Nerazstavljive zveze Zvarni spoji

Strojni in gradbeni elementi Nerazstavljive zveze Zvarni spoji doc.dr. Boris Jerman Viri: [1] Zoran Ren. Strojni elementi - I. del. VARJENE ZVEZE. Prosojnice; [2] Messer katalog. Varjenje aluminija v zaščitnem plinu; 1 Zvarni spoji spadajo med nerazstavljive zveze; uporabljajo se predvsem za spajanje nosilnih strojnih delov in konstrukcij. Vsebina poglavja: definicije izrazov; osnove zvarnih spojev; postopki varjenja kovin; vrste zvarov in zvarnih spojev; kvalitete zvarov; načini pravilnega oblikovanja zvarnih spojev. 2 1

Varjenje Varjenje je spajanje gradiv s taljenjem ali mehčanjem s pomočjo segrevanja mesta spoja. Pri spajanju se lahko uporabi tudi dodajno gradivo. Spaja se lahko kovinska in nekovinska gradiva. Za segrevanje potrebna toplotna energija se lahko: dovaja v sistem od zunaj (talilno varjenje); se ustvarja iz dovedene zunanje mehanske energije (varjenje z mehansko energijo). 3 Zvar in zvarni spoj Zvar predstavlja ožje območje, na katerem je prišlo do spajanja s postopkom varjenja. Zvar je lahko enovit ali pa sestavljen iz večih varkov. Zvarni spoj zajema zvar (v ožjem smislu) in okoliško osnovno (spajano) gradivo. 4 2

Talilni zvarni spoj 5 Izgled talilnega zvarnega spoja Soležni spoj dveh pločevin iz Al-zlitine, izveden s sočelnim V-zvarom, sestavljenim iz več varkov. Varvarjenje je povzročilo zaostale natezne napetosti v področju vara, kar je povzročilo krivljenje [2] 6 3

Načini talilnega varjenja plamensko varjenje, elektro-obločno varjenje, varjenje pod žlindro, aluminotermično varjenje, varjenje z elektronskim snopom, varjenje z laserjem, varjenje s plazmo, varjenje s svetlobnim snopom 7 Plamensko varjenje jeklene cevi a varjenec b šoba gorilnika c zvar d dodajno gradivo e dotok mešanice acetilena in kisika f plamen Plamensko varjenje shematski prikaz [1] 8 4

Elektroobločno varjenje aluminija v zaščitnem plinu [2] a varjenec b vir električne energije c oplaščena elektroda d talina in žlindra e električno oblok f varilska ročica g zvar Elektro-obločno varjenje shematski prikaz [1] 9 F pritisna sila a varjenec b vpenjalna naprava c vir električne energije d zvar e reža f žmula g greben F pritisna sila a varjenec b valjasta elektroda c vir električne energije d zvar Prekrivno uporovno točkovno varjenje shematski prikaz [1] Soležno uporovno varjenje shematski prikaz [1] 10 5

Prekrivno uporovno kolutno varjenje shematski prikaz [1] 11 Vrste talilnih zvarnih spojev [1] 12 6

Osnovna delitev talilnih zvarov [1] čelni zvari (v soležnih spojih) kotni zvari (v T in križnih spojih) posebni zvari (čelni zvar v T spoju, kotni zvari v Y spoju) 13 Detaljna delitev talilnih zvarov 1/2 [1] 14 7

Detaljna delitev talilnih zvarov 2/2 15 Vrste in oblike mehansko varjenih zvarov 16 8

Kakovost zvarov 17 Oblikovanje talilnih zvarnih spojev 1/4 a) ni spremembe b) prisotna sprememba smeri toka silnic Natezne napetosti v korenu zvara so še posebej neugodne! Sprememba smeri toka silnic vedno prisotna a) najbolj neugodno c) najbolj ugodno 18 9

Oblikovanje talilnih zvarnih spojev 2/4 Enostranski delno prevarjen čelni var se sme uporabiti pri čelnem priključku pravokotne ali okrogle cevi (T-, Y- in X- spoj), kjer je tak var izveden po celem obsegu. [2] 19 Oblikovanje talilnih zvarnih spojev 3/4 20 10

Oblikovanje talilnih zvarnih spojev 4/4 21 [2] Varilni robot Ročno varjenje 24 11

Projektna nosilnost (odpornost) čelnega zvara za statične obremenitve je načeloma enaka projektni nosilnosti šibkejšega elementa v spoju pod predpostavko, da je zvar izdelan z ustreznim dodajnim materialom in ustrezno tehnologijo, ki zagotavljata v celotnem varu minimalno mejo plastičnosti in spodnjo mejo trdnosti, ki sta vsaj enaki osnovnemu materialu v spoju. Pri mnogih skupinah nosilnih konstrukcij je taka naosilnost vezana na natančne preglede tovrstnih varov z neporušnimi metodami (ultrazvok, röntgen). Če teh preiskav ni, se kljub kvaliteti zahteva znižanje projektnih oziroma dopustnih vrednosti za faktor k < 1. Dopustna napet. v solež. zvaru se tedaj izračuna: σ = k σ zv, dop dop( osn. mat ) 25 Tabela: Vrednosti koeficienta k (za soležne varjene spoje ter za T in križne spoje ob polni prevaritvi) Kvaliteta zvara Vrsta napetosti Vrednosti faktorja k R pl =220-260 R pl =260-360 MPa MPa nateg 1,0 tlak 1,0 1. razred strig 0,6 S-kvaliteta prim.nap.(nateg) 1,0 prim.nap.(tlak) 1,0 2. razred I.-kvaliteta 3. razred II.-kvaliteta nateg 0,8 tlak 1,0 strig 0,6 prim.nap.(nateg) 0,8 prim.nap.(tlak) 1,0 nateg 0,72 0,65 tlak 1,0 0,8 strig 0,55 0,5 prim.nap.(nateg) 0,72 0,65 prim.nap.(tlak) 1,0 0,8 26 12

σ pr Projektna nosilnost čelnega zvara s polno prevaritvijo 2 2 2 2 = σ + σ σ σ + 3 ( τ τ ) σ σ pr zv, dop + l j = b 2 a l j = b τ σ τ a = t σ t b 27 Projektna nosilnost čelnega zvara s polno prevaritvijo Računska dolžina soležnega zvara je je načeloma njegova celotna dolžina, kjer ima var polno debelino. Soležni var ima polno debelino in s tem polno nosilnost po celotni širini zvarjenih pločevin b, kadar je izveden z uporabo priložnih ploščic, ki imajo izdelan enak žleb, kot je na osnovnem materialu: l = b [1] 28 13

Projektna nosilnost čelnega zvara s polno prevaritvijo Kadar se ne uporablja priložnih ploščic, je računska dolžina manjša. Za vsak začetek in konec varjenja brez takih ploščic se dolžina zmanjša za eno debelino zbara a: l = b 2a [1] l b 29 Projektna nosilnost čelnega zvara s polno prevaritvijo Računska debelina soležnega zvara: [1] 30 14

Projektna nosilnost delno prevarjenegačelnega zvara za statične obremenitve Kjer se za delno prevarjeni čelni zvar pripravi žlebove: 1/2V, V, J, U ali plitev K, se v preračunu upošteva: a = a nom - 2 mm razen, če je možno s predhodnimi testiranji dokazati globljo prevaritev. Enako pravilo velja za čelni zvar v delni prevaritvi v T-spoju, če neprevarjen del presega petino debeline stene ali 3 mm. Slika: Žleb v obliki plitvega K, za izvedbo delno prevarjenega čelnega zvara v soležnem spoju a nom = 2a 1 31 Projektna nosilnost delno prevarjenega čelnega zvara z obojestranskim kotnim zvarom v T ali križnem spoju za statične obremenitve Kadar je v T- spoju, ki sestoji iz dveh delnih prevaritev s čelnim varom (a 1 ) z dodanima kotnima varoma (a 2 ), neprevarjen del (e) manjši od petine debeline stene in tudi manjši od 3 mm, ter je skupna debelina obeh varov (2a 1 +2a 2 ) brez neprevarjenega osrednjega dela (e) večja ali enaka debelini priključne stene (t), se vzame, da je celotna debelina prevarjena (a=t). 32 15

Kotni zvar (fillet weld, Kehlnaht) Kotni zvari se uporabljajo za spajanje dveh elementov preko njunih bočnih površin, ki tvorita medsebojni kot od 60 do 120. Pri kotih manjših od 60 in večjih od 120, se kotni zvar ne smatra več nosilen. Pri kotih večjih od 120 je možno kotni zvar premakniti na čelno stran priključevane pločevine, s čimer so pogoji za kvaliteten kotni zvar zopet vzpostavljeni. Področje uporabe kotnih zvarov je zelo široko: Pogosto se jih uporablja za vzdolžno spajanje pločevin in profiliranih polizdelkov pri izdelavi močnejših odprtih in zaprtih enoosnih varjenih nosilnih elementov. Enako pri izdelavi varjenih ortotropnih ploskovnih in prostorskih konstrukcij. Zelo so uporabni pri prekrivnih spojih pločevin in profiliranih polizdelkov (klasična in deloma tudi cevna paličja). 33 Kotni zvar Enostranski kotni vari se ne uporabljajo, če naj bi prevzemali s svoje korenske strani natezno napetost (natezna osna sila v priključnem elementu, upogibni moment z nategom na korenski strani). 34 16

Kotni zvar Kotni var samo z ene strani se sme uporabiti v grupi ostalih tipov vara na delu obsega priključene cevi, ki je po celem obsegu privarjena na osnovno cev. [2] 35 Kotni zvar Kotni var samo z ene strani se sme uporabiti v grupi ostalih tipov vara na delu obsega priključene cevi, ki je po celem obsegu privarjena na osnovno cev. Kotnih zvarov ne končujemo na vogalu pripojenega elementa ali dela, ampak jih je potrebno nadaljevati po zavoju vsaj še dve polni debelini vara, kjerkoli je to možno v isti ravnini. Končne zavoje je potrebno naznačiti na risbi. To pomeni, da kotnih varov tudi ne začenjamo na vogalu. 36 17

Projektna nosilnost (odpornost) kotnih varov za statične obremenitve Dopustna napetost kotnega vara: σ zv, dop = 0,5 Rm( osn. mat) ν ν ν ν I II III = 1,5 = 1,33 = 1,2 37 Projektna nosilnost kotnih varov za statične obremenitve 2 2 2 σ pr = n + V + V σ σ pr zv, dop V a t 1 l j = b = b 2 a l j t 2 n a V b 38 18

Projektna nosilnost (odpornost) kotnih varov za statične obremenitve Nosilna dolžina (effective length) je načeloma njegova celotna dolžina, kjer ima var polno debelino. Kadar se ne uporablja priložnih ploščic, je računska dolžina manjša: l = b 2a. [1] b Obstajajo izjeme. 1. Kotnih varov z dolžino, ki je krajša od njegovih šestih debelin (l w < 6a), se ne upošteva kot nosilne. 39 Projektna nosilnost (odpornost) kotnih varov za statične obremenitve Nosilna dolžina (effective length) 2. Dolgi kotni vari (daljši od 150 a) v prekrivnih spojih (overlapped joints), ki so v smeri delujoče sile, se ne upoštevajo v svoji polni dolžini* (L w,eff < L j ). Efektivna dožina se izračuna: L w,eff =β Lw. L j β Lw = 1,0 pri L j 150 a β Lw = 1,2-0,2 L j /(150 a) pri L j 150 a L j... dolžina kotnega vara v smeri delovanja obremenitve. * Dolgi vratni kotni vari, ki vežejo elemente (npr. pasnico in stojino) v varjenem enoosnem nosilnem elementu po celi dolžini, so polno nosilni. 40 19

Računska debelina kotnega vara je višina največjega kotnemu zvaru včrtanega trikotnika. Ta višina se meri pravokotno na zunanjo stranico trikotnika (stranico ob temenu vara). Debelino kotnega vara se označuje s črko a. [1] [1] [2] a a 41 Projektna nosilnost (odpornost) kotnih varov za statične obremenitve Računska debelina kotnega vara pri nosilnih jeklenih konstrukcijah ne sme biti manjša od a = 3 mm. Pri globokem uvaru se lahko upošteva povečana debelina, če je to dodatno debelino možno dokazati kot stalno dosegljivo. a n a [2] Pri avtomatskem obločnem varjenju pod praškom se sme nominalna debelina vara povečati za 2 mm brez predhodnih raziskav, vendar največ za 20 % osnovne debeline vara. 42 20

Največja in najmanjša dovoljena debelina kotnih varov Spodnja meja: a = a min min ( t max { t, t,... } t = max max 1 2, ) t N t max [mm] a min [mm] 4 12 3 (12) - 17 4 (17) 25 5 (25) 35 6 (35) - 50 7 (50) 70 8 (70) - 10 43 Največja in najmanjša dovoljena debelina kotnih varov Zgornja meja: amax = ε t min t min = min 1 2, { t, t,... } t N t min [mm] e do 8,5 1,00 8,5 (10) 0,95 10 (12) 0,90 12 (14) 0,85 14 (20) 0,80 20 In več 0,7 44 21

Oblikovanje vogalnih spojev V izogib razslojevanju zaradi možne večplastnosti pločevin se detajle vogalnih varjenih spojev ustrezno prilagodi: Primer 1 Primer 2 Razslojevanju podvržen detajl Izboljšan detajl [2] 45 Oblikovanje talilnih zvarnih spojev [1] 46 22

Oblikovanje talilnih zvarnih spojev [1] 47 Oblikovanje neojačanih T spojev Aktivna širina b eff pri T spojih enoosnih tankostenih nosilnih elementov (brez ojačitvenih reber v spoju): Primer 1 (pločevina na pasnico I-profila Primer 2 (ploč. na pas. škatlastega pr.) [2] (b eff = efektivna oz. obremenjena dolžina zvarov) (Za popolno nosilnost zvarnega spoja so potrebna ojačitvena rebra.) 48 23

T-spoji z ojačitvijo Aktivna širina b eff pri T spojih z ojačitvenimi rebri v spoju: Primer 1 (pločevina na pasnico I-profila) Lahko dolgo ali kratko rebro. Primer 2 (pločevina na pasnico škatlastega profila) [2] (b eff = obremenjena dolžina zvarov) (Za popolno nosilnost zvarnega spoja so potrebna ojačitvena rebra.) 49b z Potrebna debelina vratnega vara pri I profilu x Vratni vari preprečujejo zdrs pasnic vzdolž stojin, s čimer prisilijo pasnice k sonošenju obremenitve in tako znatno povečajo togost in nosilnost (I y in W y ). Pri vratnih kotnih varih se upošteva le t II : τ s = I T S y p b( z) = T S I y p a w 50 24

Potrebna debelina vratnega vara pri I profilu Kadar so varjeni nosilci, ki so obremenjeni na strig in na upogib relativno kratki (dolžina manjša od štirih višin profila), so obremenitve vratnih zvarov relativno velike, zaradi česar mora biti tudi debelina zvara večja. Z večanjem relativne dolžine upogibno-strižno obremenjenih elementov postajajo obremenitve vratnih zvarov relativno manjše. Tedaj so ti zvari praviloma na spodnji meji možne debeline. Za vratni zvar se uporabljajo največkrat kotni zvari, pri dinamično obremenjenih konstrukcijah in pri žerjavih pa tudi čelni zvari. Za obojestranski kotni zvar mora veljati: a a min a = w a max 2 51 25