Nastavna jedinica: ZAVARENI SPOJEVI (elementi za spajanje nerastavljivi spojevi) Definicija (DIN 1910 HRN C.T001): Zavareni spoj: spoj komponenata pomoću zavara. Više elemenata međusobno povezanih zavarivanjem: zavareni dio; više tako zavarenih dijelova: zavareni sklop. [Juvinall + Marshek, Fondamanti progg. comp. macchine, ETS, 199]
Zavareni spojevi prikladni za: - prijenos sila, momenata savijanja i uvijanja; - cijenom povoljno povezivanje elemenata konstrukcija; - upotrebu na visokim temperaturama; - izradu nepropusnih spojeva. Prednosti: - u odnosu na lijevanje: uštede na težini, veća krutost i veća sloboda oblikovanja konstrukcija; - u odnosu na zakovične i vijčane spojeve: manja težina, lakše čišćenje, struktura se ne oslabljuje rupama. Nedostaci: - uglavnom za iste/slične materijale; - povećanje krhkosti, pojava pukotina (+ uključci) te zaostalih naprezanja; - ostvarivanje spoja teško, kvaliteta nejednolika; - nema rupa koje jednoznačno određuju montažu. [Rollof/Matek: Maschinenelemente, Vieweg, 00] Stezanje i zaostala naprezanja kod zavarivanja: [Glienicke, TU Braunschweig, 199] Ipak, zavarivanje je gotovo u potpunosti istisnulo zakovične spojeve u strojarstvu (kod trupova aviona još uvijek zakovice) i u građevinarstvu,...
OSNOVE OBLIKOVANJA ZAVARENIH KONSTRUKCIJA 1. Izbjegavati zarezno djelovanje:. Izbjegavati skretanje toka sila : [Decker: El. str., Golden + TK, 006]. Izbjegavati vlačna naprezanja u korijenu zavara: 4. Izbjegavati gomilanje zavara:
5. Dati prednost poluproizvodima 6. Izbjegavati skupe pripremne radove: 7. Paziti na pristupačnost šavova ZAVARENI SPOJEVI U STROJOGRADNJI U zavarenim šavovima naprezanja se računaju kao: Vlačno/tlačno naprezanje u šavu: σ v,t l (d+a). π σ v,t F a ( l) normalno naprezanje okomito na šav (MPa)
F (N) vanjsko opterećenje (a. l) računska površina zavara (mm ) ona koja preuzima opterećenje; - računska debljina a: - računska duljina zavara l jednaka je ukupnoj duljini zavara. [Decker, 006] [Rollof/Matek, 00] Vlak/tlak može se javiti i u smjeru šava (uzdužno). Tu je σ u šavu σ u presjeku zavarenih dijelova: F σ II v,t A A1 + A A Ova naprezanja imaju obično mali utjecaj te se ne kontroliraju.
Normalno naprezanje u istom pravcu može se javiti i pri savijanju: σ u presjeku šavova σ u zavarenim dijelovima: M M σ II s y W I y (mm) udaljenost od težišnice do korijena šava. U proračunu momenta tromosti I (mm 4 ) uzima se u obzir Steinerovo pravilo I x I x + b A: [Križan, 1999] Izraz u kojem se pojavljuju male veličine (s ) obično se zanemaruje pa je: s h bs s h I + 1 1 1 1 1 + + A 0 y0 A 0 y 0
Naprezanje šava na savijanje momentom M (Nmm) može se javljati i σ : σ s M I zav x y Položaj težišnice šavova: z1a1l 1+ zal+ zal y T a l + a l + a l 1 1 z i bi trebalo računati do sredine šava, ali se, s malom greškom, može računati s udaljenostima do korijena šavova. [Rollof/Matek: Masch.elem., Vieweg, 00] Ukupni moment tromosti (uz Steinerovo pravilo): I zav x a l 1 1 1 + a l 1 1 la + 1 y 1 + + a l la 1 y + a Zanemarujući izraze s malim veličinama (a i a ): I a l al y 1 1 1 zav x + a1l 1y1 + al y + Najveće naprezanje na donjem kraju vert. šavova: σ s M 1 y max I zav x l y
Primjer: Za čelični konstrukcijski sklop opterećen silom F 4 kn kao na slici, provjeriti naprezanja u zavarenom šavu označenom s A w u odnosu na težišnicu zavarenih spojeva x. Dopuštena naprezanja u zavaru su 60 MPa. Rješenje: Površine zavara na A w : A A A zav zav1 zav _ tot a l A zav A 1 1 zav1 5 10 100 mm a l + A zav 6 156 mm zav [Decker: Maschinenelemente, Hanser, München, 00] + A y 151 mm Položaj težišnice šavova se određuje kao (80 i 85 udaljenosti do korijena šavova i ): Azav _ i yzav _ i 100 60+ 156 80+ 156 85 y A 151 y zav _ tot 64,6 mm Momenti tromosti pojedinih šavova u odnosu na os u (momenti tromosti šavova i u odnosu na vlastito težište su zanemarivi): I zav1u a1l 1 1 4 l a l + a1l 1 1 1 5 10 6 5,76 10 mm 1 1 4 a l 1 1
I I I zavu zavu zav _ u A y zav Azavy I zavi 156 80 156 85 7,89 10 6 0,998 10 1,17 10 mm 4 6 6 mm mm U odnosu na težišnicu šavova x je moment tromosti (drugačiji prikaz Steinerovog pravila): I zav I zav _ u A I zav _ tot zav y 1,58 10 7,89 10 6 mm Izračun momenta savijanja i provjera naprezanja: σ s M M I zav 5 FL 4000 00 8 10 5 8 10 y 1,58 10 6 4 6 4 4-151 64,6 Nmm 64,6,7 MPa< 60 MPa Smično naprezanje u šavu (s F q (N); T F q T/r): (a. l). a. (d+a). π τ II F q a ( l) Tu je naprezanje paraleleno sa zavarom:
Smično naprezanje se okomito na šav: F τ q ( a l) U uzdužnom smjeru šava opterećenog na savijanje nastaju i smična naprezanja zbog poprečnih sila: τ II I F q S a Djeluju li u nekom kritičnom presjeku istodobno vlačna/tlačna i naprezanja na savijanje: zbrajanje u rezultirajuće normalno naprezanje. Ako djeluje i smično naprezanje računa se s ekvivalentim naprezanjem: σ ek σ + τ
i [Decker: El. str., Golden + TK, 006] ZAVARENI SPOJEVI PRI GRADNJI KOTLOVA I TLAČNIH POSUDA Ova vrsta spojeva je ekstenzivno obrađena na konstrukcijskim vježbama o tlačnim spremnicima. Ovdje se samo ponovno ističu najvažnije postavke. - Spojevi moraju biti nepropusni i vrlo čvrsti. - Veći otvori pojačavaju se. - Valja izbjegavati gomilanje šavova. - Potrebna najmanja debljina stijenke s za cilindrične plašteve tlačnih posuda pri D v /D u 1, pod unutarnjim pretlakom i za cijevi s D v 00 mm i D v /D u 1,7 pod unutarnjim ili vanjskim pretlakom:
Du p Dv p se 1 + c1+ c+ c + c1+ c+ c K K ν p ν + p S S s e1 najmanja debljina stijenke (mm) D u, D v unutarnji i vanjski promjer plašta (mm) p najviši dopušteni pogonski tlak (N/mm MPa) K proračunska čvrstoća (MPa) S faktor sigurnosti (σ dop K/S) ν koef. oslabljenja zbog zavara (0,8... 1) c 1, c, c (mm) koeficijenti kojima se uzima u obzir moguće odstupanje debljine stijenke pri izradi (c 1 ), korozija (c ) odnosno obzidavanje tj. težina zida (c ). Potrebna debljina stijenke bombiranih dna računa se pak po: Dv pβ se + c1+ c+ c+ c4+ c5 K 4 ν S β proračunski koeficijent oblika dna c 4, c 5 (mm) koeficijenti koji uzimaju u obzir vanjski tlak, tj. odstupanja od teorijskog oblika (splošnjavanje, utisnuća) (c 4 ) odnosno konstrukcijski dodatak (c 5 ). Plašteve i dna izložena vanjskom tlaku treba računati prema gornjim izrazima uz ν 1.
Kod spajanja priključaka, izmjere zavara moraju onda zadovoljiti sljedeće uvjete: [Decker: Maschinenelemente, Hanser, München, 004] ZAVARENI SPOJEVI ČELIČNIH KONSTRUKCIJA Ovo je dano kao referenca za zainteresirane studente. Ovaj dio ne treba znati na ispitu, ali vam može e biti koristan u vašem budućem radu. U visokogradnji, gradnji dizala i gradnji mostova se profilirani Č, šipke, cijevi i limovi spajaju u nosive konstrukcije i nosače (npr. krovne). Vanjski štapovi se tu zovu pojasevi; oni se ukrućuju vertikalnim i dijagonalnim štapovima. U čvoru se uvijek sastaje više štapova. Puni nosači se izvode kao limeni ili kao sandučasti asti nosači. Da se ne bi izbočili, na određenim razmacima zavaruju se ukrućenja koja kod sandučastih nosača imaju oblik poprečnih pregrada. Za zavarene Č konstrukcije s pretežno mirnim opterećenjem koristi se HRN C.T.081 (DIN 4100).
Kod dizalica je mjerodavan i HRN C.M.D1.050 (DIN 10), odnosno HRN M.D1.00 do 050 (DIN 15018). [Decker: El. str., Golden Marketing + Teh. knjiga, 006] Kod ovih konstrukcija treba voditi računa da: - min. debljina nosivih dijelova od Č pri maloj opasnosti od korozije iznosi 4 mm, kod dizalica mm, kod čvornih limova 4 mm, kod cijevi mm; - treba težiti nesmetanom toku sila (bez nepovoljnih prijelaza presjeka, provrta ili proreza u blizini zavara,...); - težišnice štapova treba pokušati postaviti podudarno s linijama sustava, a težišnicu zavarena priključka dovesti do pokrivanja s težišnicom štapa (na slici: l 1. e 1 l. e ): [Decker: El. str., Golden + Teh. knjiga, 006]
- u konstrukcijama podložnim koroziji prekidane zavare treba izvesti kao zatvorene kutne zavare: [Decker: El. str., Golden + TK, 006] - bočne kutne zavare treba izvesti debele koliko traži proračun (ne deblje!); - izvedbe u kojima zavareni šavovi i vijci zajednički prenose silu nisu prihvatljivi jer se ne može znati niti proračunati koji dio opterećenja će preuzeti zavareni šav, a koji vijci. Naprezanja i odgovarajući proračun su tu analogni onima objašnjenim za strojarske konstrukcije. Standardi onda propisuju da, ako na kutni zavar istodobno djeluju i normalna i smična naprezanja, računa se s ekvivalentnim naprezanjem (MPa): σ ek σ + τ + τ II Prema prijedlogu DIN 15018 (HRN M.D1.00 do 050) treba pak ekvivalentno naprezanje kod nosača dizalica računati prema: σ ek σ σ σ σ τ + II II+
Proračunata naprezanja uspoređuju se s dopuštenim naprezanjima: (H opterećenje se tu računa kao zbroj svih glavnih tereta (vlastite težine i ispune) + pokretni teret + sile inercije; HZ opterećenje zbog glavnih + dodatnih tereta (vjetar, kočenje, toplinski utjecaji) dopuštena naprezanja su tu veća jer je malo vjerojatno da će sva opterećenja djelovati istovremeno; mjerodavan je onaj način kojim se proračunom dobiju veći presjeci) [Decker: El. str., Golden Marketing + Teh. knjiga, 006] S. Zelenika KEI 5.ppt Osim provjere naprezanja, za čelične konstrukcije vrši se i provjera stabilnosti. Nosači dizala su pak opterećeni promjenjivo (dinamički) pa se tu računa dinamička izdržljivost. S. Zelenika KEI 5.ppt
Kod čeličnih (lakih) cijevnih konstrukcija se visoka lokalna naprezanja izbjegavaju uvođenjem sile na što većoj širini oboda cijevi: [Decker: El. str., Golden + TK, 006] Novi bazen na Kantridi:
PRORAČUN DINAMIČKI OPTEREĆENIH ZAVARENIH KONSTRUKCIJA Ovo je dano kao referenca za zainteresirane studente. Ovaj dio ne treba znati na ispitu, ali vam može e biti koristan u vašem budućem radu. Razlikuju se tu slučajevi naprezanja uzrokovanih - cikličnim opterećenjima, - udarnim opterećenjima i - udarnim opterećenjima s pauzama. Ako je konstrukcijski dio podvrgnut stalno promjenjivim opterećenjima, u kojem se maksimalno opterećenje javlja rijetko, dimenzioniranjem prema tom opterećenju on bi bio predimenzioniran. To se izbjegava upotrebom krivulje učestalosti promjenjivog naprezanja. Tom krivuljom definiran je spektar naprezanja strojnog dijela zavarene konstrukcije koji je skup svih naprezanja koja se pojavljuju u eksploataciji toga dijela, svrstanih na temelju zastupljenosti pojedinih veličina naprezanja u radnom vijeku: [Decker: El. str., Golden + TK, 006]
Spektar naprezanja određen je s: - očekivanim maksimalnim naprezanjem - opsegom spektra (brojem ciklusa u ukupnom vremenu) - oblikom spektra (funkcijskom razdiobom spektra). Nosive konstrukcije i pogonski mehanizmi dijele se onda u pogonske grupe da bi se uskladili sa stvarnim pogonskim uvjetima i procjenom vijeka trajanja. Predvidivi ukupan broj promjena opterećenja N s određenim gornjim opterećenjem koje će u vijeku trajanja biti dostignuto ili prekoračeno, obuhvaća 4 područja broja ciklusa (vijeka trajanja): N 1, N, N i N 4. Tim područjima i spektrima naprezanja S 0 do S dodjeljuju se pogonske grupe opterećenja odnosno naprezanja B 1 do B 6 tako da kombinacije određenih područja broja promjena opterećenja i određenih spektara naprezanja daju približno jednaka oštećenja zavarenih dijelova: stajanja [Decker: El. str., Golden + TK, 006]
Kod krutih zavarenih konstrukcija u strojogradnji mogu se javljati i visoke vrijednosti zaostalih naprezanja koja bi pri proračunu trebalo uzeti u obzir kao uzrokovane statičkim opterećenjima. Pri superpoziciji pogonskih i zaostalih naprezanja potonja se onda dodaju srednjem naprezanju konstrukcije. Kod visoko dinamički opterećenih kritičnih zavarenih konstrukcija preporuča se ipak zaostala naprezanja otkloniti žarenjem. Udarna opterećenja se pak uzimaju u obzir faktorom udara kojim se množe vrijednosti promjenjivih opterećenja: [Decker: El. str., Golden + TK, 006]
Pogreške u zavarima su klasificirane pa se, ovisno o njihovoj veličini, obliku i položaju u zavaru razlikuju tri kvalitete zavara: - zavari specijalne kvalitete (S-kvaliteta); - zavari kvalitete I (I-kvaliteta); - zavari kvalitete II (II-kvaliteta): [Decker: El. str., Golden + TK, 006] Utjecaj zareza na dinamičku izdržljivost zavarenih konstrukcija je to veći što je u zavarenom spoju kvalitetniji materijal, a izvedba i obrada šava lošije kvalitete te tok silnica nepovoljniji. Utjecaj zareznog djelovanja uzima se u obzir faktorom K (s indeksom 0 za maleni utjecaj zareza do 4 za osobito jak utjecaj DIN 15018). Nazivna naprezanja se naravno i tu izračunavaju prema: F M F T σ v, t σ s τ τ t A W W zav zav A zav t _ zav
[Decker: El. str., Golden Marketing + Teh. knjiga, 006] Ako je konstrukcijski dio istodobno izložen različitim naprezanjima računa se s ekvivalentnim naprezanjem izračunatim prema hipotezi najvećeg deformacijskog rada: σ ek σ + τ Proračunato naprezanje mora naravno biti manje ili jednako dopuštenom naprezanju u zavarenom šavu: σ σ ek zav _ dop Za mirno (statički) opterećene strojne dijelove (κ 1) kod svih vrsta zavara i materijala vrijednost dopuštenog naprezanja određuje se uz faktor sigurnosti od 1, u odnosu na granicu tečenja, što daje 90% vjerojatnost dostizanja očekivanog vijeka trajanja.
Kod dinamički opterećenih zavarenih konstrukcija dopušteno naprezanje zavisi pak o vrsti opterećenja, materijalu, pogonskoj grupi, zareznom djelovanju i faktoru asimetrije naprezanja κ. Kod izmjenično promjenjivog opterećenja (κ -1) je onda dopušteno naprezanje: [Decker: El. str., Golden + TK, 006] Vrijednosti dopuštenih normalnih odnosno tangencijalnih naprezanja za različite vrijednosti faktora asimetrije naprezanja κ računaju se onda prema (σ min i σ max najmanje i najveće naprezanje, R m vlačna čvrstoća, R e granica tečenja, σ Dvdop i σ Dtdop dopušteno naprezanje za vlak i tlak (N/mm )): [Decker: El. str., Golden + TK, 006]
Da bi se odredila vrijednost dopuštenih naprezanja dinamički opterećenih zavarenih konstrukcija potrebno je dakle najprije odrediti pogonsku grupu opterećenja B, a prema oblikovanoj zavarenoj konstrukciji, vrsti šava i načinu opterećenja odrediti faktor zareznog djelovanja zareznog djelovanja K. Za odabrani materijal, pogonsku grupu i faktor zareznog djelovanja se onda očita dopušteno naprezanje za faktor asimetrije κ -1. Ako je vrsta dinamičkog opterećenja zavara takva da je κ -1, za stvarni faktor asimetrije naprezanja na kritičnom mjestu zavarenog šava potrebno je pak izračunati mjerodavno dopušteno naprezanje koristeći izraze iz gornjih tablica. PRORAČUN TOČKASTO ZAVARENIH SPOJEVA Kod točkasto zavarenih spojeva (isti izrazi i za bradavičaste spojeve): točka zavara se zamišlja kao smično opterećeni zatik. Jedno- i dvoredni spojevi: [Decker: El. str., Golden + TK, 006]
Uz F (N), n broj točaka zavara, m broj rezova i A d. π/4 (mm ) površina presjeka zavara): F τ n m A Zbog analogije sa zatikom vrši se i proračun na specifični tlak (i naprezanje) u zamišljenom provrtu (s (mm) debljina lima u spoju): F σ 1 n d s s min (mm) debljina najtanjeg dijela u spoju promjer točke zavara d (mm) mora se uzeti: d 5s min Dopuštena naprezanja: [Decker: El. str., Golden + TK, 006]
Primjer zavarene aluminijske konstrukcije kod žičara: Interesantni konstrukcijski element dobiven čeonim zavarivanjem vijka:
Interesantan postupak zavarivanja: spajanje različitih metala eksplozijom: [http://atlasuhv.com] POLIMERNI ZAVARENI SPOJEVI Najvažniji postupci: Zavarivanje vrućim plinom: Smjer gibanja žice za zavarivanje Vrući zrak ili dušik Uređaj za zavarivanje Papuča Pritisak Utor Materijal Temperatura zavarivanja ( C) Gotov zavar Smjer gibanja uređaja ABS PC 50 50 Dijelovi koji se zavaruju PE-HD PE-LD 50...80 70...00 PP 00 PS 50 PVC kruti 0...00
Ultrazvučno zavarivanje: 15... 70 khz, 10... 50 µm Konverter električnih u mehaničke oscilacije Pneumatski sustav za pritiskanje sonotrode na izradak Sonotroda Izradak Podloga Generator visokih frekvencija i upravljački sustav Sustav za uključivanje Temeljna ploča Sonotroda Dijelovi koji se međusobno zavaruju Blisko zavarivanje Udaljeno zavarivanje Materijal Blisko zavarivanje Zavarljivost Udaljeno zavarivanje Temperatura omekšavanja J m ( C) ABS vrlo dobra dobra 00 PC vrlo dobra dobra 40 PMMA vrlo dobra dobra 180 Amorfni PPO dobra zadovoljavajuća 00 PS vrlo dobra vrlo dobra 180 PVC dobra zadovoljavajuća 175 SAN vrlo dobra dobra 160 PA dobra zadovoljavajuća 179...55 PBT dobra zadovoljavajuća - Kristalasti PE PET dobra dobra loša zadovoljavajuća 10 - POM dobra dobra 165 PP dobra loša 165
Faze procesa: 0 Faze procesa zavarivanja Pomak sonotrode Ukupni pomak sonotrod e Vrijeme zavarivanja Vr. zadržavanja Sila pritiska sonotrode Amplituda oscilacija Vrijeme U ultrazvučno spadaju: a) Zavarivanje s gnječenjem enjem na spojnim površinama: 0,05...0,15 mm 1,0...1,5 mm 0,...0,4 mm 0...45 0,...0,5 mm Jednostruke spojne površine Prije zavarivanja Nakon zavarivanja Dvostruke spojne površine visoka čvrstoća
b) Zavarivanje s usmjerivanjem energije: c) Točkasto zavarivanje: 1,5 s 1,5 s s s PITANJA?
Što smo naučili - Definicija zavarenog spoja. - Svrha, prednosti i nedostaci zavarivanja. - Osnove oblikovanja zavarenih konstrukcija. - Zavareni spojevi u strojogradnji: - proračun čvrstoće zavarenih spojeva: - normalno i smično (okomito i uzdužno) naprezanje u šavovima; - računska debljina, duljina i površina zavara; - ekvivalentna naprezanja, - dopuštena naprezanja. Što smo naučili () - Zavareni spojevi pri gradnji kotlova i tlačnih posuda (ponavljanje s konstrukcijskih vježbi!). - [Zavareni spojevi čeličnih konstrukcija: - oblikovanje spojeva; - ekvivalentna i dopuštena naprezanja.] [- Proračun dinamički opterećenih zavarenih konstrukcija: - spektar naprezanja; - pogonske grupe opterećenja odnosno naprezanja; - normirani spektri naprezanja; - faktor udara kod udarnih opterećenja;
Što smo naučili () - kvalitete zavara; - utjecaj zareza; - ekvivalentna naprezanja; - dopuštena naprezanja u zavisnosti od faktora asimetrije dinamičkog opterećenja.] - Proračun točkasto zavarenih spojeva: - smično naprezanje u zavaru - specifični tlak u provrtu - dopuštena naprezanja. - Par interesantnih primjera zavarenih konstrukcija. - Polimerni zavareni spojevi.