos hitsaus voidaan suorittaa molemmilta puolilta, on käytettävä molemminpuolisesti symmetristä hitsausuraa, ja monikerroksista hitsausta suoritettaessa on noudatettava rakenteen keskiakselin suhteen symmetristä hitsausjärjestystä, kuten alla olevassa kuvassa 2 on esitetty.

Kuva 2: Kulmavääristymien vähentäminen symmetrisellä hitsausjaksolla, jossa on kaksipuolinen viisteytys.

(5) T-liitoslevyn paksuus on suurempi avoimen viistetyn kulmahitsin kanssa, katso kuva 3:

Kuva 3: Avoin viistetty täytehitsaus T-liitosten suurta levypaksuutta varten.

6) Hitsauksen jälkeistä kulmavääristymää hallitaan käyttämällä hitsausta edeltävää vääristymän korjausta. Tämä on tuotannossa erittäin yleinen menetelmä, jossa hitsattavalle kappaleelle tehdään etukäteen peruskorjaus (kompensointi).

Tavoitteena on estää hitsauksen jälkeinen muodonmuutos käyttämällä hitsauksen jälkeistä taivutusta muodonmuutoksen korjaamiseksi. Taulukossa 1 ja kuvassa 4 esitetään vastaavasti laatikkomuotoisten pylväiden ja H-profiilien muodonmuutoksen korjausta koskevat viitearvot ennen hitsausta.

Kuva 4 H-teräslaipan takaiskumuodonmuutoksen viitearvo ennen hitsausta.

7) Jäykkä kiinnitysmenetelmä, jota kutsutaan myös pakotetuksi menetelmäksi: käytännön valmistuksen aikana liian jäykkien osien kohdalla hitsauksen jälkeinen muodonmuutos on yleensä vähäistä, kun taas vähemmän jäykkien osien kohdalla osan jäykkyyttä voidaan vahvistaa ennen hitsausta, jolloin hitsauksen jälkeinen muodonmuutos vähenee vastaavasti. Kun tätä menetelmää käytetään, on ehdottomasti odotettava hitsauskohdan jäähtymistä ennen kiinnittimien ja tukien poistamista. Yleisiä menetelmiä ovat kiinnitysmenetelmä, tukimenetelmä, muottimenetelmä sekä väliaikainen kiinnitysmenetelmä (kuten hitsausnastojen kiinnitys ja puristuskiinnitys) sekä paikannushitsausmenetelmä.

8) Hitsaussauman vasarointimenetelmä. Tämä menetelmä soveltuu pääasiassa ohutlevyjen hitsaukseen. Menetelmässä ohutlevyn hitsauksen jälkeen, kun hitsaussauma ja lämpövaikutusalue eivät ole vielä täysin jäähtyneet, kyseistä aluetta vasaroidaan välittömästi. Paksujen levyjen kohdalla taas käytetään paineilmapuhallinta vasaroimiseen.

(9) Hitsin pituussuuntaisen kutistumismuodonmuutoksen kompensointi käyttämällä menetelmää, jossa varaudutaan jäsenen pituuteen.

10) Suunnittelussa on pyrittävä vähentämään hitsaussaumojen lukumäärää ja pienentämään niiden kokoa mahdollisimman paljon, hitsaussaumat on sijoitettava järkevästi siten, että vältetään niiden liian tiheä sijoittelu ja että niiden sijainti on mahdollisimman lähellä rakenteen keskiviivaa, ja niiden sijoittelun on sovittava rakenteen olosuhteisiin.

Symmetrinen akseliin nähden.

11) Hitsausjärjestys on valittava asianmukaisesti. Jos teräsrakenteessa on sekä päittäis- että kulmahitsaussaumoja, sääntöjen mukaan päittäishitsaukset on suoritettava ensin ja vasta sen jälkeen kulmahitsaukset. Ristihitsausten ja T-hitsausten osalta on vielä tärkeämpää noudattaa oikeaa järjestystä, jotta vältetään hitsausjännitysten keskittyminen ja varmistetaan liitoksen hitsauslaatu. Tällöin tulisi käyttää hitsausmenetelmää, joka on symmetrinen koko teräsrakenteen keskiviivan suhteen, sekä hitsata keskeltä kohti molempia päitä, Tämä on erittäin hyödyllistä muodonmuutosten vähentämiseksi. Kun hitsataan teräsrakenteen kriittisiä kohtia, joille asetetaan korkeat lujuusvaatimukset, liitoksen on annettava kutistua vapaasti ilman minkäänlaisia rajoituksia.

IV. Hitsausmuodonmuutokset hitsauksen jälkeenKorjausmenetelmät

Suunnitteluvaatimusten ja standardien mukaisesti hitsausmuodonmuutoksia sisältävät hitsatut rakenneosat on oikaistava. Toisin sanoen tällaisessa oikaisussa pyritään itse asiassa aiheuttamaan uusia muodonmuutoksia, joilla kompensoidaan tai kumotaan jo syntyneet muodonmuutokset. Rakennustöissä yleisimmin käytetyt menetelmät hitsauksen jälkeisten jäännösmuodonmuutosten korjaamiseksi voidaan jakaa voima-korjaukseen, lämmityskorjaukseen sekä näiden kahden menetelmän yhdistelmään.

4.1 Voiman korjausmenetelmä

Vääntökorjaus suoritetaan yleensä tunkin avulla, ruuvipuristimella, rullakorjauskoneella tai mahdollisesti myös suuressa puristimessa.

4.2 Lämmityksen korjausmenetelmä

Toisin sanoen epätasaisen lämmityksen avulla rakenteeseen saadaan aikaan vastakkaissuuntainen muodonmuutos, jolla kompensoidaan tai kumotaan alun perin syntynyt hitsausmuodonmuutos. Lämmityskorjausmenetelmän lämmitystavat voidaan jakaa piste-, viiva- ja kolmiolämmitykseen. Lämmityskorjaus poistaa monia muodonmuutoksia, joita mekaanisella korjauksella ei voida ratkaista. Liekillä tapahtuvan paikallisen lämmityksen aiheuttamien muodonmuutosten lainalaisuuksien hallinta on korjauksen onnistumisen avaintekijä. Liekkikorjauksen tehokkuuteen vaikuttavat pääasiassa lämmityskohde ja lämmityslämpötila. Matalahiilisen teräksen ja tavallisten seosten hitsausrakenteissa käytetään yleensä 650–800 °C:n lämmityslämpötilaa, eikä lämpötilaa tulisi yleensä nostaa yli 900 °C:n. Katso taulukosta 2, mistä eri värit osoittavat lämpötila-alueet.

Kun suoristustyötä tehdään lämmön avulla, suoristustulosten parantamiseksi voidaan lämmitysprosessin aikana kohdistaa myös ulkoista voimaa suoristamista varten. Liekkisuoristuksessa lämmityskohdan jäähdyttämiseen on kaksi tapaa: luonnollinen jäähdytys ja vesijäähdytys. Vesi- ja liekkikorjausmenetelmän avulla rakenteiden korjauksessa saavutetaan nopeampia tuloksia, ja korjausmäärä on suurempi kuin luonnollisessa jäähdytyksessä. Tällainen tilanne on esimerkiksi suuripinta-alaisten H-profiilien korjauksessa.