ANVENDTE SVEISEMETODER - NTNUfolk.ntnu.no/hennj/materialteknologi/materialtekno... · Sveiseforbindelser (lectures notes) Henning Johansen © side 3 RIKTIG FUGETYPE

Sveiseforbindelser (lectures notes)

Henning Johansen © side 1

ANVENDTE SVEISEMETODER

De vanlige sveisemetodene:

Figur .

Sveisemetoder generelt.

SVEISEMETODER

SMELTE- ANDRE MOTSTANDS-

SVEISING METODER SVEISING

Kaldtrykks- Punkt-

GAS- LYSBUE- sveising sveising

SVEISING SVEISING

Eksplosjons- Søm-

sveising sveising

pulver MIG TIG Friksjons- Brendstuk-

sveising Sveising

Elektro- Ultralyd Høyfrekvens-

gas induksjon

Elektron-

stråle

Laser



SVEISEANGIVELSER PÅ TEGNINGER

Norsk Standard, NS 1421, viser hvordan sveiser skal angis med symboler på tegninger.

Figur.

I figuren er:

1: pillinje

2: henvisningslinjer:

2a: referanselinje (hellinje)

2b: identifiseringslinje (stiplet linje)

3: sveisesymbol

Eksepler på bruk av grunnsymboler etter NS 1421:

Tabell.



RIKTIG FUGETYPE

NS 472 foreskriver fugeformer for konstruksjonsstål

og

NS 473 for aluminium

Tabell.

Fugeformer for konstruksjonsstål.



SPENNINGSFORDELING I SVEISEFORBINDELSER

Figuren viser hvordan kraftstrømmen går i noen

sveiseforbindelser.

Vi kan danne oss et bilde av spenningsforløpet ved å

tegne tenkte kraftlinjer (som ved å tenke væskers

strømning i rør).

Forbindelse : Kraftflyt : Spenningsfordeling i snitt A:

Figur.



Figurene under viser spenningsfordeling og kraftlinjer i noen sveiseforbindelser

Figur.

Kilsveis.

a) spenningsfordelingen. s = strekkspenning og b = bøyespenning

b) kraftlinjer

Figur.

Spenningsfordeling og kraftlinjer langs kilsveis.



SVEISESPENNINGER

Etter sveising vil det opptre restspenninger i konstruksjonsdetaljen.

Figuren under viser restspenninger etter buttsveis mellom to ikke

innspente plater.

a) Buttsvis i frittliggende plate

b) Fordeling av lengdespenningene x over bredden y-y

c) Fordeling av tverrspenningene y over lengden x-x

kurve 1: For ikke-innspente plater

kurve 2: For innspente plater

Figur.

Typisk fordeling av restspenninger i ikke-innspente plater med buttsveis.

Det er viktig å tenke på hvor sveisene plasseres i en konstruksjon.

Plasser sveisene der hvor spenningene er lave, hvis mulig.

Figur.

Plassering av sveiser i dampbeholder med jevnt fordelt indre trykk.



SVEISBARHET OG SVEISESIKKERHET

SVEISBARHET

Et materiale er godt sveisbart når det kan sveises med vanlige metoder og tilsettmaterialer på en enkel måte uten spesielle ekstra tiltak for å oppnå et

tilfredsstillende resultat.

o Sveisen skal være uten sveisefeil av betydning

o Sveisen, sveisemetallet og den varmepåvirkete sone av grunnmaterialet, skal ha egenskaper som er minst like gode som grunnmaterialet

Sveisbarheten er avhengig av:

◦ Grunnmaterialets egenskaper

◦ Anvendt sveisemetode

◦ Materialdimensjoner - sier bare noe om grunnmaterialet

◦ Sveisebetingelser

◦ Konstruksjonsutforming

◦ Aktuelle driftsforhold for den sveiste konstruksjonen

SVEISESIKKERHET Gir uttrykk for driftssikkerheten til sveist stålkonstruksjon.

De alvorligste defekter eller feil som en sveiseoperasjon kan føre til i sveisen eller i varmepåvirket sone,

og som kan tilbakeføres til grunnmaterialets egenskaper er:

▫ Varmsprekker

▫ Kaldsprekker

▫ Inneslutninger

▫ Forringelse av grunnmaterialets egenskaper i overgangssonen

Sveisesikkerhetsbegrepet skjelner mellom tre typer feil:

▫ Mindre, opprinnelige sprekker (rotfeil, kratersprekker, kantsår osv.)

▫ Utmattingssprekker (kommer ofte fra de samme sveisefeil som nevnt over)

▫ Sprøbrudd - mest alvorlige brudd i sveiste konstruksjoner

Forutsetningene for at et sprøbrudd kan oppstå (forenklet):

▪ fleraksiale spenninger

▪ begynnelsessprekk

▪ sprøtt materiale - viktigste variabel. De fleste standarder løser dette med krav til valg av materialkvalitetsgrupper eller pålitelighetsklasser

- omfatter hele den sveiste konstruksjonen

- forekommer i nesten alle konstruksjoner



EN KONSTRUKSJON BEREGNES ETTER 2 OMSTENDIGHETER:

1) LASTOMSTENDIGHETENE

Belastning eller påkjenning. Denne er gitt igjennom konstruksjonens hensikt.

Eksempel, Kranbro hvor last er egenvekt og kranlast.



2) HVA KONSTRUKSJONEN TÅLER

Hvordan den kan oppføre seg før den ikke lenger kan sies å fylle sin funksjon.|

Figur.

Grensetilstander.

a) Brudd.

b) Driftsteknisk uheldig deformasjon.

c) Slitasjemessig og driftsmessig uønsket deformasjon.

a) Kranlasten blir så stor

at kranen bryter

sammen.

b) Ved noe mindre last

bøyer kranbroen seg

så mye at løpekatten

ikke kjører ordentlig

på den, men søker

mot midten på broen.

c) Når kranbroen bøyer

seg ned, forandrer

kranen sporvidde.

Kransene på

kranhjulene ligger

da mot skinnene og

gjør at kranen går

for tregt.

BRUDDGRENSETILSTANDEN

BRUKSGRENSETILSTANDEN

c) Når kranbroen bøyer

seg ned, forandrer

kranen sporvidde.

Kransene på

kranhjulene ligger

da mot skinnene og

gjør at kranen går

for tregt.



ELASTISKE BEREGNINGSMETODER- forutsetter at konstruksjonen er i elastisk tilstand

BEREGNINGSMETODER

GRENSETILSTANDER

BRUDDGRENSETILSTANDEN

DEFINERT kapasitet.

FASTLEGGES i relasjon til faren for:

- brudd

- store elastiske forskyvninger

- tøyninger som kan sammenlignes med brudd

BRUKSGRENSETILSTANDEN

DEFINERT grense som ikke skal overskrides ved forutsatt bruk.

FASTLEGGES i relasjon til faren for uakseptable:

- forskyvninger - tøyninger

- spenninger - nedbøyninger

- o.l.

Basert på maksimale laster. Bruddgrenselaster.

Dimensjonerende last: fd γFF

F = last som virker

fγ = lastfaktor - avhenger av lasttype (NS3490)

= 1,5 for dominerende nyttelast

= 1,05 for andre nyttelaster

= 1,2 for egenlast

Basert på tillatte, virkelige opptredende laster. Brukslaster.

Dimensjonerende last: FFd

F = last som virker

Maksimal elastisk bæreevne.

Dimensjonerende spenning:

M

Fd

2

xyyx

2

y

2

x.opptrj σ3

yF f = flytegrensen til materialet

Mγ = materialfaktor (= 1,1 for grunnmateriale og buttsveiser)

(γM for sveiseforbindelser, se butt- og kilsveis)

)f(σ ddeopptredend

Tillatt spenning.

Tillatt spenning:

F

Ftill

2

xyyx

2

y

2

xopptrjn

σσ3

Fσ = flytegrense til materialet

Fn = sikkerhetskoeffisient (avhengig av konstruksjonens- og

belastningens art, nF = 1,5 – 2,5 vanligvis)

tilleopptredend σσ



SVEISTE KONSTRUKSJONER GENERELT

Som lastbærende sveiser benyttes:

■ Buttsveis (med full eller delvis gjennomsveising)

□ K-sveis (med full eller delvis gjennomsveising)

● Kilsveis

Figur.

Buttsveiser, kilsveiser og K-sveiser.



■ BUTTSVEIS

GENERELT:

Kapasiteten av en buttsveis med full gjennomsveising = Kapasiteten av den svakeste av de platene som inngår i forbindelsen

Sveisens kapasitet påvises ved spenningene:

dim..opptr σ

Eller opptredende

dj f

M

F2

xyyx

2

y

2

xjopptrγ

3τσσσσ

hvor:

opptr. = opptredende spenning

dim. = dimensjonerende spenning

F (= fy) = flytegrense for forbindelsens svakeste del

M = materialfaktor = 1,1 som for grunnmateriale

Forutsetning: Det benyttes elektrode som gir sveisavsett som har flytegrense og bruddfasthet som ikke underskrider grunnmaterialets verdier.



□ K-SVEISER (T-buttsveiser) som består av delvis gjennomsveiste buttsveiser forsterket med kilsveis.

Kan dimensjoneres som buttsveis med full gjennomsveising.

Forutsettning:

- nominelt a-mål, anom. ≥ tsteg

- usveist gap cnom. ≤ 0,2t

cnom. = 3mm maksimum

Hvis disse forutsetningene ikke er tilstede:

Dimensjonering som for kilsveis med a = anom. – 2mm

Figur.

Fuger for K-sveiser (T-buttsveiser).



Buttskjøt og T-skjøt

Buttskjøt T-skjøt

Figur.

Butt- og T-skjøt.

- Normalspenning:

ltF

sAF

σ

- Skjærspenning:

ltR

sAR

Hvor As = sveisetverrsnitt

l = lengde

t = tykkelse sveis/plate

R

R F

t F

t

F

F



● KILSVEIS

Kilsveis generelt

Sveisesnitt (skravert areal a · l):

Spenningskomponenter:

Normalspenninger:

- normalt på sveiseretningen

Skjærspenninger: - parallell med lengderetningen

Spenningene antas jevnt fordelt over sveisens rotmål a.

Jevnførende spenning (generelt) etter deviasjonshypotesen: 2

xyyx

2

y

2

xj 3τσσσσ

Jevnførende spenning for kilsveis:

2

ll

2

ll

2

ll

2

j 33τσσσσ

(setter = 0, vanligvis uavhengig av a-mål)

a

l

Figur.

Sveisesnitt a·l.



Eksempler på laster og resulterende spenningskomponenter.

Figur.

Laster og resulterende spenningskomponenter.



Kilsveis etter maksimal elastisk spenningstilstand (bruddgrensetilstanden)

Sveisens kapasitet pr. lengdeenhet kan beregnes etter metode a) eller b):

Metode a)

Beregner spenningskomponentene på basis av opptredende krefter pr. lengdeenhet sveis. Spenningskomponenter defineres etter figuren under:

Sveisens kapasitet påvises ved spenningene:

Wβ

Mγ

B2ll

3τ23τ2σ .dj.opptr

( ≈ 0)

og

Mγ

Bσ

hvor:

B (= fu) = bruddfastheten for forbindelsens svakeste del

W = korrelasjonsfaktor avhengig av grunnmaterialets nominelle bruddfasthet

etter tabell under.

M = materialfaktor = 1,25 for kilsveis.

Tar hensyn til evt. kapasitetsreduksjon forårsaket av korrosjon eller

mekanisk nedbrytning.

Figur.

Spenningskomponenter i kilsveisen.

Spenningene antas jevnt fordelt over sveisens rotmål a.

Tabell.

Bruddfasthet fu (B) og Korrelasjonsfaktor W.



Metode b) (Gjelder for tilfeller som vist i figur.)

Beregner sveisens kapasitet pr. lengdeenhet, uavhengig av kraftens retning i forhold til sveisens orientering:

Kapasitet pr. lengdeenhet:

N/mmafF dW,dW,

hvor:

a = sveisens a (rot) -mål

fW,d = sveisens dimensjonerende skjærspenning

3

1

γ3τf

wM

BdddW,

hvor:

τd = dimensjonerende skjærspenning

B = fu = bruddfastheten for forbindelsens svakeste del

W = korrelasjonsfaktor

M = materialfaktor (= 1,25 for kilsveis)

a

l3

l2

l1

α

F

Figur.



Sveisesømmens geometri

kilsveisens nominelle a-mål,

anom. = høyden av den største trekant som kan innskrives i kilsveisens tverrsnitt

Figur.

Definisjon av a-mål for kilsveiser.

generelt : amin. = 3mm

ved automatisk pulversveising : a = 1.2anom. for a ≤ 10mm

a = anom. + 2mm for a > 10mm

Sveisens lengde ved lastoverføring skal være l ≥ 40mm eller l ≥ 6a

Figur.

Automatisk pulversveising gir ekstra innsveising.

a

anom.



Sveiseforbindelser utsatt for strekk / trykk

Eksempel 1 Buttsveis med full gjennomsveising

Gitt:

- materiale S235 (St37)

- f = 1,5

- M = 1,1

KONTROLLER SVEISEN!

Løsning:

Opptredende normalspenning (strekk):

2100N/mmopptr.

σ

10015

1,5310100

btfγF

opptr.σ

Dimensjonerende normalspenning:

2213,6N/mm1,1

235

Mγ

Fd

σ

dσ

opptr.σ

100 < 213,6 OK!

F

b=100

F=100kN

t=15

Figur 14.1



Eksempel 2 Kilsveis, langsgående

Stenger:

A

γFσ f A=? A1 = 708 = 560mm2 minst dimensjonerende

A2 = 2506 = 600mm2

1

f

A

γFσ

setter

stM

Fd

γσσ

stM

F

1

f

γA

γF

N1204801.15,1

355560

γγ

AF

stMf

F1

6

8

Gitt:

- manuell buesveising

- materiale S355

- Msv =1,25 Mst =1,1

- f =1,5

- sveisene like sterke som stengene

BESTEM: l

l

6 F/2 F

50 70

Figur 14.2

F/2

F F



Sveis:

2

ll

2

ll

22

j 3τ3ττ3σσ

opptrf

s

fj

4al

γF3

4A

γF3σ

WsvM

Bd.opptr

βγ

setter dopptr.σ

WM

Bf

βγ4al

γF3

sv

WMf

B

βγ3

4alF

sv

43,2mm51044

1204800,925,15,13

f4a

F3l

u

WMf sv

Velger l = 50mm

450

a

amaks.= 6sin450 = 4,25mm

velger a = 4mm maks. 6

6

8

l

6 F/2 F

50 70

F/2

F F



Eksempel 3 Kilsveis, tversgående

Stenger:

A

Fγfstrekk.opptr

Setter: Opptredende spenning = dimensjonerende spenning

dopptrσ

M

Ff

A

F

kN4,85N455.851,15,1

2351060AF

Mf

F

Gitt:

- sveisene er like sterke som stengene

- det sveises med manuell buesveising

- materiale er S235

- M-stengene = 1,1

- M-sveisene = 1,25

BESTEM:

a) Sveisens a-mål

b) Kraften F

F 10

60

Figur 14.3

F

F F



Sveis:

s

f

A2

Fγ

2

1τσ

s

f2222

ll

22

jA2

F

2

12243τ3ττ3σσ

opptr.

s

fj σ

A2

Fγσ

Setter: Opptredende spenning = dimensjonerende spenning

dopptr σσ

WM

B

s

f

βγA2

Fγ

23

u

fWMs mm6,251

3602

104,855.18,025,1

f2

FA

mm2,460

6,251

L

Aa s

Velger a = 5mm

450

450

= når vinkel = 450 (vanligvis)

2

σσ2

2

1σ45sinτσ 0

0

F 10

60

F

F F



Eksempel 4 Kilsveis, belastet i en skrå retning

Sveisens kapasitet pr. lengdeenhet kan beregnes uavhengig av kraftens retning i forhold til sveisens orientering.

N/mmafF dW,dW,

Sveisens dimensjonerende skjærspenning:

2

wM

u

ddW, 261,7N/mm3

1

0,91,25

510

3

1

γ

fτf

afl

FF dW,

sv

fdW,

2,5mm261,71702

101501,5

fl

Fγa

3

dW,sv

f

Velger a = 3mm

a

16

120

170

450

F

Gitt:


- materiale S355

- F = 150kN

- M =1,25 f =1,5

BESTEM:

Sveisens a-mål

Figur 14.4



Sveiseforbindelser utsatt for bøyning

Eksempel 5 Bjelke sveist fast i en vegg med kilsveis.

Bøyespenning : yI

Mσ

sveisx

bb

hvor:

Mb = bøyemoment

Ix = flate treghetsmoment

y = avstand

Skjærspenning p.g.a. bøying: sx

bbI

STτ

sveis

hvor:

T = skjærkraft

S = statisk moment av flaten

utenfor beregningsplanet

b = bredden av beregningsplanet



Fordelingen av b og b vises til venstre i figuren under.

Figur 15.1 Bjelke sveis fast i vegg med kilsveis.

Skjærspenningen b er liten i overkant og underkant og er omtrent like stor over hele høyden h.

Vi forenkler beregningene - antar at hele skjærkraften tas opp av de vertikale sveisene og at den er jevnt fordelt over h.

Belastningen F ligger parallelt med skjærkraften T, så den tilsvarer:

ha2

Fτll

(se figuren)

b er vanligvis liten. Unntak er for veldig korte bjelker, da blir b (Mb) liten og b blir stor i forhold. Da bør vi beregne b etter gitte ligning.

b = ‖

≈



Gitt i eksempel:

- F = 6.250N

- b = 10mm h = 100mm L = 300mm a = 4mm Kontroller flattstål og sveis.

- materiale S235


Flattstål:

Nmm10281330062505,1LFM 3

fb

4333

x mm1083312

10010

12

hbI

2

3

3

x

bb N/mm9,168

2

100

10833

102813

2

h

I

Mσ

.maks

2f N/mm4,910010

62505,1

hb

Fγτ

opptr

22222

bj N/mm7,1694,939,168τ3σσmaks.

Opptredende spenning ≤ Dimensjonerende spenning

dopptr.σ

1,1

2357,169

M

F

169,7 < 213,6N/mm2 OK!



Sveis:

Vi må kontrollere snitt A og B i figuren

33

x hba2ha2b12

1I

sveis

4333

x mm1010561001042100421012

1I

sveis

Snitt A:

Her opptrer det kun bøyespenning

2

3

3

x

bb N/mm8,1434

2

100

101056

102813a

2

h

I

Mσ

sveis

A

‖ = 0

222

ll

22

j τ3στ3τσσ

bb

2

j σ2σ2

2σ2τ4σ

bb

2

Aj mm/N6,2038,1432σ

450

450

b

b b 2

σ45sinστσ b0

bbb

0

A

B



Snitt B:

Her opptrer det bøyespenning og skjørspenning

Bøyespenning

2

3

3

x

bb N/mm2,133

2

100

101056

102813

2

h

I

Mσ

sveis

B

2b

bbN/mm2,94

2

2,133

2

στσ

Skjørspenning

2fll N/mm7,11

10042

62505,1

ha2

Fγτ

2222

ll

22

BjN/mm4,1897,1132,944τ3τσσ

bb

2

JA mm/N6,203 er størst

Kontroll:

WM

Bdopptr.jj

βγσσσσ

Amaks.

3608,025,1

3606,203

OK!

og

M

Bb

γ2

σσ A

28825,1

3607,101

2

8,143 OK!

‖



Sveiseforbindelser utsatt for vridning

- Forbindelser med sirkulære tverrsnitt:

Vrispenning: rI

Mτ

sveisp

vv

44

p da2d32

πI

sveis

Forenkling:

a4

πdI

3

psveis gyldig når d >> a

Figur 16.1 Ringformet kilsveis utsatt for vridning.

hvor:

Mv= vridemoment

Ip = polart flate treghetsmoment

r = radius, avstand til beregningspunkt



Ved innfesting av "kasseprofiler", anvendes:

Bredts formel: aA2

Mτ

o

vv

Hvor:

Ao = Areal innskrevet av sveisens rot uavhengig av kasseprofilets form.

Figur 16.2 Rektangulært tverrsnitt. Ao = bh i Bredts formel.

Eksempel:

Rektangulært tverrsnitt

abh2

Mτ v

v

gyldig når 2b

h5,0



OPPSUMMERING

Dimensjonerende last: fd FF

F = last som virker

f = lastfaktor = 1,5 for dominerende nyttelast

= 1,05 for andre nyttelaster

= 1,2 for egenlast

Buttsveis og grunnmateriale

Opptredende spenning Dimensjonerende spenning

dim..opptr σ

M

F2

xyyx

2

y

2

xγ

3τσσσσ

F = fy = flytegrense for forbindelsens svakeste del

M = materialfaktor = 1,1 som for grunnmateriale

Kilsveis

Spenningene antas jevnt fordelt over

sveisens rotmål a-mål:

Spenningskomponenter:

Normalspenninger:

settes = 0 - normalt på sveiseretningen

Skjærspenninger: - parallell med lengderetningen

Opptredende spenning Dimensjonerende spenning

dim..opptr σ

WM

B222

γ33τσ

(vi setter = 0)

og

M

B

γ

B = fu = bruddfastheten for forbindelsens svakeste del (fra tabell)

W = korrelasjonsfaktor avhengig av grunnmaterialets nominelle bruddfasthet (fra tabell)

M = materialfaktor = 1,25 for kilsveis

Documents

ANVENDTE SVEISEMETODER - NTNUfolk.ntnu.no/hennj/materialteknologi/materialtekno... · Sveiseforbindelser (lectures notes) Henning Johansen © side 3 RIKTIG FUGETYPE