2 - zvarni spoji

41

Beležke:

izr. prof. dr. Zoran Ren Strojni elementi - I. del

ZVARNI SPOJI

Zvarni spoji spadajo med nerazstavljive spoje in jih uporabljamo predvsem za spajanje nosilnih strojnih delov in konstrukcij. Poglavje je namenjeno spoznavanju osnov zvarnih spojev in različnih postopkov varjenja kovin in umetnih snovi. Prikazane so vrste zvarov in zvarnih spojev ter načini njihovega pravilnega oblikovanja. V zaključku je naveden postopek trdnostnega preračuna talilnih zvarnih spojev v splošnem in posebej točkovnih zvarnih spojev.

42

Beležke:


Strojni elementi______________________________

Zvarni spojiFakulteta za strojništvo

Zvarni spoji

Varjenje - spajanje kovinskih ali nekovinskih delov s termičnimi postopki taljenja ali mehčanja na mestu spoja z ali brez dodajnegagradiva.

Zvar - območje v katerem je nastala spojitev z varjenjem.

Zvarni spoj - zvar in stični deli varjencev.

osnovno gradivo ali varjenec

sprememba mikrostrukture

osnovnega gradiva

koren zvara

teme zvara zvar

toplotno vplivano področje (TVP)

pod 720°C(za jeklo)

43

Beležke:




Prednosti in slabostizvarnih spojev

Prednosti:• nosilnost enaka ali le malo manjša od nosilnosti osnovnih gradiv, • čelni zvari omogoča primernejše oblikovanje zvarjenih delov,• do 50 % lažji in cenejši postopek izdelave konstrukcij,• zaradi gladkih površin lažja naknadna obdelava proizvoda,• gospodarnost pri majhnem številu zvarjencev in velikih kosih,• izmet varjencev majhen, ker so velike možnosti za popravilo.

Slabosti:• spajamo lahko le gradiva, ki imajo enako ali sorodno sestavo,• neenakomerno krčenje in raztezanje varjencev med spajanjem

zaradi lokalnega segrevanja, kar povzroči dodatne notranje napetosti,• potrebna ustrezna priprava zvarnega mesta, • ustrezna razvrstitev zvarov po legi in zaporedju izvajanja,• majhna sposobnost dušenja vibracij in slaba odpornost proti koroziji.

44

Beležke:




Nastanek zvarnega spoja

Zvarni spoji temeljijo na kohezijskih silah v zvaru, saj po zvaritvizvarni spoj predstavlja nerazdružljivo celoto.

Postopke varjenja v osnovi delimo na:• varjenje s toplotno energijo (talilno varjenje),• varjenje z mehansko energijo, toplo ali hladno.

Po namenu delimo varjenje v:• zvarjanje – spajanje dveh ali več delov z zvarnim spojem,• navarjanje – nanašanje dodajnega gradiva na osnovno gradivo.

45

Beležke:




Varjenje s toplotno energijo

Stične dele varjencev ter dodajno gradivo segrevamo na delovno temperaturo varjenja, ki je višja od tališča gradiva varjencev. Pri tem pride do zlitja taline osnovnega in dodajnega gradiva, ki po strditvi tvori nerazstavljivo zvezo med spojenimi deli.

osnovno gradivo ali varjenec

sprememba mikrostrukture

osnovnega gradiva

koren zvara

teme zvara zvar

toplotno vplivano področje (TVP)

pod 720°C(za jeklo)

46

Beležke:




Načini talilnega varjenja

Plamenskovarjenje

Varjenje s svetlobnimsnopom

• plamensko varjenje,

• obločno varjenje,

• varjenje pod žlindro,

• aluminotermično varjenje,

• varjenje z elektronskim snopom,

• varjenje z laserjem,

• varjenje s plazmo,

• varjenje s svetlobnim snopom. Obločnovarjenje

47

Beležke:




Načini uporovnega varjenja

• soležno (a) in soležno obžigalno (b) varjenje,

a varjenec b vpenjalna naprava c vir električne energije d zvar e reža f žmula g greben

F F

F

a) b)

pred varjenjem

po varjenju

48

Beležke:





• prekrivno točkovno varjenje - dvostransko (a), enostransko (b),

• prekrivno bradavično varjenje - dvostransko (a), enostransko (b),

a varjenec b valjasta elektroda c vir električne energije d zvar

F

F

F

F

F

F a) b)

a varjenec b elektroda c vir električne energije d zvar

F

F

F

F

F

F

a) b) pred varjenjem po varjenju pred varjenjem po varjenju

49

Beležke:





• prekrivno kolutno varjenje,

• visokofrekvenčno induktivno varjenje.

a varjenec b kolutna elektroda c vir električne energije d zvar

F

F

F

F a) b)

zvarjanje pločevin navarjanje tanke folije

50

Beležke:




Primernost varilnih postopkov

Osnovno gradivo Ogljikova jekla Legirana jekla JL T S,N,T Al in Al-zlitine Cu in Cu-zlitine Debelina varjenca 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 4 5 6 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 Plamensko varjenje

gola oplaščena • •

elek

troda

oplaščena B pod prahom

MIG • • • MAGO

bloč

no v

arje

nje

zašč

itni

plin

TIG Elektronski snop

točkovno kolutno • •

Upo

rovn

o va

rjenj

e

obžigalno • Legenda: JL – jeklena litina T – temprana litina S – siva litina N – nodularna litina Al – aluminij Cu – baker Debelina varjenca: 1 – ≤ 1 mm 2 – 1…3 mm 3 – 3…6 mm 4 – 6…15 mm 5 – 15…40 mm 6 – > 40 mm

– možno variti • – možno variti samo Cu-zlitine

51

Beležke:




Načini varjenja z mehansko energijo

• hladno varjenje s silo,

• toplo varjenje s silo,

• varjenje s trenjem,

• varjenje z ultrazvokom,

• eksplozijsko varjenje,

• difuzijsko varjenje.

52

Beležke:




Vrste talilnih zvarnih spojev

Ime spoja in opis Prečni prerez Ime spoja in opis Prečni prerez

Soležni spoj Deli ležijo v eni ravnini

Poševni spoj Spoj dveh delov pod

kotom

Soležni spoj s privihom Spoj varjencev s

privihanimi robovi

Kotni spoj T Spoj dveh pravokotnih

delov

Prekrivni spoj Spoj delov, ki se delno prekrivajo

(tudi zaplatni spoj)

Križni spoj (dvojni T) Spoj treh delov, ki se

križajo

Paralelni spoj Spoj dveh delov, ki se

v celoti prekrivata

Vogalni spoj Robni spoj delov pod

poljubnim kotom

Skladovni spoj Spoj dveh vzporednih

delov

Večdelni spoj Spoj večih delov, ki s

čeli tvorijo žleb

53

Beležke:




Splošna razdelitev zvarov

a)

b)

d)c) e) f)

soležni zvari kotni zvari posebni zvari

a) V-zvar b) X-zvar c) kotni zvar d) dvojni kotni zvar

e) K-zvar z dvojnim kotnim zvarom f) polovični Y-zvar s kotnim zvarom v korenu

54

Beležke:




Vrste in oblike talilnih zvarov

Ime zvara Znak Priprava Izvedba Ime

zvara Znak Priprava Izvedba

Soležni spoji Zvar s

privihom Polovični

Y-zvar

I-zvar Dvojni Y-zvar

V-zvar K-zvar

PolovičniV-zvar U-zvar

Široki V-zvar

Dvojni U-zvar

X-zvar J-zvar

Y-zvar Dvojni J-zvar

Kotni spoji

Kotni zvar

Dvojni kotni zvar

Vogelni zvar

Skladovni spoji Robni

ploščati zvar

Robni V-zvar

55

Beležke:




Vrste in oblike mehansko varjenih zvarov

Ime Znak Priprava Izvedba Ime Znak Priprava Izvedba Soležni spoji

Grebenastizvar

Žmulastizvar

Gneteni zvar

Prekrivni spoji Enoredni točkovni

zvar

Bradavični

zvar

Dvoredni točkovni

zvar

Kolutni

zvar

56

Beležke:




Kakovostni razredi zvarov po SIST ISO 10721

1. razred − vse vrste soležnih zvarov morajo imeti korenske zvarke, kotni in križni zvari pa prevarjene prereze; uporabljeno osnovno in dodajno gradivo mora imeti atest; zvari morajo biti brez napak, izvaja se 100% kontrola (radiografska, ultrazvočna); varijo lahko samo strokovno usposobljeni varilci z atestom za ta kakovostni razred.

2. razred − vse vrste spojev in zvarov; gradiva so atestirana, manjše napake so dopustne le v zvarih, ne sme pa biti razpok; obvezna je 50% kontrola; varijo lahko le varilci z atestom za postopke in položaje varjenja, ki so možni na konstrukciji.

3. razred − soležne zvare morajo izdelati atestirani varilci; zahtevana je 10% kontrola zvarov z ultrazvokom in 100% vizualna in merska kontrola.

4. razred − ni posebnih zahtev, zato se lahko uporablja le za enostavne konstrukcije.

57

Beležke:




Skupine zvarov po DIN EN 25817 za namene preračuna

skupina B − zvari visoke kakovosti (1. in 2. kakovostni razred); uporabljamo jih pri visokih obremenitvah, kjer je porušitev zvara lahko življenjsko nevarna ali povzroči izpad glavne funkcije stroja ali naprave, pri velikih dinamičnih obremenitvah (npr. vozila, delovni stroji, preše, vzvodovja itd.), oziroma pri posebnih zahtevah pri rezervoarjih in tlačnih posodah v stroje- in žerjavogradnji;

skupina C − zvari srednje kakovosti (3. kakovostni razred); uporabljamo jih pri srednje velikih obremenitvah, kjer porušitev zvara ne povzroči izpada glavne funkcije stroja ali naprave, in pri srednje velikih dinamičnih obremenitvah (npr. podpore, določeni deli ohišij, ohišja ležajev itd.);

skupina D − zvari nizke kakovosti (4. kakovostni razred); uporabljamo jih pri majhnih obremenitvah, kjer porušitev zvara nima bistvenih posledic, in pri statični ali majhni dinamični obremenitvi (npr. priprave, zaboji, zaščite itd.).

58

Beležke:




Oblikovanje talilnih zvarnih spojev

1 2

1 2

1 2

1 2

a)

b)

c)

d)

σ2σ1

σ2σ1

σ1

σ1

σ2

σ2

• pravilna izbira vrste in načina izdelave zvara

a) V-zvar s slabo prevarjenim korenom c) V-zvar z očiščenim in zavarjenim korenomb) V-zvar z dobro prevarjenim korenom d) X-zvar

• izogibati se nateznim napetostim v korenu zvara pravilno nepravilno

F F σmax

A

Detajl A

59

Beležke:





• izogibati se spremembi toka silnic v območju zvara

a) b)

F

σ

F F

Fσ

nateg

nateg

tlak

a) b) c)

a) soležni spoj b) kotni spoj

a) izbočen b) ravni c) vbočen

60

Beležke:





• varjenci primerno oblikovani za varjenje (a)

• izogibati se kopičenju zvarov (b)

• izogibati se prekratkim in predolgim zvarom; dolžina zvara v mejah max(6a, 40 mm) ≤ lzv ≤ 150a.

pravilnonepravilno

kopičenje zvarov

pravilno nepravilno

a) b)

• paziti na dostopnost zvarov

61

Beležke:




Računska debelina zvara

a) b) c) d) e)

t min

t min

tmin t

• računska debelina zvara

a) soležni zvar b) ravni kotni zvar c) izbočen kotni zvar d) vbočen kotni zvar e) neenakokraki kotni zvar

minmax

max

maxmaxmin

7,0

mm30zamm5mm30zamm2

mm5,0mm1

ta

tt

ta

⋅≤

≥<

≥−⋅≥

soležni zvar: a = tmin

kotni zvar:

62

Beležke:




Računska dolžina zvara

a) b)

a = t

lzv l

a

a

lzv

l

a

a

a

a) soležni zvar b) kotni zvar

prilega

Varjenje s prilego:

lzv = l

• računska nosilna dolžina zvaradolžina na kateri ima zvar polno debelino a

Varjenje brez prilege:

lzv = l − 2a

63

Beležke:




Kritični prerezi zvara in osnovne napetosti

a) b)

σ⊥

σ1⊥ σ1| |

σ2 | |

σ | |

σ | |

τ1⊥

τ2⊥

τ⊥

τ | |

σ2⊥

τ2| |

τ1| |

a

a =

t

a

priključna ravnina zvara 2

priključna ravnina zvara 1 σ1⊥ = τ2⊥

τ1⊥ = σ2⊥ σ1| | = σ2 | |

τ1| | = τ2| |


σ⊥ − normalna napetost - pravokotno na računsko ravnino zvara,

σ − normalna napetost - vzdolž zvara,

τ⊥ − strižna napetost - v računski ravnini pravokotno na dolžino zvara,

τ − strižna napetost - v računski ravnini vzdolž dolžine zvara.

64

Beležke:




Tlačna, natezna in strižna obremenitev zvarnega spoja

τσ

≤=

ττσ

⊥

⊥

dop

dop

||zv

zv

zvs

s

n

AF

F = Fn⊥ normalna sila pravokotno na ravnino zvaraF = Fs⊥ strižna prečna sila; prečni zvariF = Fs strižna vzdolžna sila; vzdolžni zvariAzv = Σa⋅lzv računski prerez zvara

a) b)

a

a

a

d

Fn⊥ Fn⊥

l zv

Azv

Azv

+σn⊥ +σn⊥

+σn⊥

a2

Fs

l zv2

Azvl zv

2

lzv1 lzv1

vzdolžni zvar

prečni zvar

a 1

τs | |

τs | |

τs⊥


65

Beležke:




Upogibna obremenitev zvarnega spoja

dopzvzvzv

uu y

IM

σ≤⋅=σ ⊥

a) b)

a = t F

l zv

Azv

Azv

+σu⊥težišče zvara

L

L F

−σu⊥

+σu⊥

−σu⊥

y zv


• upogib v kritični ravnini zvara

66

Beležke:




Upogibna obremenitev zvarnega spoja

• upogib v prečni ravnini zvara

a) b)

pasnica

A1 = b⋅t

y 1

bb

s = a

t

A2= l⋅s a

y 1

y 2

pasnica

stojina

stojina

y zv

y zv

n n

n n

t

l

σu | |

τ | | σu | |

τ | |

Mu Mu

Fp Fp

A1 = b⋅t

težiščnica

težiščnica

dop|| zvp

aIHF

τ≤Σ⋅

⋅=τdop|| zvzv

uu y

IM

σ≤⋅=σ


H = y1⋅A1 + y2⋅A2

Σa = a

H = y1⋅A1

Σa = 2a

67

Beležke:




Vzvojna obremenitev zvarnega spoja

a a

d =

2r

T

Azv

d

τt | |

τt | |

dop|| zvtzv

t WT

τ≤=τ

a

F r

Azv

težišče zvarnega spoja

L

b

lzv

lzv

b

τt

τs⊥

τt

dopzvtzv

t rIT

τ≤⋅=τ

τ⊥ ≈ τt + τs⊥ ≤ τzv dop

• vzvoj krožnega zvara

• vzvoj splošnega zvara

dopzvzv

s AF

τ≤=τ ⊥

68

Beležke:




Sestavljena napetostna stanja in primerjalne napetosti

• skupna normalna napetost

• skupna strižna napetost

• primerjalna napetost v zvaru (hipoteza največjih normalnih napetosti)

• primerjalna vrednost napetosti

dopzvun σ≤σ+σ=σ ⊥⊥⊥

dop2

||2

zvτ≤τ+τ=τ ⊥

dop22 4

21

zvpzv σ≤

τ⋅+σ+σ⋅=σ ⊥⊥

dop2

||2222

zvpzv τ≤τ+τ+σ=τ+σ=τ ⊥⊥⊥

• primerjalna napetost v bližnjih prerezih varjenih delov

dop22 3 σ≤τ+σ=σ p

69

Beležke:




Dopustne napetosti v talilnih zvarih

Vrsta obremenitve

statična utripna izmenična

Gradivo varjencev Vrsta zvara Napetostno stanje zvara in

oznaka dopustne napetosti

S k u p i n a S235 S355 S235 S355 S235 S355

Nateg, tlak, upogib, sest. napetost σzv dop

B C D

160 130 110

220 175 155

110 85 75

130 105 90

55 45 40

65 50 45 Soležni zvar s

prevarjenim korenom

Strig τzv dop B C D

100 80 70

140 110 100

70 55 50

80 65 55

35 30 25

40 32 28

Nateg, tlak, upogib, sest. napetost σzv dop

B C D

140 110 100

180 145 125

95 75 65

100 80 70

45 35 32

50 40 35

Soležni zvar brez

prevarjenega korena Strig τzv dop

B C D

90 70 60

110 85 75

60 50 40

70 55 50

30 25 20

35 30 25

Ploščati kotni zvar Vsi primeri

σzv dop τzv dop

B C D

90 70 60

110 85 75

60 50 40

70 55 50

30 25 20

35 30 25

Vbočen kotni zvar Vsi primeri

σzv dop τzv dop

B C D

120 95 85

150 120 100

75 60 50

90 70 60

40 30 25

45 35 30

Dvojni ploščati* in krožni kotni

zvar Vsi primeri

σzv dop τzv dop

B C D

140 110 100

190 150 130

90 70 60

120 95 85

50 40 35

55 45 40

70

Beležke:




Oblikovanje točkovnih zvarnih spojev

• vedno oblikujemo kot prekrivne spoje a) b) c)

F F F

F

F F F

d)

T = F⋅l l

a) strig b) simetrični nateg c) nesimetrični nateg d) vzvoj

• priporočljiva samo strižna obremenitev točkovnih zvarov

pravilno pravilno

nepravilno! natezna

obremenitev

nepravilno!nesimetrična

natezna obremenitev

71

Beležke:




Oblikovanje točkovnih zvarnih spojev

• paziti na dostopnost orodij za točkovno varjenje

F

v e d

• v smeri obremenitve zaporedno namestiti najmanj 2 in največ 5 varilnih točk

• izogibati se enovrstnim prekrivnim prečno obremenjenim zvarnim spojem

a) b) c) F F F F

Ft

F F Fn

a) enovrstni enostranski b) dvovrstni enostranski c) dvovrstni dvostranski z zaplato

72

Beležke:




Izbira premera in razporeditve varilnih točk

• izkustvena priporočila za izbiro premera varilne točkekonstrukcijska jekla

legirana jekla d = (3,5…4,5)⋅tmin

aluminij d = (10…11)⋅tmin

min5 td ⋅=

v e

d

v e e

v e

d d

b

a

b

enovrstni točkovni zvar dvovrstni točkovni zvar dvovrstni izmenični točkovni zvar

tmin d e v a b tmin d e v a b 0,5

1 1,5 2

3 4 5 6

10…20 12…25 15…30 18…36

6…12 8…16

10…20 12…24

8…12 10…15 12…18 15…22

6 7,5 8 9

3 4 5 6

8 10 12 14

25…50 30…60 36…71 45…85

16…32 20…40 24…48 28…56

20…30 25…38 30…45 36…53

11 13 15 18

Oznake: tmin – najtanjša debelina pločevine d – premer varilne točke e – razdalja med varilnimi točkami v – razdalja od roba pločevine v smeri varilnih točk a – razdalja med dvema vrstama varilnih točk b – razdalja od roba pločevine normalno na smer varilnih točk

• priporočila za razporeditev točkovnih zvarov

73

Beležke:




Trdnostni preračun točkovnih zvarnih spojev

verjetna

porušitvena linija spoja

F

F

• strižna obremenitev zvarne točke

dopzvzv

zv AmnF

τ≤⋅⋅

=τ

• natezna obremenitev zvarne točke

dopmin

ss tdnF

τ≤⋅π⋅⋅

=τ

74

Beležke:




Kontrola ustreznosti debeline varjencev

a) b) c)

F

F F

F F

F

d

d

d

d

t t

m = 1

m = 2

p

p

a) eno in dvostranski točkovni zvar b) ekvivalentni spoj z zatičem c) strižne ravnine spoja

• kontrola površinskega tlaka

dopmin

ptdn

Fp ≤⋅⋅

=

• dimenzioniranje na porušitveno silo varjencev

mmzvmzvzvm FRSAmnF =⋅≈τ⋅⋅⋅=

75

Beležke:




Dopustne napetosti točkovnih zvarov jeklenih varjencev

Dopustne napetosti točkovnih zvarov v [N/mm2]

Natezna trdnost jeklenih varjencev Rm v [N/mm2] Vrsta dopustne napetosti

Vrsta obremenitve 250 300 350 400 450 500 550 600

τzv dop statična utripna

izmenična

60 40 20

75 50 25

90 55 30

100 65 35

110 70 35

125 80 40

135 90 45

150 95 50

pdop ena

strižna ravnina

statična utripna

izmenična

165 110 55

200 130 65

235 150 75

265 175 90

300 195 100

335 215 110

365 240 120

400 260 130

pdop dve

strižni ravnini

statična utripna

izmenična

275 180 90

335 215 110

390 250 125

445 285 145

500 320 160

555 355 180

610 390 195

665 425 215

τs dop statična utripna, izmenična

75 50

90 60

105 70

120 80

135 90

150 100

165 110

180 120

Oznake: τzv dop dopustna strižna napetost točkovnega zvara pdop dopustni površinski tlak gradiva varjenca τs dop dopustna strižna napetost gradiva varjenca

76

Beležke:




Primeri praktičnih zvarnih spojev

vilice vezna cev

zvar

r t =

a

R

D = φ

50

2 - zvarni spoji

Documents

vir elektrine energije

napetost zv dop

strina napetost

za jeklo

pod 720c

kakovostni razred

soleni zvar

zvar dvojni