Hegesztési maradó feszültségek kísérleti vizsgálata

Hegesztési maradó feszültségek kísérleti vizsgálata Dr. Katula Levente1, Kovács László2, Dr. Gyímesi Ferenc3, Szigethy András4, Dr. Borbély Venczel4

1

adjunktus, IWE hegesztőmérnök, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Hidak és Szerkezetek Tanszék 2 tudományos munkatárs, Tecxa Technology Kft. 3 HOLOMETROX Holografikus Méréstechnika Kft. 4 TECHNOORG-LINDA Tudományos Műszaki Fejlesztő Kft.

ÖSSZEFOGLALÓ Hegesztett szerkezetek gyártásánál gyakori probléma a hegesztési alakváltozások megjelenése. Ezeknek az alakváltozásoknak az eloszlása és mértéke csak nagy gyakorlat és hozzáértés mellett prognosztizálható, bár pontos értékük ekkor sem előjelezhető. Amennyiben ezek az alakváltozások gátoltak, hegesztési maradó feszültségeket okoznak. A hegesztési maradó feszültségek csökkentik a szerkezet teherbírását, amit többlet anyagfelhasználással tudunk csak ellensúlyozni. Alkalmas hegesztéstechnológia és élelőkészítés megválasztásával ezek a kedvezőtlen hatások csökkenthetők. Cikkünkben több hegesztéstechnológiával, lemezvastagsággal, élelőkészítéssel és hegesztési sorral gyártott tompavarrat maradó feszültség eloszlását határoztuk meg kísérleti úton. Kísérletsorozatunk alapján egyértelmű következtetéseket tudtunk levonni tompavarratok kedvező élelőkészítésére és hegesztéstechnológiájára vonatkozóan. SUMMARY Welding deformations are a common problem by the manufacturing of welded structures. Both the distribution and scale of these deformities can be forecast only with large practice and knowhow, but their exact value will not be denoted. If these deformations are blocked, causing welding residual stresses. The welding residual stresses reduce the load bearing capacity of the structure, which can only be balanced by additional material supply. Using appropriate welding technology and proper edge preparation, these adverse effects are reduced. The paper presents the results of the residual stress distribution of butt welds. The stress distribution was determined experimentally on specimens manufactured different welding technology, plate thickness, edge preparation and different welding bead numbers. Derived from the test results clear conclusions could be drawn for favorable edge preparation and welding technology

1. Bevezetés Az acélszerkezet tervezés és építés területén a 1990-es években jelentős paradigma váltás zajlott. Jelentős átalakuláson ment keresztül a szerkezeti elemek kapcsolatainak kialakítása, mely során a csavarozott kapcsolatok helyett, mind szélesebb körben a hegesztett kapcsolatok jelentek meg. Ennek oka a hegesztéstechnológia jelentős fejlődése. A méretezési szabványok és tervezési eljárások is komoly fejlődésen mentek keresztül annak érdekében, hogy a hegesztett kapcsolatokat megfelelő biztonsággal lehessen méretezni. Vannak azonban olyan, a hegesztéssel kapcsolatos, problémák, amelyek máig nem tisztázottak teljes mértékben. Ilyen a hegesztés hatására kialakuló feszültségeloszlás a szerkezeti elemekben. A legtöbb hegesztési eljárás során 1

E-mail: [email protected]

nagy hőenergiát közlünk a kapcsolni kívánt szerkezeti elemekkel: Az eljárás alatt sem a hevítési, sem a hűlési folyamat nem egyenletes mértékű a teljes szerkezetet tekintve. A felhevítés hőciklusa – általában – szobahőmérsékletről indulva az acélanyag felhevülésén majd megömlésén keresztül, az anyag visszahűléséig tart, azaz igen széles hőmérsékleti skálát ölel át. Ebből következik, hogy a kapcsolni kívánt lemezek kapcsolati vonalára merőlegesen a munkadarabok, illetve a lemezek hőnek kitett belső részei, különböző hőmérsékletűek lesznek. Közismert, hogy a szerkezeti anyagok, különös tekintettel az acél, hőmérsékletváltozás hatására anyagszerkezeti átalakulásokon és térfogatváltozáson megy keresztül (allotróp átalakulások). Amennyiben tehát a felhevülés és a lehűlés is egyenlőtlen mértékű a vizsgált térfogaton belül, akkor a hőmérsékletváltozásból fakadó méret- és anyagszerkezeti változás a hőmérséklet függvényében, azaz a hőciklusnak megfelelően más és más lesz. A hegesztett szerkezetekben a gyártási folyamat során, a hegesztési hőfolyamatból (felhevülés-lehűlés) eredően, a használat alatti igénybevételtől függetlenül, feszültségek alakulnak ki. Ezt a sajátfeszültségi, vagy maradó feszültségi állapotot az anyagban lejátszódó szövetszerkezeti átalakulások és a korlátozott, illetve gátolt zsugorodás idézik elő. A vizsgálatok célja, hogy kísérletekkel támogatva meghatározzuk azokat az optimális hegesztési paramétereket, varratképet és lemez élelőkészítést, melyek mellett az acélszerkezet építésben széles körben alkalmazott vastagságú lemezeket (16 mm, illetve 25 mm) a legkisebb maradó feszültséggel terheljük, illetve a legkisebb deformációval hegeszthetjük össze. [1] 1.1 Hegesztési feszültségek bemutatása Az acélszerkezeti elemeket terhelő sajátfeszültségek a gyártástechnológia hatására alakulnak ki. A hely függvényében változó hevítési és hűtési ciklusok okozta eltérő hőtágulás és a hely függvényében eltérő alakváltozások miatt. Ez olyan külső terhek nélküli feszültség rendszer, mely önmagában egyensúlyi állapotban van. A sajátfeszültségek (és elmozdulások) irány szerinti bemutatását a 1. ábra szemlélteti. [4]

1. ábra: A hegesztési sajátfeszültség és alakváltozás összetevői: x-x, y-y és z-z irányú feszültség és alakváltozás [2] A hegesztett szerkezet gyártása során keletkező hegesztési feszültségek két jellemző típusát lehet megkülönböztetni: - gátolatlan, szabadon elmozduló szerkezeti elemek sajátfeszültségei; - gátolt alakváltozásból eredő hegesztési feszültségek. A 2. ábrán tompán illesztett lemezek hegesztett kötésében kialakuló feszültségeloszlás látható. Ezek egyik jellegzetessége, hogy a feszültségek maximális értéke a varrat közvetlen környezetében jelentkezik. A másik, a húzófeszültségek övezetének kiterjedése és elhelyezkedése a le-

mezmezőben [2]. A σx sajátfeszültségek x-irányban, azaz a varrattengellyel párhuzamosan parabola alakú feszültségeloszlást mutatnak. A σx sajátfeszültség y-irányban, azaz a varrattengelyre merőlegesen: a varratkörnyezeti húzási maximumot követően, a varrattengelytől távolodva, elhagyva az inflexiós pontot, nyomási zónába ér, majd a lemez széle felé a feszültségmenetes állapothoz közelít. A σy sajátfeszültség x-irányban, azaz a varrattengellyel párhuzamosan parabola alakú feszültségi eloszlást mutat. A σy sajátfeszültség y-irányban, azaz a varrattengelyre merőlegesen, a varratkörnyezetben fellépő maximális húzást követően a varrattengelytől távolodva, a lemez széle felé, lecseng.

a.) σx – hosszirányú – feszültségek a varrat b.) σy – keresztirányú – feszültségek a varhossztengelye mentén ratra merőlegesen 2. ábra: Tompán hegesztett kötésben kialakuló hossz-, és keresztirányú hegesztési feszültségek eloszlása [2]

2 A sajátfeszültség mérése 2.1 Vizsgálati próbatestek A vizsgálatokhoz két darab 700 mm hosszú, egyenként 140 mm széles és próbatestenként eltérő lemezvastagságú, S235 anyagminőségű lemezt a hosszabbik oldalán illesztve hegesztettünk össze. A lemezek vastagsága a szerkezet- és hídépítésben alkalmazott 16 mm és 25 mm volt. A hegesztett kapcsolat kialakítása előtt a kapcsolni kívánt lemezéleket „V”, illetve „X” leélezéssel készítettük elő. A próbatestekhez eltérő hegesztéstechnológiát, fogyóelektródás védőgázas kézi ívhegesztést (135), illetve bevont elektródás kézi ívhegesztést (111) alkalmaztunk. A próbatestek hegesztés közbeni elhúzódásának, deformációjának, megakadályozására, valamint a kívánt (azonosan jó) minőségű végvarratok miatt kifutólemezeket alkalmaztunk. Az így létrehozott próbadarabot daraboltuk a vizsgálati céloknak megfelelően: létrehozva 1 darab 541 mm hosszú sajátfeszültségi próbatestet, 3 darab 42 mm szélességű szakítóvizsgálati próbatestet és 1 darab 14 mm-e makrocsiszolati próbatestet. A 3. ábra a különböző próbatestek geometriai méreteit adja meg.

3. ábra: A tesztsorozathoz tervezett próbatest gyártmányterve

Az alkalmazott varratalak-lemezvastagság, valamint hegesztéstechnológia kombinációkat az 1. táblázat foglalja össze. varrat jele

leélezés kialakítása

α

„V”

c

t

b

α c

„X”

b

α

t

α [ º]

próbatestek száma [db]

2

50

1 (1+3+1)

3

2

50

1 (1+3+1)

WPS_V_16_111-8

3

0

50

1 (1+3+1)

135

WPS_V_16_135-8

3

0

50

1 (1+3+1)

25

111

WPS_V_25_111-8

3

3

50

1 (1+3+1)

25

135

WPS_V_25_135-8

3

3

50

1 (1+3+1)

16

111

WPS_X_16_111-4

3

2

50

1 (1+3+1)

16

135

WPS_X_16_135-4

3

2

50

1 (1+3+1)

16

111

WPS_X_16_111-10

3

2

50

1 (1+3+1)

16

135

WPS_X_16_135-10

3

2

50

1 (1+3+1)

25

111

WPS_X_25_111-6

3

3

50

1 (1+3+1)

25

135

WPS_X_25_135-6

3

3

50

1 (1+3+1)

25

111

WPS_X_25_111-12

3

3

50

1 (1+3+1)

25

135

WPS_X_25_135-12

3

3

50

1 (1+3+1)

t [mm]

hegesztőeljárás

WPS

16

111

WPS_V_16_111-4

3

16

135

WPS_V_16_135-4

16

111

16

b c [mm] [mm]

1. táblázat: A vizsgálatokhoz tervezett próbatest jegyzéke

Jelmagyarázat: WPS_V_16_111-4; WPS – Welding Procedure Specification; V – alkalmazott él előkészítés (lehet „V”, illetve „X”); 16 – lemezvastagság milliméterben (lehet 16 mm, illetve 25 mm); 111 – alkalmazott hegesztés technológia (lehet 111, illetve 135); 4 – varratsorok száma (lehet 4, 6, 8, 10, 12)

A tesztsorozatban S235 JR2 szerkezeti acél alapanyagból készített próbatesteket vizsgáltunk. A sajátfeszültségek méréséhez a próbatestek felületén nyúlásmérő bélyegeket helyeztünk el. A méréshez a bélyegeket nagyszilárdságú ragasztóval rögzítettük a próbatest felületére. A mérés elve, ha a mérendő próbatest alakváltozást szenved, akkor vele együtt a nyúlásmérő bélyeg is, miközben a nyúlásmérőben elhelyezkedő vezető ellenállása megváltozik. Az ellenállás megváltozása –, melyet Wheatstone-híddal mértünk – egyenesen arányos a próbatest megnyúlásával. A hegesztési folyamat során bevitt sajátfeszültségeket az alakváltozások felszabadításával, azaz a próbatest alkalmas „felvágásával” tudtuk mérni. [3] A vágások közben fellépő melegedést elkerülendő a próbatesteket vágás közben vízzel hűtöttük. Az egy-egy mérésnél alkalmazott nagyszámú nyúlásmérő bélyeg kapcsolásához a HBM cég CANHEAD típusú, tíz mérési csatornát kezelni tudó mérési berendezését alkalmaztuk. A nagy mennyiségű mért jel kezelésére és az adatok számítógépes szoftver által kezelhető adatcsomagokra bontására az MGC Plus mérésadatgyűjtő eszközt használtuk. A mérési frekvencia a feszültség felszabadítás közben 0,1 Hz volt.

3. Kísérleti eredmények 3.1 Nyúlásmérő bélyegek és vágósíkok elhelyezkedése Hosszirányban A 4. ábrának megfelelően a 10X, illetve a 11X bélyegek a próbatest széléhez közel kerültek felhelyezésre (a középpontjuk mindössze 6 mm-re esett a próbatest szélétől). A 20X és 21X bélyegek középpontja a próbatest szélétől 125 mm-re került, az első keresztirányú vágósík tengelye pedig 132 mm-re található. A harmadik keresztirányú vágás az eredeti lemezszéltől 254 mm-re fut, így a vágás szélétől 7 mm-re található a nyúlásmérők középtengelye. Keresztirányban A hegesztési varrat középtengelyébe került az első mérőbélyeg, majd 10X irányban (balra) 15, 35 és 65 mm-re a középsíktól a többi. A varrattengelyi szimmetria kimérésére a 11X bélyeg szolgált. A bemutatottakkal megegyező módon kerültek elhelyezésre a 20X, illetve a 21X jelű bélyegek. A mérési eredmények pontosítására, további mérési pontokat határoztunk meg. Ezeket a 30X, illetve a 31X mérési pontokként jelöltük.

4. ábra: Sajátfeszültség mérési próbatest mérőbélyegeinek elhelyezése (próbatest jele: X_16_135-10)

3.2 Sajátfeszültség felszabadítása Keresztirányú vágások A sajátfeszültségek felszabadítására keresztirányú vágást készítettünk fekvő helyzetű próbatesten. Ehhez a próbatestet a bélyegekkel ellentétes felületén és a próbatest két élén – ld. a 7. ábrán piros nyilakkal jelölve – támasztottuk meg.

5. ábra: Próbatest megtámasztási módjának és a keresztirányú vágás kialakításának bemutatása Hosszirányú vágások A hosszúirányú vágásokat a próbatesten tárcsás marógéppel készítettük, a vágásokat a bélyegek mellett, a hosszabbik oldalaikkal párhuzamosan, a szélüktől 1 ~ 1,5 mm távolságban készítettük el. A próbatesteket teljes vastagságukban – a varrattengely irányában – a mérőbélyegek hoszszával megegyező mélységben vágtuk fel. A vágások készítése közben a próbatestet gépsatuval, a 6. ábrán látható módon, rögzítettük.

6.

ábra: Hosszirányú vágások készítésének és a próbatest megtámasztásának módja

A próbatestek feszültség-felszabadítást követő nézetét a 7. ábra mutatja be.

7.

ábra: X_16_135-10 próbatest a sajátfeszültség mérést követően

3.3 Mérési eredmények A 16 mm-es, „X” élelőkészítésű, 10 varratsoros, fogyóelektródás védőgázas ívhegesztéssel készült próbatest mérési eredményeit a 8. ábrán bemutatott diagramok, míg a mért értékekre illesztett felületet a 9. ábra mutatja. A bélyegek elhelyezkedése megfelel a 4. ábrán bemutatottnak. A 10X és 11X jelű bélyegekkel igen kis feszültségeket mértünk, melynek oka, azok közelsége a próbatest széléhez (6 mm). Jól látható a 9. ábrán, hogy a varrattengely két oldalán nagyon hasonló feszültség értéketeket mértünk a 101-es és a 111-es jelű bélyegekkel. A különbség a két bélyeg között mindössze 5,2%. Mind a 20X és 21X jelű, mind a 30X és 31X jelű bélyegekkel szintén sikerült kimérnünk a feszültségek varrattengelyre szimmetrikus eloszlását. A további próbatesteknél, a mérések egyszerűsítése céljából, a bemutatott feszültségi szimmetriát kihasználva, csupán az egyik lemezen végeztünk nyúlásméréseket.

8. ábra: Nyúlásmérési eredmények X_16_135-10 jelű próbatesten

9. ábra: A Nyúlásmérési eredmények X_16_135-10 jelű próbatesten

3.4 Vizsgálati eredmények összehasonlítása A vizsgálati eredmények összehasonlítását, kiértékelését, több szempont szerint végezzük el, melyek:  élelőkészítés típusa;  varratsorok száma;  lemezvastagság;  hegesztéstechnológia.

3.4.1 Koronaoldal Élelőkészítés típusa A koronaoldali mérések eredményeit összehasonlítva „V” élelőkészítés esetén nagyobb sajátfeszültségi értékeket mértünk varrattengelyben mind folyóelektródás kézi ívhegesztés, mind bevont elektródás kézi ívhegesztéses technológiával készült próbatestek esetén, mint „X” élelőkészítés mellett. A feszültségtöbblet mindkét vizsgált technológia esetén 65-70 MPa, lásd 10. ábra. Ennek oka, hogy „V” típusú élelőkészítés esetén nagyobb és egyenlőtlenebb hőmérsékleti terhet kap a koronaoldal. A sajátfeszültségek lefutását tekintve, a feszültségek előjelváltása „X” élelőkészítés mellett a varrattengelytől 23-30 mm-re, míg „V” élelőkészítésnél 35-42 mm-re található. Összefoglalóan megállapítható, hogy „X” élelőkészítés mellett kisebb húzó feszültségek keletkeznek a varratkorona keresztmetszetének szélső szálában, viszont a nyomófeszültségek nagyobb keresztmetszetre terjednek ki és magasabb értékűek.

10. ábra: Varrattengely irányú sajátfeszültségek 16 mm-es, 4 varratsorból álló tompavarratoknál „V” és „X” élelőkészítés, valamint 111 és 135 hegesztéstechnológia használata esetén, koronaoldalon

Varratsorok száma „V” élelőkészítés, lemezvastagság 16 mm A 11. ábra a teljes varrattest elkészítéshez alkalmazott varratsorok hatását mutatja be a maradó feszültségek alakulására. A vizsgálatban 16 mm-es lemezvastagságú, „V” élelőkészítésű lemezek koronaoldali sajátfeszültségeit vizsgáltuk. Az összehasonlításhoz 4, illetve 8 egymásra épülő varratsorból alakítottuk ki a kötést. A kevesebb varratsorral készített próbatesteknél a varratkorona felszínén jellemzően 120-140 MPa feszültségtöbbletet mértünk a több varratsoros kialakításhoz képest. Ez a magasabb maradó feszültség a hegesztés tengelyétől távolodva hamar leépül. A varrattengelytől 15 mm-es távolságban a különbségek 50 MPa értékűre csökkennek. Kevesebb varratsor alkalmazása esetén egy-egy varratsor kialakításához, azok nagyobb térfogata miatt, nagyobb energiabevitel szükséges, ami a magasabb maradó feszültségeket magyarázza.

11.

ábra: Sajátfeszültségek „V” típusú élelőkészítés esetén, 16 mm-es lemezen, koronaoldalon

„X” élelőkészítés, lemezvastagság 25 mm A 12. ábra 6, illetve 12 varratsorral készített, „X” élelőkészítésű, 25 mm-es lemezeken végzett feszültségmérési eredményeket mutatja be két technológia (111 és 135) alkalmazása mellett. Az eredményekből jól látszik, hogy – hasonlóan a 11. ábrán bemutatotthoz – az alacsonyabb varratsorszám a varrattengelyben lényegesen magasabb húzófeszültségeket okoz.

12.

ábra: Sajátfeszültségek „X” típusú élelőkészítés esetén, 25 mm-es lemezen, koronaoldalon

Lemezvastagság „V” élelőkészítés A lemezvastagságot választva paraméternek a 13. ábrán mutatjuk be a koronaoldali feszültségek alakulását. Látható, hogy nagyobb lemezvastagságú (25 mm) próbatesteket vizsgálva a varratkorona tengelyében a feszültségek nagyobbak a vékonyabb (16 mm) próbatesten mértnél. Ez az eltérés ~100 MPa. 25 mm-es lemezvastagság mellett a nyomófeszültségek is nagyobbak. „X” élelőkészítés „X” élelőkészítéssel 16 mm-es lemezek, 10 varratsorban kialakított, illetve 25 mm-es lemezek, 12 varratsorban kialakított varratainak hegesztési sajátfeszültségeit vizsgáltuk. A mért feszültségeket a 14. ábrán foglaljuk össze. A korábban bemutatottakkal összhangban (lásd 12. ábra) a kisebb varratsorszámmal készített varrat tengelyében mértünk a nagyobb feszültségeket. Azonban ez a különbség nem jelentős, maximum ~50 MPa értékű.

13.

ábra: Sajátfeszültségek „V” típusú élelőkészítés esetén, 16 mm-es és 25 mm-es lemezen, koronaoldalon

14.

ábra: Sajátfeszültségek „X” típusú élelőkészítés esetén, 16 mm-es és 25 mm-es lemezen, koronaoldalon

3.4.2 Gyökoldal „V” típusú élelőkészítésnél nem csak koronaoldalon, hanem a varrat gyökoldalán is végeztünk feszültségméréseket. Varratsorok száma, lemezvastagság 16 mm A 15. ábrán 4, illetve 8 varratsorral kialakított próbatesteken mért sajátfeszültségeket mutatjuk be. Gyökoldalon a varrat tengelyvonalában – hasonlóan a koronaoldalhoz – a kevesebb varratsorral hegesztett próbatesteken mértük a magasabb feszültségértékeket. Ezek ~100 MPa-lal magasabbak, mint a nyolc varratsorral kialakított próbatesteknél.

15.

ábra: Sajátfeszültségek „V” típusú élelőkészítés mellett, 16 mm-es lemezen, gyökoldalon

Lemezvastagság A lemezvastagságok hatása a 16. ábrán kerül bemutatásra. A varrattengelyben, 25 mm-es lemezeket hegesztve ~300 MPa húzófeszültséget mértünk, míg 16 mm-es lemezeken ez az érték ~180 MPa. A két lemezvastagság között, a varratkorona csúcsában 110-120 MPa feszültség különbség mérhető. A feszültségek előjelváltása a varrattengelytől 20–25 mm-re található. A nyomófeszültségek maximuma a varrattengelytől 45 mm távolságban jelentkezik 135-ös hegesztési technológiánál. A legmagasabb nyomófeszültség 111-es technológia esetén és 16 mmes lemezek hegesztésekor detektálható 225 MPa.

16.

ábra: Sajátfeszültségek „V” típusú élelőkészítés mellett, 16 mm-es és 25 mm-es lemezen, gyökoldalon

3.4.3 Hegesztéstechnológia hatása A tesztsorozatban vizsgált két hegesztéstechnológia között, az eredmények ismeretében, a sajátfeszültségek kialakulására vonatkozóan jelentős eltérést nem tapasztaltunk. Sem a hegesztés korona-, sem a gyökoldalán mért csúcs húzófeszültségi értékeknél, sem a sajátfeszültségek lefutásában, illetve nyomott oldali csúcsértékeiben nem mutatható ki számottevő eltérés. Említésre méltó az alapanyag nominálisan 235 MPa folyáshatáránál – és akár 360 MPa szakítószilárdságánál is – magasabb mért feszültségérték. Ennek egyik magyarázata a hegesztés során bevitt hozaganyag jobb minősége, mely beötvöződve a hegesztett kötésbe, az alapanyagénál magasabb folyáshatárt eredményezett, melyet – a jelen cikkben terjedelmi korlátok miatt nem részletezett – szakítóvizsgálati eredmények igazoltak.

3.5 Lézer-SÓLYOMSZEM holografikus mérőkamerával elvégzett mérések Az előzőekben bemutatott módon egy-egy vizsgálati próbatesten több mérést is elvégeztünk nyúlásmérő ellenállásokkal. Mérési eredményeink igazolására ettől a felületi alakváltozás-mérési eljárástól részben eltérő elven működő mérési módszert is alkalmazni szerettünk volna. Ezért méréseket készíttettünk a TECHNOORG-LINDA Tudományos Műszaki Fejlesztő Kft.vel az általuk és a HOLOMETROX Holografikus Méréstechnika Kft. által kifejlesztett LézerSÓLYOMSZEM holografikus mérőkamerával [5-8]. A mérési technológia rövid ismertetése Az alkalmazott holografikus mérőeszköz is közvetlenül felületi deformációt, alakváltozást mér, de optikai úton, tizedmikronos pontossággal, a mérendő tárgy vizsgált felületén egyidejűleg mindenütt, és háromdimenziós vektori felbontásban. Az alakváltozások követéséhez lézerfénynyel speciális lencse nélküli, ún. holografikus felvételeket készít különböző irányú megvilágításokkal. A felvételek készítése két lépcsőben történik. Első lépésben a mérési alapállapot hologramjait rögzíti a kívánt vizsgálandó tárgyról, esetünkben a hegesztett és a hegesztéssel deformált próbatestről, melynél a maradó feszültség eloszlásának a feltérképezése a mérés célja. A második lépésben egy diagnosztikai furat készül és annak elkészítése után, az így kiváltott deformált állapotról, készül a második felvétel. A felvételeket számítógépes program elemzi, a furat pontjainak helyzetét a fényhullámhossz tizedrészének pontosságával határozza meg. A felvételek összehasonlításából születik a mérés végeredménye: a három szintvonalas elmozdulás-térkép, a lyukfúrással felszabadított elmozdulás mindhárom komponensére külön-külön. A holografikus mérőkamera a diagnosztikai furat környezetének felületen megjelenő deformációt rögzíti, amely aztán vagy végeselemes szimulációval, vagy empirikus mintamérésekkel kapcsolható össze a furat helyén a lyukfúrás előtt fennálló feszültségekkel. A fúrással kialakított lyuk körül koncentrikusan felvett mérőkör ellipszissé deformálódik. Ennek az ellipszisnek a főtengelyei közvetlenül megadják a főfeszültségek irányát, a tengelyek megváltozott hosszának és a mérőkör eredeti sugarának ismeretében a feszültségek nagyságága kiszámítható. A diagnosztikai furat további – szekvenciális – mélyítésével és az azokat követő felületi deformációk mérésével a feszültségek alakulása nem csak a felületen, hanem az anyag vastagsága mentén is nyomon követhető.

17. ábra: Holografikus mérőkamerával mért felületi maradó főfeszültségek a gyökoldalon (bal mérőkör-oszlopban) és koronaoldalon (jobb mérőkör-oszlopban) a varratban és tovább a varratra merőleges vonalmentén A mérési eredmények bemutatása A holografikus méréseket a WPS_V_25_135-8 jelű próbatesten végeztettük el. A mérési pontok elhelyezkedése megegyezik a nyúlásmérő bélyeges méréseknél bemutatottal, azaz a varrat tengelyére merőleges egyenes mentén a diagnosztikai furatok: 0, 15, 25 45 illetve 85 mm-es távolságra kerültek. A diagnosztikai furatok átmérője 4 mm, a mérésekhez kétszeres átmérőjű, azaz 8 mm átmérőjű mérőkör ellipszissé deformálódását használták. A furatok mélysége 1 mm, így a mért feszültségértékek ezen mélyégi tartományra kiátlagoltnak tekintendők. A 17. ábrán a felületi főfeszültségek eloszlását és a főfeszültségek irányát mutatjuk be. Jelen esetben a főfeszültségek értékei jó közelítéssel tekinthetők az „x” és „y” irányú feszültségkomponenseknek is. Az ábra bal oldalán a gyök-, míg a jobbon, a koronaoldalon mért eredmények láthatók. A mérőkörök ellipsziseinek tengelyei irányában mérhető főfeszültségek értékei fekete színnel jelöltek, amikor azok a 250 MPa-os rugalmassági határ kétharmada alattiak, sárga színnel jelöltek, amikor azok e fölötti, de még a rugalmassági határ alattiak. A megkülönböztetés oka, hogy a sárga színnel jelölt tartományban az értékek pontatlansága már erősen megnőhet és a folyáshatárhoz közeledve különösen nagy lehet a furatszéleken már ekkor is fellépő megfolyások miatt. A piros színnel jelzett folyáshatár feletti értékek pedig már csak tendenciájukban tekinthetők informatívnak, szintén ugyanezen ok miatt. Ezek a korlátozások nagyon hasonlóak, mint a lyukfúrásos feszültségmérés nyúlásmérő bélyeges megvalósítását ismertető ASTM E 837-08 szabványban megadottak.

18. ábra: A holografikus mérőkamerával és a nyúlásmérő bélyeggel mért felületi maradó feszültség komponenseinek összehasonlítása (próbatest WPS_V_25_135-8) 3.6 Nyúlásmérő bélyeges és holografikus mérések eredményeinek összehasonlítása A 18. ábra a sajátfeszültségek összehasonlítását mutatja be WPS_V_25_135-8 jelű próbatesten mérve. A feszültségek lefutása mindkét módszer mérései szerint hasonló. Mindazonáltal a kétféle módszerrel mért sajátfeszültségi értékekben, a varrattengelyben mind gyök-, mind koronaoldalon jelentős különbségek láthatók. Ennek két oka is lehet. Egyrészt az, hogy a holografikus mérések készítése előtt a varrat koronáját, illetve gyökoldalon a varratdudort síkba csiszolták. Ennek eredményeként a varrattengelyben feszültségleépülés következett be és a maximum értékek a varrattengelytől ~15 mm távolságra „tolódtak”. A lecsiszolás egy első megközelítés egyszerűsítési lépése volt, hogy a mérőkör-tengelyek deformációinak szimulációs beskálázása az egyszerűbben kezelhető síkpárhuzamos lemezre történhessen. A szimuláció továbbfejlesztésével megoldható a korona, varratdudor, figyelembevétele is, és így méréskor a korona meghagyása. A másik lehetséges ok, hogy a holografikus módszer csak a furatmélységre átlagolja ki a mért feszültségeket, a nyúlásmérő bélyeges mérésnél viszont, átlagolt formában, a felületi feszültségben a teljes lemezvastagság menti feszültségek megjelennek. A jelzett kérdések egyértelmű tisztázáshoz további vizsgálatok szükségesek.

3.7 Maradó feszültségek a lemezvastagság mentén - Lézer-SÓLYOMSZEM holografikus mérőkamerával A mélységi méréseket csak a Lézer-SÓLYOMSZEM holografikus mérőkamerával lehetett elvégezni. Az eredményeket a 19. ábra foglalja össze. A méréseket a varratok tengelyvonalában, 2 mm mélységig végezték, 0,25 mm-es mélységi lépcsőkben, kivéve az utolsó furatmélyítést, ahol ez a korábbi 1 mm-re nőtt vissza és arra is kiátlagol. A mérési eredmények mindig a furat kiindulási mélységi szintjéhez kerültek hozzárendelésre. A komponensek értelmezésére és a színek alkalmazására a korábban elmondottak érvényesek.

19. ábra: Holografikus mérőkamerával mért mélységi maradó főfeszültségek a varratban a gyökoldalról (alsó mérőkör-oszlopban) és a koronaoldalról (felső mérőkör-oszlopban) perspektivikus kijelzésben /a felületi feszültségeloszlással kiegészítve / Látható, hogy koronaoldalon az „x” irányú „főfeszültségek” (varrattengely irány) a mélység növekedésével növekedést mutatnak, +20 MPa-os értékről +280 MPa-os értékig, azaz valószínűsíthetően egészen a folyáshatár közelébe növekednek 1 mm-es mélységben. Ez a növekvő tendencia gyökoldalon szintén megjelenik, ahol is -70 MPa értékről egészen +400 MPa értékig nő a feszültség értéke, azaz egyértelműen már a folyáshatár elérést jelezve. A szokatlan negatív gyökoldali felületi kiindulás oka kereshető a varrat többrétegű kialakításában is. A varrattengelyre merőleges feszültségek változása a koronaoldalon kevéssé jellemző, -70 MPa a felületen és -50 MPa 1 mm mélységben mérve. A gyökoldalon a változás sokkal jelentősebb. A felületi +180 MPa-ról +340 MPa-ra nő a varrattengelyre merőleges feszültség 1 mm mélységben, ismét valószínűsíthetően egészen a folyáshatár közelébe. A feszültségek lemezvastagság menti változásának további, nagyobb mélységű feltérképezéséhez és a jelzett szokatlan eredményrészletek megerősítéséhez itt is további vizsgálatok szükségesek.

4. Összefoglalás Bármely hegesztési folyamat során a varrattengely mentén változó hevítési és hűtési ciklusok eltérő hőtágulásokat, ebből adódóan eltérő alakváltozásokat okoznak az elemekben. Emiatt a szerkezeti elemen belül, még minimális megtámasztási kényszerek mellett is, gyártási sajátfeszültségek ébrednek. Ötvözetlen szerkezeti acélok hegesztési maradó feszültségeinek maximuma eléri az alapanyag, de még a jobb minőségű hozaganyag folyási határfeszültségét is. Ezek a feszültségek csökkentik a szerkezet teherbírását, amit többlet anyagfelhasználással tudunk csak ellensúlyozni. Ezért a gyártási sajátfeszültségek alkalmas hegesztéstechnológia és élelőkészítés meghatározásával történő csökkentése gazdasági előnyt jelent. Vizsgálatainkban több hegesztéstechnológiával, lemezvastagsággal, élelőkészítéssel és hegesztési sorral gyártott tompavarrat maradó feszültségeit határoztuk meg kísérleti úton. Bemutatott eredményeinket az alábbiakban foglaljuk össze:  Többsoros hegesztett kötések vizsgálatával kimutattuk, hogy a maradó feszültségek mind az alapanyagban, mind a hegesztett kötésben a varratsorok számának növelésével jelentősen csökkenthetők. A kötésben a keresztmetszet növekedésével a sajátfeszültségek a sorok számával nem csökkennek olyan mértékben, mint az alapanyagban.  Azonos élelőkészítés és hegesztéstechnológia alkalmazása mellett a vastagabb lemezben alakulnak ki – a varrattengelyben akár 120 MPa-lal – magasabb feszültségek.  Élelőkészítések összehasonlításában megállapítottuk, hogy „X” élelőkészítés mellett kisebb húzó feszültségek keletkeznek a varratkorona keresztmetszetében. Viszont a nyomófeszültségek nagyobb keresztmetszetre terjednek ki és magasabb értékűek, szemben a „V” élelőkészítésű varratokkal.  A kísérletsorozatban vizsgált két hegesztéstechnológia között (111 és 135), mérési eredmények ismeretében, a maradó feszültségek kialakulását tekintve nem mutatható ki jelentős különbség.

Irodalom [1] Szunyogh L.: Hegesztés és rokon technológiák, Kézikönyv, Budapest 2007., ISBN 978963-420-910-2, p. 895, 2007 [2] Domanovszky S., Müncher L., Izdinsky O.: Hegesztési feszültségek és alakváltozások, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, p. 175, 1969 [3] http://www.hbmiroda.hu/save/uplpdf/34-hbm_nyulasmero_belyeg_tanfolyam_pk_ea.pdf [4] Gremsperger Géza.: Fémszerkezetek gyártása. 3/A., Hegesztési feszültségek és deformációk, Tankönyvkidó, Budapest, p. 92, 1988 [5] Gyímesi F., Borbély V., Kiss T. R., Szigethy D., Szigethy A., Bogár I.: Új alakuló lehetőségek a hegesztések ellenőrzésében Lézer-Sólyomszem/V holografikus mérőkamerával, Hegesztéstechnika, XXIV./1., pp. 49-54, 2013 [6] Gyímesi F., Szigethy A., Borbély V., Kiss T. R.: Maradó feszültség eloszlásának mérhetősége (alakításnál, hőkezelésnél...) és deformációs viselkedés vizsgálhatósága (kötéseknél, bevonatoknál...) L-Ssz holografikus mérőkamerával, XV. Képlékenyalakító Konferencia, 2015. február 4-6., Miskolc, Konferenciakiadvány: CD, 2015 [7] J. Dobránszky, Zs. Lőrinc, F. Gyímesi, A. Szigethy, E. Bitay: Laser welding of lean duplex stainless steels and their dissimilar joints, 8th Europian Stainless Steel and Duplex Stainless Steel Conference 2015, 28-30 April 2015, Graz, Austria, Proceedings, pp. 138147, 2015 [8] www.technoorg.hu