Chapter 4 Welding Stresses and Distortion

 

                                              

Chapter 4 

Welding Stresses and Distortion

Fusion welding processes जैसे SMAW, GMAW, GTAW, SAW, ESW आदि में स्थानीय स्तर पर होने वाला असमान heating और cooling cycle एक inherent characteristic होता है। इस non-uniform thermal cycle के कारण material में complex thermal stresses और strains उत्पन्न होते हैं, जो अंततः welded structures में residual stresses और distortion के development का कारण बन सकते हैं।

जहाँ एक ओर residual stresses किसी structure की service life को कम कर सकते हैं या गंभीर स्थिति में catastrophic failures का कारण बन सकते हैं, वहीं दूसरी ओर distortion के कारण components में misalignment उत्पन्न होता है, जिससे assembly में कठिनाई आती है और finished product या structure की appearance भी खराब हो जाती है। इसलिए यह आवश्यक है कि proposed welding procedure और setup के लिए welding parameters के संभावित प्रभावों की पूर्व जानकारी हो।

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4.1 RESIDUAL STRESSES

Residual stresses वे stresses होते हैं जो किसी structure में तब भी बने रहते हैं जब उस पर लगाए गए सभी external loads या reactions हटा दिए जाते हैं। इसलिए ये stresses structure के भीतर ही self-balanced होते हैं।

चूंकि residual stresses बिना external forces के exist करते हैं, इसलिए इनके द्वारा उत्पन्न resultant force और resultant moment दोनों शून्य होने चाहिए। यह अब अच्छी तरह स्वीकार किया जा चुका है कि residual stresses सामान्यतः किसी body के shape में होने वाले permanent changes से उत्पन्न होते हैं।

इसका अर्थ यह है कि यदि किसी welded component में residual stresses मौजूद हैं, तो उसमें plastic deformation अवश्य हुआ होगा, जो कि एक ऐसे temperature cycle से जुड़ा होता है जिसमें तापमान material के melting point तक पहुँच सकता है। welding के दौरान उत्पन्न ये residual stresses component की functional efficiency को प्रभावित कर सकते हैं और engineering structures की failure का कारण बन सकते हैं। गंभीर मामलों में यह brittle fracture का कारण बनकर भारी नुकसान और मानव जीवन की हानि भी कर सकते हैं।

Residual stresses किसी crack के आसपास बनने वाले stress field का एक प्रमुख हिस्सा होते हैं, जो cracking को बढ़ावा दे सकते हैं। उदाहरण के लिए, tensile residual stresses fatigue strength और corrosion resistance को कम कर देते हैं, जबकि compressive residual stresses stability limit को कम कर देते हैं।

इसी प्रकार, tensile residual stresses fracture के कारण failure को initiate कर सकते हैं, जबकि weld के आसपास मौजूद compressive residual stresses structural member की buckling और collapse की क्षमता को कम कर सकते हैं। कुछ क्षेत्रों में residual stresses का मान material की yield strength के बराबर भी हो सकता है।

ये सभी तथ्य यह दर्शाते हैं कि welding द्वारा निर्मित structure में residual stresses की जानकारी होना अत्यंत आवश्यक है।

4.2. Residual Stresses के विकास के कारण

arc welding में workpiece को बहुत छोटे क्षेत्र में melting point तक गरम किया जाता है, लेकिन जैसे ही हम उस heated spot से दूर जाते हैं, temperature बहुत तेजी से कम हो जाता है। यह इसलिए होता है क्योंकि (i) workpiece की high thermal conductivity, (ii) heat का तेजी से dissipation, और (iii) heated metal का बहुत छोटा volume। ये परिस्थितियाँ metal के uniform expansion को रोकती हैं और इसके कारण internal stresses, distortion और warping उत्पन्न हो सकते हैं।

welding के दौरान internal stresses को समझने के लिए एक steel plate को तीन बराबर हिस्सों (zones 1, 2, 3) में बाँटा जाता है। जब zone 1 का temperature बढ़ता है, तो वह expand होने की कोशिश करता है। अगर वह पूरी तरह free होता तो उसकी length a1b1' तक बढ़ जाती, लेकिन zone 2 और zone 3, जो comparatively ठंडे होते हैं, उसकी longitudinal expansion को restrain करते हैं। इसके कारण zone 1 में compressive stresses (-ve) उत्पन्न होते हैं, जबकि zone 2 और zone 3 में tensile stresses (+ve) develop होते हैं। इसलिए zone 1 केवल a2b2 तक ही expand कर पाता है और उसमें plastic flow के कारण deformation भी हो सकता है।

cooling के समय, zone 1 longitudinal रूप से shrink होकर aa1 + bb1 जितना contract करना चाहता है, लेकिन zone 2 और zone 3 उसे ऐसा करने से रोकते हैं। इसके परिणामस्वरूप zone 1 में residual tensile stresses और zone 2 व zone 3 में compressive stresses उत्पन्न हो जाते हैं। पूरी तरह cooling के बाद zone 1 की final length asbs होती है, जो original length ab से छोटी होती है, जिससे permanent deformation और plastic flow दिखाई देता है।

butt-welded plate के case में, जब plate को axis के along काटा जाता है, तो दोनों halves warp हो जाते हैं जैसा कि Fig. 4.2(a) में दिखाया गया है। butt weld warping को restrain करता है, जिससे longitudinal और transverse stresses उत्पन्न होते हैं। stress distribution से यह पता चलता है कि weld के बीच के हिस्से में transverse tensile stresses develop होते हैं, जबकि weld के ends पर transverse compressive stresses आते हैं।

welding heat के physical effects के अलावा, यह metal की internal structure में भी changes लाता है। ये structural changes volumetric changes के साथ जुड़े होते हैं, जिससे locked-up stresses उत्पन्न होते हैं। यह इसलिए होता है क्योंकि heating या cooling के एक निश्चित point पर steel की structure transformation होती है, जहाँ different structures की density अलग-अलग होती है। उदाहरण के लिए, low carbon steel को जब ferritic structure से austenitic state में heat किया जाता है, तो उसका volume थोड़ा कम हो जाता है क्योंकि austenite की density ferrite से अधिक होती है।

इसी तरह, high carbon steels में जब rapid cooling होता है, तो austenite 200°C से 350°C के बीच martensite में बदल जाता है। martensite की density कम होती है और उसका volume अधिक होता है, जिससे internal stresses develop होते हैं। इस प्रकार volumetric changes भी residual stresses के development में योगदान देते हैं।

इस तरह, welded structures में residual stresses के development के तीन main कारण होते हैं: (1) local heating और cooling of metal, (2) shrinkage on solidification, और (3) structural changes on solidification। इन effects के कारण उत्पन्न होने वाले residual stresses को आगे विस्तार से समझाया जाता है।

4.2.1.1. Reaction Stresses

non-homogeneous thermal expansion या contraction के कारण उत्पन्न होने वाले residual stresses को thermal stresses कहा जाता है। बिना किसी external support forces के उत्पन्न होने वाले residual stresses को constraint stresses कहा जाता है, जबकि जब external restraint या support forces के कारण stresses develop होते हैं, तो उन्हें reaction stresses कहा जाता है (कुछ special cases में इन्हें mis-alignment stresses भी कहा जाता है)।

constraint stresses स्वयं आपस में equilibrium में रहते हैं, यानी ये structure के अंदर ही balance हो जाते हैं और किसी external force पर निर्भर नहीं होते। इसके विपरीत, reaction stresses उन reaction forces के साथ equilibrium में रहते हैं जो supports या restraints पर उत्पन्न होते हैं।

यदि किसी component को इस तरह support किया जाए कि वह freely deform हो सके, तो केवल constraint stresses ही उत्पन्न होंगे। लेकिन यदि supports deformation को restrain करते हैं, तो reaction stresses, constraint stresses के ऊपर superimpose हो जाते हैं, जैसा कि Fig. 4.7 में schematically दिखाया गया है।

4.2.2. Phase Transformation द्वारा उत्पन्न Stresses

residual stress में एक महत्वपूर्ण योगदान phase transformation के कारण होने वाले dilation (आयतन परिवर्तन) से आता है, विशेषकर transformable steels में। weld के cooling के दौरान होने वाली phase transformation (γ → α) का temperature कई factors पर निर्भर करता है, जैसे grain size, peak temperature और cooling rate। इस transformation के दौरान होने वाले volume changes को dilatometer जैसे weld simulation experiments से मापा जा सकता है।

Q और T (quenched and tempered) steels में यह देखा जाता है कि जितना अधिक peak temperature होगा, उतना अधिक dilation प्राप्त होता है (Fig. 4.8 के अनुसार)। इसका कारण यह है कि जितना कम transformation temperature होगा, उतना अधिक volume change होगा, क्योंकि γ (austenite) से α (ferrite) में परिवर्तन के दौरान lattice packing efficiency बदलती है—F.C.C. (γ phase) में लगभग 74% packing होती है, जबकि B.C.C. (α phase) में लगभग 68% होती है। इसी कारण transformation के दौरान volume increase होता है।

larger grain size वाला material भी transformation temperature को कम करता है, क्योंकि grain boundaries कम होने से nucleation sites घट जाते हैं। इस प्रकार सबसे बड़े dilation और सबसे बड़े stress changes martensitic transformation (γ → α') में देखे जाते हैं, जहाँ लगभग 4% volumetric dilation होता है, जो लगभग 1.4% linear strain के बराबर होता है।

phase transformation से उत्पन्न अतिरिक्त stresses, quenching और shrinkage stresses के साथ interact करते हैं, जैसा कि Fig. 4.9 में दिखाया गया है। इसमें तीन स्थितियाँ दिखाई गई हैं: (a) shrinkage और quenching का संयुक्त प्रभाव, (b) shrinkage, quenching और phase transformation का संयुक्त प्रभाव, और (c) shrinkage तथा phase transformation का संयुक्त प्रभाव। इन सभी मामलों में यह देखा जाता है कि maximum tensile residual stress weld के centre line पर नहीं बल्कि toe region पर develop होता है। ये tensile stress maxima मुख्य रूप से shrinkage के कारण होते हैं।

एक महत्वपूर्ण नियम यह है कि component के जिन क्षेत्रों में cooling सबसे बाद में होता है, वहाँ यदि thermal stress dominate करता है तो tensile stresses उत्पन्न होते हैं, जबकि यदि transformation stress dominate करता है तो compressive stresses उत्पन्न होते हैं।

weld centre line और maximum tensile stress के बीच का अंतर surface quenching type thermal residual stress, phase transformation stress या दोनों के combined effect को दर्शाता है। जैसे-जैसे transformation zone का area बढ़ता है, transformation stresses आमतौर पर कम हो जाते हैं।

अंत में, residual stresses के निर्माण के मुख्य कारण निम्न हैं: parent metal और filler rod/electrode के गुण, weld का shape और size, weld metal और parent metal का relative proportion, joint का type और welding method (जैसे tacking, back-step sequence), heat input, structure का type और adjacent joints, expansion-contraction की स्थिति (free या constrained), cooling rate, और पहले से मौजूद stresses।

welded joints में internal stresses अक्सर locked रहते हैं क्योंकि contraction restrained होता है। ये stresses बहुत कम से लेकर बहुत अधिक तक हो सकते हैं और कभी-कभी metal की strength से भी अधिक हो जाते हैं, जिससे cracks उत्पन्न हो सकते हैं। ये locked-in stresses dangerous होते हैं क्योंकि बाहरी load के साथ मिलकर failure का कारण बन सकते हैं।

residual stresses के कारण hydrogen-induced cracking और stress corrosion cracking जैसी गंभीर समस्याएँ भी उत्पन्न हो सकती हैं।

इसके अलावा, plate के edge पर transverse direction में weld से जुड़े बहुत high stress (σt) को end cracking problem का कारण माना जाता है, जिसे रोकने के लिए कई steels में preheat treatment आवश्यक होता है।

4.3.1. Destructive Measuring Methods

destructive measuring methods में किसी component की surface पर बने छोटे measuring base की elongation या shortening को तब मापा जाता है जब component को cutting, drilling आदि करके partially या completely unload किया जाता है। इस प्रक्रिया में जो strain प्राप्त होता है उसे relieved strain या resilience कहा जाता है, जो उस हिस्से में मौजूद internal residual stresses के release होने के कारण उत्पन्न होता है।

इन relieved stresses को बाद में Hooke’s Law का उपयोग करके back calculation के माध्यम से determine किया जाता है। यह approach केवल उन्हीं cases में संभव है जहाँ body की geometry relatively simple हो, जैसे beam, plate, cylindrical या spherical shells, क्योंकि ऐसे cases में elastic behaviour के लिए theoretical solutions उपलब्ध होते हैं।

इन measurements में resistance strain gauges, detachable strain gauges और photoelastic surface layers का उपयोग मुख्य रूप से किया जाता है। यदि principal stress direction पहले से ज्ञात हो, तो measurement और analysis काफी सरल हो जाता है, जिसे brittle lacquer method द्वारा भी determine किया जा सकता है।

accurate measurement के लिए temperature constancy अत्यंत आवश्यक होती है। cutting, drilling या layer removal के दौरान temperature में बदलाव से results प्रभावित हो सकते हैं, इसलिए पूरे process में temperature को constant रखना जरूरी है।

resilience method के उपयोग में एक महत्वपूर्ण limitation यह है कि component का yield limit exceed नहीं होना चाहिए, क्योंकि high accuracy के लिए केवल elastic deformation ही मान्य होता है। इसी कारण यह method केवल उन residual stresses के लिए उपयुक्त है जो yield strength से काफी कम हों।

इन destructive methods के विभिन्न प्रकारों और उनकी detailed techniques को आगे के sections में विस्तार से समझाया गया है।