8. Svařované spoje Technologie svařování, značení a kontrola svarů, návrh tupých svarů, návrh koutových svarů zjednodušenou a zpřesněnou metodou

8. Svařované spoje Technologie svařování, značení a kontrola svarů, návrh tupých svarů, návrh koutových svarů zjednodušenou a zpřesněnou metodou.

Technologie svařování Rozdělení svařování: - tavné: materiály tekuté (MMA, MAG, MIG, TIG, plazmou, SAW, plamenem), - tlakem: materiál v těstovitém stavu (stykové, přeplátováním).

Ruční svařování el. obloukem (MMA – manual metal-arc) 1885 Benardos (C elektroda), 1888 Slavjanov (kovová), 1920 Kjellberg (obalená). teplota: 3000 ÷ 5000 ºC

elektroda

držák (kleště) d

zdroj el. proudu

I = 35 d až 55 d [A] U = 15 až 40 [V]

pro d [mm2]

Zdroj: - dynamo, - transformátor, - alternátor + usměrňovač, - invertory (moderní tranzistorové usměrńovací zdroje s vysokou účinností).

NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

1

Holé elektrody: podřadný svar (ze vzduchu přebírá O, N, spaluje se Mn, C) Obalené: 1,2 až 2 d

d

průměr 2 až 6,3 mm (pro první vrstvu obvykle d = 3,15 mm)

funkce: - ionizuje vzduch a stabilizuje oblouk, - zabraňuje přístupu vzduchu, - tvoří strusku chránící svar, - může legovat (Cr, Ni, Mo, V).

Obaly: - kyselé (obsahují oxidy železa), velký výkon, nehodí se pro polohové svary, vhodné pro střídavý i stejnosměrný proud, - bazické (bez oxidů železa, s uhličitany jako vápenec, křída ...), vhodné pro polohové svařování, kvalitní, nutno je vysoušet (150÷300 °C), stejnosměrný proud, - rutilové (obsahují oxid titaničitý = rutil), vhodné pro polohové svařování, malý závar, vhodné pro tenké plechy, stejnosměrný i střídavý proud.

NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

2

Svařování el. obloukem v ochranné atmosféře Plyn má funkci obalu (elektrický proud =, ~).

MAG (metal-active gas)

holá kovová elektroda (Ø 0,8÷2,5 mm)

aktivní plyn C02 (chemicky reaguje) nebo směsné plyny (C02 +Ar) (např. T.I.M.E.: 85% Ar)

plyn

MIG (metal-inert gas)

CO2→ 2CO+O2+teplo CO2+Fe → FeO+CO

místo CO2 netečný plyn Ar

TIG (tungsten-inert gas), česky WIG wolfram

přídavný drát

wolframová elektroda = argon

Závěr:

- „poloautomatické svařování’’ - 1,5 x výkonnější než MMA, nepřerušované NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

ocel, nerez, hliník

3

Svařování el. obloukem pod tavidlem SAW (submerged-arc welding) Tavidlo má funkci obalu (proud =, ~). holý drát

tavidlo

Závěr:

odsávání (pečlivě připravit svarové plochy, na začátku a konci spoje přistehovat výběhové desky)

- „automatické svařování’’ - 5 x výkonnější než MMA, vysoká kvalita - nevýhoda: pouze vodorovné svary

Svařování plamenem C2H2 acetylen

poměděný drát

O2 kyslík

Nenosné části, slabé plechy.

3150 ºC

Zejména se využívá pro „řezání kyslíkem’’. NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

4

Svařování elektrickým odporem (tlakem) teplo (odpor) čelisti

1. Stykové • pěchovací • odtavením

Joule-Lenzův zákon pro teplo [J]:

Q = RI 2t čas [s] odpor [Ω] svař. proud [A]

2. Přeplátováním - bodové

bodová elektroda

elektroda = měděná kladka desková elektroda

- švové - výstupkové, bradavkové (na lisech)

Další typy svařování: - pod vodou (suché, mokré – oblouk hoří v oblasti odstíněné plasmou či tlak. vodou) - přivařování trnů pro spřažené konstrukce (např. pistole PHM-250, GD 22/25 fi PROWELD) Další typy spojování kovů: pájení (ne pro OK) - pájka z jiného materiálu, s nižším bodem tavení: - měkké (T < 450 ºC, cín), - tvrdé (měď, mosaz ...) NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

5

Tvary svarů a značení Pozor:

šipka vždy směřuje k místu svaru, u tupých svarů na úkos!! Pokud je svar na opačné straně, umístí se značka na tzv. identifikační (čárkovanou) čáru.

Koutové Uvádí se písmeno a číslo, z např: a 5 (ale lze i z 7) např.

a

značení:

dílenské a5

a

délka svaru

ℓ

ovaření kolem dokola

montážní

s praporkem

a

nebo

a b

a5

značky lze kreslit nad i pod odkazovou čáru

Tupé (úkosy ⇒ drahé)

Montážní opět vždy s praporkem !!! Ovaření kolem dokola kroužkem !!!

Děrové

př.:

Průvarové NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

4

6

Kontrola svarů - vizuální - kapilární (vzlínající kapalina) - magnetická (používá feromagnetický prášek) - ultrazvukem (nevýhoda: pouze na obrazovce monitoru) vada záznam: počáteční echo

vada

koncové echo

- rentgenem (výhoda: trvalý záznam na film)

film (rentgenogram)

- zářiče gama (Co, Tm, Ir, Ce) - betatrony (urychlovače elektronů) NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

7

Návrh svařovaných spojů (ČSN EN 1993-1-8) Tupé svary

- úkosy, drahé

a) Plně provařené: únosnost je rovna základnímu materiálu (Ö neposuzují se) - při namáhání tahem vždy provařit kořen a kontrolovat jakost (ultrazvukem, rentgenem, γ zářičem) - stupně jakosti podle ČSN EN 25817: B vysoký (požadován pro EXC3) C střední (požadován pro EXC2) D nízký (požadován pro EXC1) b) Částečně provařené: únosnost se posuzuje jako pro koutové svary (obvykle pro účinný rozměr a = anom - 2 [mm])

anom anom

anom

NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

8

Koutové svary pružně Napjatost ve svaru lze posoudit plasticky (splnit: tažnost, rovnováhu, kompatibilitu)

τ⊥

σ ‫ ≈ ןן‬0 ... neboť svar může:

- popraskat - nebo být přerušovaný

τ‫ןן‬

τ⊥

a

σ⊥ napětí kolmo k linii svaru - lze je složit:

σ⊥

L

a

Minimální rozměry pro nosný svar: a ≥ 3 mm L ≥ 40 mm (nebo 6a)

a

a

Účinné rozměry svaru: L

Pozn.: z technologických důvodů (aby svar nebyl „studený“) se doporučuje pro přípoj s tloušťkou t: 10 ≤ t ≤ 20 [mm ] svar a ≥ 4 mm, t > 20 mm svar a ≥ 5 mm.

Pro dlouhé svary (L > 150 a) je nutné únosnost redukovat součinitelem βLw (dán v normě)

τ

NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

σw

L > 150 a 9

Únosnost koutových svarů zjednodušená

(nerozlišuje druh napětí)

zpřesněná

(rozlišuje mezi τ‫ןן‬, τ⊥, σ)

Metody

1. Zjednodušená metoda

(bez ohledu na druh a směr napětí, všechna jakoτ‫)ןן‬

Fw,Rd = L a fvw,d

návrhová smyková pevnost svaru:

f vw,d =

plocha svaru

Příklady:

pro základní materiál

fu / 3

β w γ M2

únosnost ve smyku = 1,25

korelační součinitel (svar unese více než zákl. materiál): S235 ... β = 0,8 S355 ... β = 0,9

a) Boční a čelní smykový přípoj svar b (ab, Lb) svar a (aa, La)

FEd

FEd ≤ Fw,Rd = ( La aa + 2 Lb ab ) f vw,d

NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

10

b) Přípoj namáhaný ohybem - namáhání smykem FEd - namáhání momentem MEd = FEd e

svar s parametry Aw, Ww

FEd e

L

τ ll =

FEd F = Ed Aw 2La

σw =

M Ed = Ww

Parametry Aw, Ww pro průřez daný linií svaru šířky a.

FEde 1 2 a L2 6

nebo lze psát:

τ ⊥ = σ ⊥ = σw / 2

Výsledné napětí ve svaru:

τ ll2

+ σ w2

≤ fvw,d

Pozn.: Ve zjednodušené metodě lze též pro jednotnost zápisu psát

τ II = τ w

Obdobně se řeší svarový přípoj úhelníku (probíráno ve cvičení). NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

11

c) Přípoj konzoly (= rámový roh) idealizace = čára:

e a b

h

a a

σw =

1

a

FEd

a

svar a:

2 a b

b

FEde ≤ f vw,d W1

svar b:

σw =

FEde ≤ f vw,d W2

výsledné napětí ve svaru b:

τ II =

FEd 2hb

τ ll2 + σ w2 ≤ fvw,d

d) Krční svary ohýbaného nosníku výztuha nad podporou (k vyloučení boulení stojiny a namáhání krčních svarů od reakce)

τ VEd pro krční svar přidané pásnice platí S pro přidanou pásnici

Napětí v krčním svaru:

V S τ II = Ed ≤ fvw,d 2a I účinná tloušťka krčních svarů

NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

statický moment plochy pásnice moment setrvačnosti průřezu

12

2. Zpřesněná metoda Zohledňuje vyšší únosnost svaru pro normálové napětí σ ⊥ (plyne z Misesovy plasticitní podmínky) → dává vyšší únosnost. Posoudí se: i)

σ ⊥2 + 3 ( τ ⊥2 + τ II2 ) ≤

ii)

σ ⊥ ≤ 0,9

fu

β w γ M2

fu

γ M2

Ukázka řešení příkladu a), nyní zpřesněnou metodou: Boční svary b:

b a

FEd b

resp. Čelní svar a: odtud Celkem:

σ ⊥ = τ ⊥ = 0 odtud τ II ≤ Fw ,Rd = 2 Lb ab fvw ,d

τ II = 0 σw ≤

fu / 2

β w γ Mw

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

β w γ Mw

σ⊥ = τ⊥ = σw / 2 = fvw,d

FEd ≤ Fw,Rd = (La a a

NNK – ocelové konstrukce (8)

fu / 3

3 2

3 2 + 2 Lb ab ) f vw,d

>1

13

Svarová pnutí a deformace „reziduální pnutí’’ od svařování tlak

t

tah

+ fy

→ v okolí svaru vzniká tah na mezi kluzu !!

tlak

deformace

fy pro výpočty: fiktivní svarová síla

≈3t Opatření ke zmenšení pnutí: - "malé" a vícevrstvé svary,

→ vícevrstvé svary (další housenka vyžíhá spodní svar):

- předehřev (cca 200 °C, obvykle nutný při teplotě < 0 °C), - vhodný postup. Opatření pro odstranění pnutí: - žíhání při 650 °C (cca 30 min/25 mm tloušťky). NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

14

Kombinace spojovacích prostředků pro smyk Uvažuje se únosnost pouze jednoho druhu spojovacích prostředků !! Tzn. výsledná únosnost je dána spojem s vyšší únosností. Např.: šrouby 100 kN a svary 200 kN šrouby 100 kN a svary 50 kN

... únosnost 200 kN (šrouby se usmyknou), ... únosnost 100 kN (svary se poruší).

Důvod: různé tuhosti spojení (porušení nastane v jiné fázi). Výjimka: svary + třecí spoj (únosnosti lze sečíst, tuhost obou spojů je velká, podobná).

NNK – ocelové konstrukce (8)

©

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

15