9.11.2014

1

Viri:[1] Zoran Ren. Strojni elementi - I. del. VARJENE ZVEZE. Prosojnice;

[2] Messer katalog. Varjenje aluminija v zaščitnem plinu;

Strojni in gradbeni elementi

doc.dr. Boris Jerman

Nerazstavljive zveze

Zvarni spoji

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

9.11.2014

2

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

9.11.2014

3

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

9.11.2014

4

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

Plamensko varjenje – shematski prikaz [1]

a varjenec

b šoba gorilnika

c zvar

d dodajno gradivo

e dotok mešanice

acetilena in kisika

f plamen

8

9.11.2014

5

Elektroobločno varjenje aluminija v

zaščitnem plinu [2]

Elektro-obločno varjenje – shematski prikaz [1]

a varjenec

b vir električne energije

c oplaščena elektroda

d talina in žlindra

e električno oblok

f varilska ročica

g zvar

9

Soležno uporovno varjenje – shematski prikaz [1]

Prekrivno uporovno točkovno varjenje

– shematski prikaz [1]

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

10

9.11.2014

6

Prekrivno uporovno kolutno varjenje– shematski prikaz [1]

11

Vrste talilnih zvarnih spojev [1]

12

9.11.2014

7

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

9.11.2014

8

Detaljna delitev talilnih zvarov 2/2

15

Vrste in oblike mehansko varjenih zvarov

16

9.11.2014

9

Kakovost zvarov

17

Oblikovanje talilnih zvarnih spojev 1/4

Natezne napetosti v korenu zvara so še posebej neugodne!

18

a) ni spremembeb) prisotna

sprememba smeri toka silnic

Sprememba smeri toka silnic vedno prisotnaa) najbolj neugodnoc) najbolj ugodno

9.11.2014

10

19

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]

Oblikovanje talilnih zvarnih spojev 2/4

Oblikovanje talilnih zvarnih spojev 3/4

20

9.11.2014

11

Oblikovanje talilnih zvarnih spojev 4/4

21

Varilni robot

[2]

Ročno varjenje

24

9.11.2014

12

25

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:

).(, matosndopdopzvk σσ ⋅=

26

Tabela: Vrednosti koeficienta k (za soležne varjene spoje ter za T in

križne spoje ob polni prevaritvi)

Kvaliteta zvara Vrsta napetosti Vrednosti faktorja k Rpl=220-260

MPa Rpl=260-360

MPa

1. razred “S-kvaliteta”

nateg 1,0 tlak 1,0 strig 0,6 prim.nap.(nateg) 1,0 prim.nap.(tlak) 1,0

2. razred

“I.-kvaliteta”

nateg 0,8 tlak 1,0 strig 0,6 prim.nap.(nateg) 0,8 prim.nap.(tlak) 1,0

3. razred “II.-kvaliteta”

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

9.11.2014

13

27

Projektna nosilnost čelnega zvara s polno prevaritvijo

dopzvpr ,σσ ≤

)(3 22

||||

22

|| ⊥⊥⊥+⋅+⋅−+= ττσσσσσ

pr

||σ

||τ

⊥σ

⊥τ

t

ta = b

bl j =

abl j ⋅−= 2

28

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]

9.11.2014

14

29

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

l b

[1]

30

Projektna nosilnost čelnega zvara s polno prevaritvijo

Računska debelina soležnega zvara:

[1]

9.11.2014

15

31

Projektna nosilnost delno prevarjenega čelnega 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 = anom - 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

anom= 2a1

32

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 (a1) z

dodanima kotnima varoma (a2),

neprevarjen del (e) manjši od petine

debeline stene in tudi manjši od 3 mm, ter

je skupna debelina obeh varov (2a1+2a2)

brez neprevarjenega osrednjega dela (e)

večja ali enaka debelini priključne stene

(t), se vzame, da je celotna debelina

prevarjena (a=t).

9.11.2014

16

33

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).

34

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).

9.11.2014

17

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.

[2]

36

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.

9.11.2014

18

37

Projektna nosilnost (odpornost) kotnih varov za statične obremenitve

Dopustna napetost kotnega vara:

νσ

).(

,

5,0 matosnm

dopzv

R⋅=

∆

2,1

33,1

5,1

=

=

=

III

II

I

ν

ν

ν

38

Projektna nosilnost kotnih varov za statične obremenitve

||V

n

⊥V

1t

a b

bl j =

abl j ⋅−= 2

a

2t

∆≤ dopzvpr ,σσ

22

||

2

⊥++= VVnprσ

9.11.2014

19

39

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 .

b

Obstajajo izjeme.

1. Kotnih varov z dolžino, ki je krajša od njegovih šestih debelin (lw < 6a),

se ne upošteva kot nosilne.

[1]

40

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* (Lw,eff < Lj ).

Efektivna dožina se izračuna:

Lw,eff = βLw . Lj

βLw = 1,0 pri Lj ≤ 150 a

βLw = 1,2 - 0,2 Lj/(150 a) pri Lj ≥ 150 a

Lj ... 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.

9.11.2014

20

41

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.

aa

[1]

[1]

[2]

42

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.

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.

ana

[2]

9.11.2014

21

43

Največja in najmanjša dovoljena debelina kotnih varov

{ }Ntttt ,...,,max 21max =

Spodnja meja:

)( maxminmin taa =

tmax [mm] amin [mm]

4 – 12 3

(12) - 17 4

(17) – 25 5

(25) – 35 6

(35) - 50 7

(50) – 70 8

(70) - 10

44

Največja in najmanjša dovoljena debelina kotnih varov

tmin [mm] eeee

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

Zgornja meja:

{ }Ntttt ,...,,min 21min =

minmax ta ⋅= ε

9.11.2014

22

45

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]

46

Oblikovanje talilnih zvarnih spojev

[1]

9.11.2014

23

47

Oblikovanje talilnih zvarnih spojev

[1]

48

Oblikovanje neojačanih T spojev Aktivna širina beff 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]

(beff = efektivna oz. obremenjena dolžina zvarov)

(Za popolno nosilnost zvarnega spoja so potrebna ojačitvena rebra.)

9.11.2014

24

49b

T-spoji z ojačitvijo

Aktivna širina beff pri T spojih z ojačitvenimi rebri v spoju:

Primer 1 (pločevina na pasnico I-profila) Primer 2 (pločevina na pasnico

škatlastega profila)

[2]

(beff = obremenjena dolžina zvarov)

(Za popolno nosilnost zvarnega spoja so potrebna ojačitvena rebra.)

Lahko dolgo ali kratko rebro.

50

Potrebna debelina vratnega vara pri I profilu

Vratni vari preprečujejo

zdrs pasnic vzdolž

stojin, s čimer prisilijo

pasnice k sonošenju

obremenitve in tako

znatno povečajo togost

in nosilnost (Iy in Wy).

wy

p

y

p

saI

ST

zbI

ST

⋅

⋅=

⋅

⋅=

)(τ

z

x

Pri vratnih kotnih varih se upošteva le ttttII:

9.11.2014

25

51

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:

maxmin2

aa

aa w ≤=≤