ZAVARENI SPOJEVI - · PDF fileS. Zelenika KEI 5.ppt Zavareni spojevi prikladni za:-prijenos sila, momenata savijanja i uvijanja;-cijenom povoljno povezivanje elemenata konstrukcija;

S. Zelenika KEI 5.ppt

Nastavna jedinica:

ZAVARENI SPOJEVI(elementi za spajanje � nerastavljivi spojevi)


Definicija (DIN 1910 – HRN C.T3001):Zavareni spoj:Zavareni spoj: spoj komponenata pomoću zavara.Više elemenata međusobno povezanih zavarivanjem: zavareni diozavareni dio; više tako zavarenih dijelova: zavareni sklop.zavareni sklop.

[Juvinall + Marshek,

“Fondamanti progg. comp.

macchine, ETS, 1993]


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, 2003]


Stezanje i zaostala naprezanja kod zavarivanja:

[Glienicke, TU Braunschweig, 1992]

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:

[Decker: “El.str.”,Golden + TK, 2006]

2. Izbjegavati skretanje toka sila :


3. 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:

( )∑ ⋅=⊥

la

Ftv,σ

– normalno naprezanje okomito na šav (MPa)tv,⊥σ

l = (d+a).π


F (N) – vanjsko opterećenje∑(a.l) – računska površina zavara (mm2) – ona koja

preuzima opterećenje;- računska debljina a:

- računska duljina zavara l jednaka je ukupnoj duljini zavara.

[Decker, 2006]

[Rollof/Matek, 2003]


21t,II AAAA

Fv +==σ

Ova naprezanja imaju obično mali utjecaj te se ne kontroliraju.

Vlak/tlak može se javiti i u smjeru šava (uzdužno). Tu je σ u šavu = σ u presjeku zavarenih dijelova:


Normalno naprezanje u istom pravcu može se javiti i pri savijanju:

σ u presjeku šavova = σ u zavarenim dijelovima:

yI

M

W

Ms II ==σ

y (mm) – udaljenost od težišnice do korijena šava.


200

312

00

32

31 2

122

122

12yA

hsyA

bshsI +≈++=

U proračunu momenta tromosti I (mm4) uzima se u obzir Steinerovo pravilo Ix’ = Ix + b

2A:

Izraz u kojem se pojavljuju male veličine (s23)

obično se zanemaruje pa je:

[Križan,1999]


Naprezanje šava na savijanje momentom M (Nmm)→ može se javljati i σ⊥:

Položaj težišnice šavova:

332211

333222111

22

22

lalala

lazlazlazyT ++

++=

zi bi trebalo računati do sredine šava, ali se, s malom greškom, može računati s udaljenostima do korijena šavova.

yI

M

xzav

s

=⊥σ

[Rollof/Matek:

“Masch.elem.”,

Vieweg, 2003]


Ukupni moment tromosti (uz Steinerovo pravilo):

2333

333

2222

3222

111

311

12

122

122

ylaal

ylaal

ylala

I xzav

++

++

+=

Zanemarujući izraze s malim veličinama (a23 i a33):

2333

2222

2111

311

212

2 ylaylaylala

I xzav ++

+=

Najveće naprezanje na donjem kraju vert. šavova:

max

1 yI

M

xzav

s =⊥σ


Primjer: Za čelični konstrukcijski sklop opterećen silom F = 4 kN kao na slici, provjeriti naprezanja u zavarenom šavu označenom s Aw u odnosu na težišnicu zavarenih spojeva x. Dopuštena naprezanja u zavaru su 60 MPa.

Rješenje: Površine zavara na Aw:

[Decker: „Maschinen-

elemente“, Hanser,

München, 2002]

2321_

22232

2111

mm 1512

mm 15626322

mm 1200120522

=++=

=⋅⋅===

=⋅⋅==

zavzavzavtotzav

zavzav

zav

AAAA

laAA

laA

y


Položaj težišnice šavova se određuje kao (80 i 85 –udaljenosti do korijena šavova 2 i 3):

mm 6,64

1512

8515680156601200

_

__

=

⋅+⋅+⋅==∑

y

A

yAy

totzav

izavizav

Momenti tromosti pojedinih šavova u odnosu na os u(momenti tromosti šavova 2 i 3 u odnosu na vlastito težište su zanemarivi):

463

311

311

21

11

311

1

mm 1076,53

12052

32

12

42

2122

⋅=⋅

=

==

+=

lalalla

laI uzav


46_

4622333

4622222

mm 1089,7

mm 10127,185156

mm 10998,080156

⋅==

⋅=⋅==

⋅=⋅==

∑ zaviuzav

zavuzav

zavuzav

II

yAI

yAI

U odnosu na težišnicu šavova x je moment tromosti (drugačiji prikaz Steinerovog pravila):

46

262__

mm 101,58

6,641512-1089,7

⋅=

⋅⋅=−=

zav

totzavuzavzav

I

yAII

Izračun momenta savijanja i provjera naprezanja:

MPa 60MPa 7,326,641058,1

108

Nmm 1082004000

6

5

5

<=⋅⋅⋅

==

⋅=⋅==

⊥ yI

M

FLM

zav

sσ


Smično naprezanje u šavu (s Fq (N); T→ Fq = T/r):

Tu je naprezanje paraleleno sa zavarom:

( )∑ ⋅=

la

Fq

IIτ

∑(a.l) = 2.a.(d+a).π


Smično naprezanje se okomito na šav:

U uzdužnom smjeru šava opterećenog na savijanje nastaju i smična naprezanja zbog poprečnih sila:

∑=

aI

SFq

IIτ

( )∑ ⋅=⊥

la

Fqτ


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:

22 2τσσ += ⊥ek


[Decker: “El.str.”,Golden + TK, 2006]

i


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 Dv/Du ≤ 1,2 pod unutarnjim pretlakom i za cijevi sDv ≤ 200mmiDv/Du≤ 1,7 pod unutarnjim ili vanjskimpretlakom:


3213211

22ccc

pS

K

pDccc

pS

K

pDs vue +++

+=+++

−≥

νν

se1 – najmanja debljina stijenke (mm)Du, Dv – unutarnji i vanjski promjer

plašta (mm)p – najviši dopušteni pogonski tlak

(N/mm2 = MPa)K – proračunska čvrstoća (MPa)S – faktor sigurnosti (σdop = K/S)ν – koef. oslabljenja zbog zavara (0,8 ... 1)c1, c2, c3 (mm) – koeficijenti kojima se uzima u obzir moguće odstupanje debljine stijenke pri izradi (c1), korozija (c2) odnosno obzidavanje tj. težina zida (c3).


Potrebna debljina stijenke bombiranih dna računa se pak po:

543212

4ccccc

S

K

pDs ve +++++≥

ν

β

β – proračunski koeficijent oblika dnac4, c5 (mm) – koeficijenti koji uzimaju u obzir vanjski tlak, tj. odstupanja od teorijskog oblika (splošnjavanje, utisnuća) (c4) odnosno konstrukcijski dodatak (c5).

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, 2004]


ZAVARENI SPOJEVI ČELIČNIH KONSTRUKCIJA

Ovo je dano kao referenca za zainteresirane studente. Ovaj Ovo je dano kao referenca za zainteresirane studente. Ovaj dio ne treba znati na ispitu, ali vam modio ne treba znati na ispitu, ali vam možže biti koristan u e biti koristan u vavaššem buduem buduććem radu.em 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 pojasevipojasevi; oni se ukrućuju vertikalnim i dijagonalnim štapovima. U čvoru se uvijek sastaje više štapova. Puni nosači se izvode kao limeni ili kao sandulimeni ili kao sanduččasti nosaasti nosaččii. Da se ne bi izbočili, na određenim razmacima zavaruju se ukruukruććenjaenja koja kod sandučastih nosača imaju oblik poprepopreččnih pregradanih pregrada. Za zavarene Č konstrukcije s pretežno mirnim opterećenjem koristi se HRN C.T3.081 (DIN 4100).


Kod dizalica je mjerodavan i HRN C.M.D1.050 (DIN 120), odnosno HRN M.D1.020 do 050 (DIN 15018).

[Decker: “El.str.”,Golden

Marketing + Teh. knjiga, 2006]


Kod ovih konstrukcija treba voditi računa da:- min. debljina nosivih dijelova od Č pri maloj opasnosti od korozije iznosi 4 mm, kod dizalica 3 mm, kod čvornih limova 4 mm, kod cijevi 2 mm;- treba težiti nesmetanom toku sila (bez nepovoljnih prijelaza presjeka, provrta ili proreza u blizini zavara, ...);- težišnice štapova treba pokušati postaviti podudarnos linijama sustava, a težišnicu zavarena priključka dovesti do pokrivanja s težišnicom štapa (na slici: l1.e1 = l2

.e2):

[Decker: “El.

str.”,Golden +

Teh. knjiga, 2006]


- u konstrukcijama podložnim koroziji prekidane zavare treba izvesti kao zatvorene kutne zavare:

- 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.

[Decker: “El.

str.”,Golden

+ TK , 2006]


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):

2II

22 ττσσ ++= ⊥⊥ek

Prema prijedlogu DIN 15018 (HRN M.D1.020 do 050) treba pak ekvivalentno naprezanje kod nosača dizalica računati prema:

2II

2II

2 2 ⊥⊥⊥ +−+= τσσσσσ ek


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, 2006]


Osim provjere naprezanja, za čelične konstrukcije vrši se i provjera stabilnosti.Nosači dizala su pak opterećeni promjenjivo (dinamički) pa se tu računa dinamička izdržljivost.


Kod čeličnih (lakih) cijevnih konstrukcija se visoka lokalna naprezanja izbjegavaju uvođenjem sile na što većoj širini oboda cijevi:

[Decker: “El. str.”, Golden + TK, 2006]


Novi bazen na Kantridi:


PRORAČUN DINAMIČKI OPTEREĆENIH ZAVARENIH KONSTRUKCIJA

Ovo je dano kao referenca za zainteresirane studente. Ovaj Ovo je dano kao referenca za zainteresirane studente. Ovaj dio ne treba znati na ispitu, ali vam modio ne treba znati na ispitu, ali vam možže biti koristan u e biti koristan u vavaššem buduem buduććem radu.em 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 naprezanjastrojnog 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, 2006]


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): N1, N2, N3 i N4.


Tim područjima i spektrima naprezanja S0 do S3dodjeljuju se pogonske grupe opterećenja odnosno naprezanja B1 do B6 tako da kombinacije određenih područja broja promjena opterećenja i određenih spektara naprezanja daju približno jednaka oštećenja zavarenih dijelova:

[Decker: “El. str.”,Golden + TK, 2006]

stajanja


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, 2006]


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):



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:

zav

tvA

F=,σ

zav

sW

M=σ

zavA

F=τ

zavt

tW

T

_

=τ


[Decker: “El.str.”,Golden Marketing + Teh. knjiga, 2006]


Ako je konstrukcijski dio istodobno izložen različitim naprezanjima računa se s ekvivalentnim naprezanjem izračunatim prema hipotezi najvećeg deformacijskog rada: 22 3τσσ +=ek

Proračunato naprezanje mora naravno biti manje ili jednako dopuštenom naprezanju u zavarenom šavu:

dopzavek _σσ ≤

Za mirno (statički) opterećene strojne dijelove (κ = 1) kod svih vrsta zavara i materijala vrijednost dopuštenog naprezanja određuje se uz faktor sigurnosti od 1,33 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:



Vrijednosti dopuštenih normalnih odnosno tangencijalnih naprezanja za različite vrijednosti faktora asimetrije naprezanja κ računaju se onda prema (σmin i σmax – najmanje i najveće naprezanje, Rm – vlačna čvrstoća, Re – granica tečenja, σDvdop i σDtdop – dopušteno naprezanje za vlak i tlak (N/mm2)):


Golden + TK, 2006]


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.



Golden + TK, 2006]

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:


Amn

F

⋅⋅=τ

Zbog analogije sa zatikom vrši se i proračun na specifični tlak (i naprezanje) u zamišljenom provrtu (s (mm) – debljina lima u spoju):

sdn

F

⋅⋅=1σ

smin (mm) – debljina najtanjeg dijela u spoju →promjer točke zavara d (mm) mora se uzeti:

min25sd ≤

Uz F (N), n – broj točaka zavara, m – broj rezova i A = d2.π/4 (mm2) – površina presjeka zavara):


Dopuštena naprezanja:[Decker: “El.str.”,

Golden + TK, 2006]


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 SPOJEVINajvažniji postupci:Zavarivanje vrućim plinom:

Smjer gibanja žiceza zavarivanje

Papuča

Gotov zavar

Dijelovi koji se zavaruju

Pritisak

Smjer gibanjauređaja

Utor

Vrući zrak ili dušik

Uređaj za zavarivanje

220...300PVC kruti

250PS

300PP

270...300PE-LD

250...280PE-HD

350PC

350ABS

Temperatura zavarivanja (°C)

Materijal


Ultrazvučno zavarivanje: 15 ... 70 kHz, 10 ... 50 µm

Konverter električnih u mehaničke oscilacije

Sonotroda

Izradak

Podloga

Sustav za uključivanje

Temeljna ploča

Generator visokihfrekvencija i

upravljački sustav

Pneumatski sustavza pritiskanje

sonotrode na izradak

Sonotroda

Dijelovikoji se

međusobnozavaruju

Blisko zavarivanje Udaljeno zavarivanje


165lošadobraPP

165dobradobraPOM

-zadovoljavajućadobraPET

130lošadobraPE

-zadovoljavajućadobraPBT

179...255zadovoljavajućadobraPA

Kristalasti

160dobravrlo dobraSAN

175zadovoljavajućadobraPVC

180vrlo dobravrlo dobraPS

300zadovoljavajućadobraPPO

180dobravrlo dobraPMMA

240dobravrlo dobraPC

200dobravrlo dobraABS

Amorfni

Udaljeno zavarivanje

Blisko zavarivanje

Temperatura omekšavanjaJm(°C)

Zavarljivost

Materijal


Faze procesa:0

Pomaksonotrode

Silapritiskasonotrode

Amplitudaoscilacija

Vrijeme zavarivanja Vr. zadržavanja

Vrijeme

Ukupni pomak sonotrod

e

Faze procesa zavarivanja


U ultrazvučno spadaju:a) Zavarivanje s gnjea) Zavarivanje s gnječčenjem na spojnim povrenjem na spojnim površšinama:inama:

0,05...0,15 mm

1,0...1,5 mm

0,2...0,5 mm

0,3...0,4 mm 30...45°

Prije zavarivanja Nakon zavarivanja

Jednostruke spojne površine

Dvostruke spojne površine– visoka čvrstoća


b) Zavarivanje s usmjerivanjem energije:b) Zavarivanje s usmjerivanjem energije:

c) Toc) Toččkasto zavarivanje:kasto zavarivanje:

s

1,5·s

1,5·s

3·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 površinazavara;- ekvivalentna naprezanja,- dopuštena naprezanja.


Što smo naučili (2)

- Zavareni spojevi pri gradnji kotlova i tlačnihposuda (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 (3)- 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.

Documents

ZAVARENI SPOJEVI - · PDF fileS. Zelenika KEI 5.ppt Zavareni spojevi prikladni za:-prijenos sila, momenata savijanja i uvijanja;-cijenom povoljno povezivanje elemenata konstrukcija;