Prostowanie Płomieniowe

Odkształcenia wynikające z wprowadzonego ciepła na skutek procesów spawalniczych są naturalną reakcją wynikającą z własności materiałów oraz charakterystyk cykli cieplnych. Dla zminimalizowania odkształceń spawalniczych można stosować oprzyrządowania oraz odpowiednią kolejność spawania.

 

Należy zwrócić uwagę na przygotowanie detali do montażu i ich szczelin spawalniczych. Czasami przy zachowaniu odpowiednich technik spawania, przyrządów i innych środków zaradczych trudno jest zachować konstrukcję bez jakichkolwiek odkształceń, może to być powodem braku doświadczenia lub niewłaściwym nadzorem nad pracami spawalniczymi. By dopuścić konstrukcje spawaną do dalszego procesu produkcji należy ją poddać procesowi prostowania by zmieściła się w zakresie tolerancji narzuconych przez projektanta. Do tego celu należy zastosować efektywną metodę korygowania kształtem elementu, czyli zastosować proces prostowania płomieniowego.

 

Zasada prostowania płomieniowego

W prostowaniu płomieniowym wykorzystujemy zjawisko zmiany wymiarów elementów metalowych w wyniku zmian ich temperatury i związaną z tym możliwość generowania naprężeń wewnętrznych.


Na poniższym rysunku przedstawiono płaskownik, który jest swobodnie podparty. W momencie nagrzewania, płaskownik się rozszerza. Gdy przerwiemy nagrzewanie płaskownik wraca do rzeczywistych wymiarów. Długość płaskownika się nie zmieni.

 

Zasada prostowania płomieniowego.
Rys. 1 Zasada prostowania płomieniowego.

 

Jeśli natomiast płaskownik zamocujemy blokując jego swobodne rozszerzanie się, spowodujemy naprężenia ściskające wewnątrz płaskownika. Wzrost tych naprężeń będzie tym większy im większa będzie temperatura. Gdy naprężenia ściskające przekroczą granice plastyczności materiału, w płaskowniku pojawi się odkształcenie trwałe. Jeżeli przerwiemy grzanie, nagrzany obszar płaskownika zacznie stygnąć i skracać się. Odkształcenia plastyczne jednak pozostaną, co sprawi, że płaskownik stanie się krótszy niż na początku.

 

Podczas stygnięcia obszar elementu, który uległ spęczeniu kurczy się bardziej niż się rozszerzył podczas nagrzewania i w ten sposób zdeformowany element prostuje się. Efekty prostowania są widoczne dopiero jak element ostygnie do temperatury otoczenia.

 

Bardzo ważne w procesie prostowania płomieniowego jest zablokowanie lub ograniczenie cieplne rozszerzania się nagrzewanego detalu.

 

Rodzaje gazów do prostowania płomieniowego

Do prostowania płomieniowego jako źródło ciepła stosuje się gazy palne. W zależności od składu mieszanki palnej otrzymujemy płomień neutralny, utleniający i nawęglający.

 

Do prostowania stali niestopowych stosuje się płomień utleniający, ponieważ posiada wyższą temperaturę o ok.80˚C od płomienia neutralnego i pozwala na szybsze nagrzanie.

 

Rodzaje płomieni gazowych
Rys. 2  Rodzaje płomieni gazowych.

 

Należy pamiętać, że prostowaniu płomieniowemu czasami mogą podlegać konstrukcje już obrobione. Wtedy należy zastosować do celów grzewczych płomień neutralny. Płomień utleniający powoduje powstawanie zgorzeliny na powierzchni elementu. Płomień nawęglający spowoduje nawęglenie obszaru grzanego materiału stalowego i doprowadzi do zmniejszenia jego własności wytrzymałościowych.

 

W przypadku stali ulepszonych cieplnie, stopowych wzbogacenie powierzchni materiałów w węgiel może spowodować skłonność do pęknięć. Natomiast w przypadku stali austenitycznych płomień nawęglający spowoduje skłonność do powstania korozji międzykrystalicznej lub naprężeniowej.

 

Do podgrzewania można stosować różne rodzaje gazów i ich mieszanki.

 

Skład mieszanki palnej

Temperatura spalania [˚C]

Tlen + acetylen

3200

Tlen + propan-butan

2500

Tlen + wodór

2370

Tlen + gaz węglowy

2200

Powietrze + acetylen

2480

Powietrze + gaz węglowy

1870

Powietrze +propan butan

1750

Tablica 1. Rodzaje gazów i ich temperatura spalania.

 

Przy braku urządzeń do pomiaru temperatury lub kredek indykatorowych najlepszym rozwiązaniem jest znajomość koloru powierzchni nagrzanej.

 

Temperatura °C Kolor stali
520 - 580 brązowo-czerwony
580 - 650 ciemno-czerwony
650 - 750 wiśniowy
750 - 800 czerwony
800 - 830 jasno-czerwony
830 - 880 ciemno-pomarańczowy
880 - 1050 pomarańczowy
1050 - 1150 ciemno-żółty
1150 - 1250 jasno-żółty
1250 - 1350 oślepiająco-biały

Tablica 2. Barwy nalotowe na podgrzanej stali i ich temperatura.

 

W zasadzie stosuje się że, zakres temperatur do prostowania płomieniowego powinien mieścić się w granicach 650-700˚C. Wyższa temperatura nie spowoduje szybszego wyprostowania konstrukcji a może tylko spowodować większą zgorzelinę na powierzchniach grzanych oraz doprowadzić do większego uplastycznienia powierzchni co w konsekwencji doprowadzi do niekontrolowanego odkształcenia.

 

Dobór sprzętu do prostowania płomieniowego

Wybór odpowiedniego sprzętu zależy od rodzaju i grubości materiału. Blachy do 15[mm] grubości można prostować za pomocą palników do spawania. Przy materiałach powyżej 20[mm] grubości zaleca się stosować palniki wielopłomieniowe używane do prostowania powierzchni blach np. pokładów statków, powierzchni zbiorników itd. Dysze wielopłomieniowe ograniczają ryzyko miejscowego przegrzania materiału.

 

Rysunek palników wielopłomieniowych
Rys. 3 Palniki wielopłomieniowe.

 

Ważna rzeczą dla prawidłowego przebiegu procesu prostowania jest dobór właściwego rozmiaru dyszy. Dobiera ją się wg zasady, tzn. dla blachy o grubości do 3[mm] dobieramy palnik po nominale dyszy; powyżej 3[mm] stosuje się współczynnik 2-2,5 (2-bez przeciągów; 2,5-z przeciągami) przez który należy pomnożyć nominał grubości blachy.

 

Dla 1[mm] grubości podgrzewanego materiału przyjmuje się 100 litrów gazu/godzinę.

 

Dla przykładu: Dobór dyszy i ilość potrzebnego gazu.

Blacha o grubości #10[mm], tj. 2 x 10=20 i 2,5 x 10=25

Odpowiednia dysza dla blachy #10 to dysza z zakresu 20-30 mm.

Nasadka 20-30[mm] potrzebuje 2,5m3  gazu palnego na godzinę (25[mm] x 100 l/godz.=2500 l/godz.)

 

Należy pamiętać, że powinno się stosować dysze o danej grubości blachy. Przy większych dyszach część tlenu nie spala się i wypełnia pomieszczenie, co może doprowadzić do wybuchu.

 

Prostowanie – przykłady

Do procesu prostowania cieplnego konstrukcja powinna być odpowiednio ustawiona na równym i wypoziomowanym stole np. na płycie spawalniczej. Konstrukcja powinna być dokładnie przeanalizowana by ustalić krytyczne miejsca wypukłości czy wklęsłości, które można od razu zaznaczyć kredą.

 

Do prostowania np. blach element powinien być ustawiony wypukłością do góry, gdyż nagrzewanie palnikiem będzie odbywać się od góry blachy.  Proces cieplny spowoduje ściągnięcie na skutek skurczu materiału w obszarze wypukłym i w konsekwencji zapadnięcie się wypukłości i jej zniwelowanie.

 

Należy zwrócić uwagę, że szerokość strefy nagrzewania równa się grubości blachy i stosuje ją się wtedy, kiedy strzałka ugięcia wynosi 1,5[mm] na 300[mm] długości blachy. Jeśli strzałka ugięcia jest większa, szerokość strefy nagrzewania musi być proporcjonalnie większa lub mniejsza. Przy szerokiej strefie nagrzewania można zastosować palniki z dyszami wielopalnikowymi.

 

Przykłady prostowania kształtowników spawanych z blach i rur.
Rys.4   Przykłady prostowania kształtowników spawanych z blach i rur.

 

Przykłady prostowania krzywizn kształtowników i blach w procesie walcowania
Rys.5   Przykłady prostowania krzywizn kształtowników i blach w procesie walcowania.

 

Przykłady prostowania owalności rur i wklęsłej konstrukcji ceownikowej.
Rys.6   Przykłady prostowania owalności rur i wklęsłej konstrukcji ceownikowej.

 

Przykłady prostowania blach z przyspawanym kształtownikiem.
Rys.7   Przykłady prostowania blach z przyspawanym kształtownikiem.

 

Przy projektowaniu konstrukcji spawanych ważne jest by była zbudowana z możliwie jak najmniejszej ilości spoin oraz by projektować proste rozwiązania, które pozwolą w pewien sposób usztywnić, przytwierdzić konstrukcje w procesie spawania (by 'nie pływała'). Następnie montując konstrukcje należy podzielić ją w miarę możliwości na podzespoły, które wcześniej zostaną pospawane i wyprostowane. Przy wieloseryjnej konstrukcji należy zaprojektować odpowiednie i przemyślane przyrządy do zminimalizowania kosztów związanych z prostowaniem, a może nawet jej wyeliminowaniu.

 

Literatura:

[1] – Problemy naprężeń i odkształceń spawalniczych – Piotr Sędek, Warszawa 2000

[2] – Materiały  Linde Gas – Kraków 2007

[3] - https://www.perun.pl/Elementy_recznych_nasadki.html

[4] - http://slideplayer.pl/slide/1215768/

[5] - http://www.icd.pl/poradnik/post/technika-spawania-gazowego