Predavanja - Oblikovanje i Proracun Zavarenh Spojeva

MASINSKI FAKULTET SARAJEVO KATEDRA ZA MASINSKE KONSTRUKCIJE

OBLIKOVANJE I PRORACUN ZAVARENIH KONSTRUKCIJA

-PREDAVANJA -

Prof. dr. Adil Muminovic

1

1. ZAVARENI SPOJEVI U visokogradnji, gradnji dizalica i gradnji mostova profilni celici, plosnate sipke, cijevi i limovi spajaju se u nosive konstrukcije, resetkaste konstrukcije ili limene nosace, npr. krovne nosace, celicne konstrukcije tvornickih hala, nosace voznih naprava dizalice i si. Slika la pokazuje nosac resetkaste konstrukcije. Njegovi vanjski stapovi zovu s e p o j a s e v i (gornji i donji pojas). Oni se ukrucuju veitikalnim i dijagonalnim stapovima. U cvoru se uvijek sastaje vise stapova. Puni nosaci izvode se kao limeni nosaci (si. lb), ili kao sanducasti nosaci (si. lc). Da se ne bi izbocili, na odredenim razmacima uvaruju se ukrucenja, koja se kod

a

Slika 1: Zavarene celicne nosive konstrukcije a) nosac resetkaste konstrukcije; b) limeni nosac c) sanducast nosac ( a je gornji pojas; b donji pojas; c vertikalan stap; d dijagonalan stap; e vertikalan lim nosaca; / spoj vertikalnog lima nosaca; g spoj pojaseva; h ukrucenje; i vertilni lim (rebro) ; k spoj vertikalnog lima ; / poprecna pregrada 2

Zavareni spojevi spadaju medu nerazdvojive veze i upotrebljavaju se prije svega za spajanje nosecih masinskih dijelova i konstrukcija. Zavarivanje je postupak spajanja metalnih, ili nemetalnih dijelova postupkom topljenja ili omeksavanja na mjestu spoja, sa ili bez dodavanja materijala. Spoj nastaje topljenjem osnovnih i dodatnih materijala, ili pritiskanjem omeksanih osnovnih materijala. Podrucje u kojem nastaje spoj naziva se zavar. Zavari i dijelovi koji se zavaruju predstavljaju zavareni spoj. Dijelovi koji se zavaruju su obicno od istih ili srodnih materijala, koji imaju priblizno jednaku temperaturu topljenja, ali mogu biti i od raznorodnih materijala. Primjena zavarenih spojeva kod izrade masinskih dijelova i metalnih konstrukcija stalno raste, jer postupci zavarivanja postaju sve bolji i danas je vec moguce postici da mehanicka svojstva zavarenih spojeva budu jednaka svojsvima osnovnog materijala, a ponekad cak i bolja. Pored eelika, pod posebnim uslovima mogu se zavarivati bakar i bakarne legure, aluminij i njegove legure, umjetne mase itd. Zavarene konstrukcije u masinogradnji imaju prednost u odnosu na livene, ukoliko se radi o pojedinacnoj izradi. Zavareni spojevi omogucavaju da se materijal konstrukcije optimalno iskoristi obzirom na cvrstocu. Oblik konstrukcije se nastoji prilagoditi opterecenju, kako bi se povecala cvrstoca. Kombinacijom zavarenih i livenih dijelova, moguce je dobiti jednostavnu, cvrstu i jeftinu konstrukciju. Zavarene konstrukcije su skoro nezaobilazne u hemijskoj industriji, gdje je potrebno upotrijebiti materijale postojane na visim i nizim temperaturama, koji moraju istovremeno imati odgovarajucu cvrstocu i zilavost, te biti otporni na koroziju. Posebni zahtjevi postavljaju se kod zavarivanja cjevovoda, te u nuklearnoj tehnici. Prednosti zavarenih spojeva su: · u poredenju s ostalim spojevima, nosivost zavarenih spojeva moze biti priblizno jednaka nosivosti osnovnog materijala · visoka nosivost se postize pravilnim odabirom dodatnog materijala i parametara zavarivanja, · u odnosu na livene i kovane konstrukcije, zavarene konstrukcije imaju tanje stjenke i do 30 % manju tezinu, · za manji broj proizvoda, zavareni spojevi su najekonomicniji Nedostaci zavarenih spojeva su: · zavarivanjem se bez problema spajaju samo materijali koji imaju jednak ili priblizan kvalitet i sastav i koji su dobro zavarljivi, · na mjestu spajanja dolazi do lokalnog zagrijavanja i neravnomjernog sirenja i skupljanja, sto prilikom hladenja uzrokuje zaostala naprezanja. Posebno su opasna naprezanja na zatezanje, jer smanjuju cvrstocu, a u prisustvu vodonika i lokalno zakaljene strukture mogu dovesti do nastanka tzv. hladne pukotine. Deformacije i zaostala naprezanja mogu se smanjiti pogodnim smjerom i redoslijedom zavarivanja, a cak potpuno odstraniti naknadnim zarenjem (kod eelika priblizno 500 - 700°C), · mjesto zavarivanja treba odgovarajuce oblikovati, pripremiti i ocistiti od necistoca i oksida, · zavareni spojevi imaju manju sposobnost prigusenja vibracija, te manju otpornost prema koroziji. Zato se mora nakon zavarivanja izvrsiti zastita protiv vanjskih utjecaja, · zavareni spojevi su zbog svoje cijene nepogodni za velikoserijsku proizvodnju.

3

1.1 NASTANAK ZAVARENOG SPOJA Zavareni spojevi opcenito se temelje na kohezionim silama u zavaru, tako da poslije zavarivanja zavareni spoj cini nerazdvojivu cjelinu. Obzirom na nacin nastanka kohezionih sila u zavarenom spoju razlikuje se: · zavarivanje toplotnom energijom (zavarivanje topljenjem) · zavarivanje s mehanickom energijom, toplo i hladno

lice zavara zavar osnovni materijal

Zona uticaja toplote (ZUT)

rekristalizacije

Slika 1.1: Zavar nastao topljenjem Pri zavarivanju s toplotnom energijom spajani dijelovi iz jednakog ili srodnog materijala (osnovni materijal), te dodatni materijal, zagrijavaju se na temperaturu koja je visa od tacke topljenja materijala dijelova koji se zavaruju. Pri tome dolazi na mjestu spoja do stapanja osnovnog i rastopljenog dodatnog materijala. Zavareni spoj nastaje zbog kohezionih veza koje postoje medu atomima nakon hladenja zavara u cvrsto stanje. Materijal u zavarenom spoju ima strukturu liva, i nakon potpunog hladenja tvori cvrst, nerastavljiv spoj izmedu spojenih dijelova. Donji dio zavara na dnu zlijeba naziva se korijen, gornji dio na vrhu naziva se lice zavara, slika 1.1. Zbog brzog lokalnog zagrijavanja i hladenja na mjestu zavara velik dio toplot prelazi u osnovni materijal, tako da u odredenom podrucju u okolini zavara dolazi do promjene mikrostrukture osnovnog materijala dijelova koji se zavaruju. To podrucje se naziva zona utjecaja toplot (ZUT). Promjena mikrostrukture u ZUT moze dovesti do slabljenja zavarenog spoja (krta zakaljena struktura ili grubozrnasta ), a brzo lokalno zagrijavanje i hladenje izmedu zavarivanja vodi do nastanka zaostalih unutrasnjih naprezanja u okolini zavara. Jedno i drugo se moze ukloniti zarenjem. Pri tome se, za odstranjivanje unutrasnjih naprezanja, celicni materijali zagrijavju na priblizno 600°C. Dijelove koji se zavaruju potrebno je u odredenim slucajevima predgrijavati na 100 do 150°C, ili

prethodno deformisati s posebnim uredajem. Pri zavarivanju toplotnom energijom na zraku, kod odredenih vrsta materijala dolazi do vezivanja sa slobodnim elementima iz atmosfere (kiseonik, vodonik) u rastopljenom zavaru, sto nakon hladenja nepovoljno utjece na nosivost zavara (korozija, poroznost). To se izbjegava zavarivanjem u zastitnoj okolini (vakuum, zastitni plin, troska, itd.), gdje se zavar kod zavarivanju stiti od reakcije s vanjskim elementima. S dodatnim sredstvima (npr. oblozene elektrode, prasak, itd.) utjece se metalurski na zavar (umirenje, dezoksidacija, legiranje, itd.) i produzuje vrijeme hladenja. Time se utjece na poboljsanje mikrostrukture u zavarenom spoju i na pravilni oblik korijena i lica zavara. Zavar se naknadno takoder moze obraditi (oblikovanje tjemena i korijena zavara, zarenje, itd.) i tako poboljsati kvalitetu zavarenog spoja. 4

Pri zavarivanju s mehanickom energijom dijelovi se spajaju bez dodavanja materijala. U podrucju spoja spajani materijali su izlozeni velikim plasticnim deformacijama. To dovodi do izmjene atoma i time do difuzije na dodimim povrsinama, lokalne rekristalizacije, te do nastanka adhezijskih i kohezijskih veza medu dijelovima koji se spajaju. Zavarom se naziva dio materijala, koji se deformacijski omeksao i pri tome rekristalizirao. Kod toplog zavarivanja dodirne povrsine dijelova se prije zavarivanja na razlicite nacine zagrijavaju do tjestastog stanja tj. lokalno do topljenja, cime se pospjesuje proees difuzije atoma preko kontaktnih povrsina i rekristalizacije pod djelovanjem mehanicke sile pritiska. Pri hladnom zavarivanju za nastanak zavarenog spoja su potrebne vece sile pritiska, jer su kontaktne povrsine na sobnoj temperaturi. Dubina difuzijskog prodiranja je od 2 jim do 1 mm i ovisna je o vrsti spajanog materijala. Jednakomjernost difuzionog prodiranja je od presudne vaznosti za nosivost zavarenog spoja. Zbog toga zavarivane povrsine moraju biti po mogucnosti glatke (hrapavost Rz < 20 |im) i dobro ociscene (mehanicko i hemijsko ciscenje). Upotrebom dodatnih sredstava pospjesuje se difuzija atoma i poboljsavaju svojstva zavarenog spoja. Upotrebom razlicitih plinova sprjecava se, odnosno smanjuje mogucnost oksidacije spajanih povrsina pri zavarivanju. U poredenju sa zavarivanjem topljenjem, zavarivanje pritiskom je jednostavnije i ekonomicnije, i zato je primjereno za velikoserijsku proizvodnju.

1.2 ZAVARLJIVOST MATERIJALA Zavarljivost je svojstvo materijala da se spajanjem zavarivanjem njegovih dijelova dobije upotrebljiv spoj. Materijal je dobro zavarljiv ako je standardnom opremom i procedurom zavarivanja moguce ostvariti upotrebljiv spoj, pri cemu je ponovljivost postupka vrlo visoka. Materijal je slabo zavarljiv ako se spoj ostvaruje slozenom opremom i procedurom zavarivanja cija je ponovljivost problematicna. Vecina metala i umjetnih materijala je dobro zavarljiva, ako se izabere odgovarajuci postupak zavarivanja. Na zavarljivost utice sastav materijala, njegova hemijska i mehanicka svojstva, te krutost konstrukcije. U daljem tekstu su navedeni neki najcesce upotrebljavani materijali, koji se dobro spajaju zavarivanjem. Za zavarivane masinske dijelove najvazniji materijal je celik. V

Celici. Zavarljivost eelika ovisna je o njegovom hemijskom sastavu, tj. o postotku osnovnih elemenata (C, Si, Mn, P, S) i legirnih dodataka (Cr, Ni, Mo, V, W, Ta, Nb, Al, Ti, Cu, Co), te o cistoci (razne primjese i plinovi kiseonika, dusika, vodonika). Pored toga na zavarljivost velik utjecaj ima i debljina dijelova koji se zavaruju, jer o njoj ovisi brzina hladenja zavara. Kod eelika je vrlo vazno, da je materijal osjetljiv na pukotine (tople i hladne), utjecaje zareza, starenje, otvrdnuce, itd. Bitan element, koji utjece na zavarljivost eelika je ugljenikk (C). Povecana kolicina ugljenika u celiku uzrokuje da se celik na mjestu zavarivanja i u neposrednoj okolini zavara pri hladenju zakali (visoka tvrdoca, krhka struktura, manja zilavost), pa se svojstva tog dijela razlikuju od osnovnog materijala. Konstrukcijski celici, sa sadrzajem do 0,23 % C imaju najbolju zavarljivost. Pri vecem sadrzaju ugljenika zavarljivost je slabija, sto utice na postupak zavarivanja. Prisutnost sumpora i fosfora u celiku takoder slabi zavarljivost eelika. Sadrzaj sumpora i fosfora ne smije prelaziti 0,045% (ali 0,07% zajedno), a za dobru zavarljivost ne bi trebao prelaziti 0,02%. I drugi legimi elementi, prije svega Si i Mn, slabe zavarljivost. Ostalih necistoca u celiku treba biti manje od 0,01%. Najbolju zavarljivost imaju nelegirani i niskolegirani konstrukcijski celici, koji se upotrebljavaju za gradnji mostova, rezervoara, vozila, masina, itd. Visokolegirani celici, koji sadrze ukupno vise od 10% svih legiranih elemenata, zavaruju se samo uz posebne postupke. Za zavarene konstrukcije uglavnom se upotrebljavaju sljedeci celici: · konstrukcijski celici: dobro zavarljivi celici su C.0260, C.0360, C.0460 i C.0560, tim bolje sto im je cvrstoca manja. · celici za poboljsanje: za zavarivanje topljenjem su najpogodniji celici C.1330, C.4730, C.3139, te 28Cr4 (prema DIN-u); potrebno predgrijavanje i naknadna obrada. · celici za cementaciju su svi dobro zavarljivi, ali u necementiranom stanju. 5

Celicni liv ima dobru zavarljivost kao srodni celici, iako je potrebno uzimati u obzir grublju i manje zilavu strukturu, te velike debljine dijelova koji se zavaruju, sto utice na brzinu hladenja. Opcenito su dobro zavarljivi celicni livovi CL.0300 i CL.0400, ostali uz odredene potrebne mjere. Sivi liv ima slabu zilavost i ne prenosi unutrasnja naprezanja. Zbog visokog postotka C u ZUT moze doci do povecanja tvrdoce. Moguce je hladno zavarivanje bez predgrijavanja s elektrodama na bazi nikla, ali i na toplo. Kod toplog zavarivanja potrebno je dijelove zagrijati na 600...650°C i postepeno hladiti nakon zavarivanja. Zavaruje se plamenom ili lukom s istovrsnim dodatnim materijalom (sipke ili oblozene elektrode iz sivog liva). I u jednom i u drugom slucaju potrebno je cekicati zavar da bi se smanjila vjerojatncu nastanka pukotina. Zavarljivost nodularnog i temper liva je bolja nego sivog liva zbog njihove vece rastezljivosti i zilavosti. Obojeni metali. Bakar (Cu), legure CuZn i CuSn su dobro zavarljivi. Legure CuZn imaju bolju zavarljivost pri manjem sadrzaju cinka (Zn). Za zavarivanje je preporucljiv MIG i TIG postupak. Nikal (Ni) i njegove legure (NiFe, NiMn, NiCr, NiCu, NiMoCr) su zavarljivi pod odredenim uslovima. Titanove (Ti) legure dobro su zavarljive, a Ti u dodatnom materijalu poboljsava svojstva zavara. Polimerni materijali su vrlo razliciti s gledista izvornih sirovina i nacina proizvodnje. S stanovista zavarivanja je vazna podjela na termoreaktivne polimere - duroplasti, koji se nakon proizvodnje ne daju toplotno oblikovati i zato su nezavarljivi, te termoplasticne polimere (termoplasti), koji se pri povisenoj temperaturi smeksaju ili tope, te su dobro zavarljivi. Tabela 1.1: Zavarivanje termoplasticnih polimernih materijala Nacin zavarivanja

Umjctni materijal Debljina [mm] Temperatura zavarivanja [°Cl PVC - tvrdi i meki >2.0 250...350 Vrucim ziakom Polietilen >2.0 190...210 (dusikom) Polimetakiilat >2.0 350...400 Poliamid (dusikom) > 1.5 240...280 PVC-meki 0.5...2.0 * 250 >2.0 Polimetakiilat 350...400 Poliamid 0.5...2.0 240...280 PVC-tvrdi 1.5a+2 h1>1.5a+s h2=s h3=R+2+5

Slika 2.136 -a - omoguceno pregrijavanje, b- onemoguceno pregrijaavanje

33

17. Konstruisanje lokalnih ojacanja koja se izvode zavarivanjem potrebno je pravilno konstruisati, slaika 2.137. a)

b)

/

X

i-

c)

&

t ^ s

/

y

b=1.4rmin

Slika 2.137 - Izvodenje lokalnih ojacanja

18. Polozaj vara prema povsinama koje se obraduju. Ako zavarena konstrukcija ima povrsine koje se obraduju potrebno je: ··· po mogucnosti varove nepostavljati na radne povsine, slika 2.138.

a) nepovofno

b) povoljno

Slika 2.138 - Polozaj vara u odnosu na radnu povrsinu

··· Kod varova koji moraju doci na radnu povrsinu potrebno je predvidjeti sto manji var na radnoj povrsini, slika 2.139.

slabljenje zavara dodatak za izradu =4

XZ nepovoljno

otklanjanje korijena zavara - povoljno

Slika 2.139 - Povrsina vara na radnoj povrsini

· Varovi smjesteni u bilizini povrsine koje se obraduje ne smije biti zahvaceni obradom, slika 2.140.

I ^ ^ / / / / / / / ^ ^I i \y a^

Slika 2. 140 - Udaljenost vara od povrsine koja se obraduje

34

19. Navarivana ojacanja Ukoliko se vrsi navarivanje limova na radne povrsine pri cemu je sirina b>55, moze doci do odvajanja naleznih povrsina limova, slika 2.141a. Ako su navarivani limovi vece sirine, da ne bi doslo do razdvajanja limova, moze se izvsiti zavarivanje limova kroz provrte, slika 2.141b i c.

b)

1 1J LJ I b>&

(£561 3)

0)

m '

&

. 6, 0nw1O pmrivirtioU kill 60' pri ri 10 ?0 mm Slika 2.141 - Nacin navarivanja limova

Zavarene izvedbe ojacana otvora, sa varijantom loseg i dobrog rjesenja, dat je na slici 2.142.

M

\

1

/ y

'

\WW )

\ 1 b)

a)

^j

s-

:

c)

d)

Slika 2.142 - O j a c a n j a otvora

20. Zavarivanje prirubnica raznih izvedbi prikazano je na slici 2.143.

Q

L

JZIU

L

dk

· r*~i Slika 2.143 - Zavarivanje prirubnica

35

21. Konstruktivne izvedbe vijcanih nastavaka izvedene zavarivanjem date su na slici 2.144

Slika 2.144 - Z a v a r i v a n j e nastavaka za vijke

22. Zavarivanje raznih vrsta prikljucaka dato je na slici 2.145.

13)

>

14

15)

16)

17)

18)

Slika 2.145 - Z a v a r i v a n j e nastavaka

23. Na slici 2.146 su prikazane rzne varijante spajanja cijevi zavarivanjem.

Slika 2.146 - Z a v a r i v a n j e cijevi

24. Zavarivanje cijevnih ogranaka prikazano na slici 2.147. \

//\

V

1

RX-77^

Slika 2.147 - Zavarivanje cijevnih ogranaka

25. Primjeri zavarivanja resetkastih nosaca dati su na slici 2.148.

14.)

17.)

18.)

19.)

20.)

15.)

21.)

22.)

36.)

37.)

Slika 2.148 - Zavarivanje resesetkastih nosaca

1

ii

26.Na slijedecim slikama su navedeni neki primjeri zavarenih oblika.

A-B -H-+

1

Vi/ira

.notta 6tSiant botrtce

T

->+

iy.

+

4-

+

1 Y

Za vow/a .'·wm.'s

!z