Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování. KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ strojní součásti. Přednáška 7

Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování

KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ strojní součásti Přednáška 7

Svarové, lepené a nýtové spoje

Entia non multiplicantor sunt prater necessitatum. GALILEO GALILEI

Obsah Spoje svarové

• Způsoby svařování. Druhy tavných svarů. • Stanovení napětí v tupém svaru. • Stanovení napětí v čelním koutovém svaru. • Výpočtový model koutového svaru. • Výpočet svarů při základních druzích namáhání. Spoje lepené

• Využití lepidel v jednotlivých průmyslových odvětvích. • Druhy lepidel. • Konstrukce lepených spojů. • Pevnostní výpočet lepených spojů. Spoje nýtové

• Nýtování a použití nýtových spojů • Pevnostní výpočet konstrukčních nýtových spojů Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Svařování Svařováním vznikají nerozebíratelná spojení místním roztavením spojovaných částí působením tepla (např. elektrickým obloukem, plamenem, elektronovým paprskem, laserem, termitem, slévárenské), tlaku (např. ultrazvukem) nebo obou současně (např. elektrickým odporem, třením, indukční), a to bez použití nebo s použitím přídavného materiálu. Spojování působením tepla

Spojování působením tepla a tlaku

Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Svařování elektrickým obloukem Jedná se o nejpoužívanější způsob tavného svařování. Zdrojem tepla je elektrický oblouk o teplotě až 4 000 °C, který vznikne mezi elektrodou a svařovaným materiálem. Při svařování se používá stejnosměrného nebo střídavého proudu o napětí 10 až 70 V a proudu 30 až 500 A. Elektrody mohou být netavné či tavné (holé, obalené). obal kovové jádro

svařovací agregát (zdroj proudu) držák elektrody

plynová clona elektroda

struska

el. oblouk housenka závar

pracovní kabel

základní materiál

kabel elektrody


Svařování el. obloukem v ochranné atmosféře Při tomto druhu svařování hoří elektrický oblouk v ochranné atmosféře uvnitř plynového pláště. Jeli použito kovové tavné elektrody metoda se označuje jako GMAW (Gas Metal Arc Welding) a podle použitého plynu se dále dělí na MAG (Metal Active Gas) v případě oxidu uhličitého a MIG (Metal Inert Gas) v případě argonu. Jeli použito netavné wolframové elektrody a argonu, metoda se označuje jako TIG (Tungsten Inert Gas). Gas Metal Arc Welding

Tungsten Inert Gas

drátová elektroda směr svařování

kabel

plyn přídavný kov dýza kontakt plynová clona

el. oblouk svar

plyn

dýza wolframová elektroda

plyn tryska

el. proud plynová clona

závar Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Svařování plazmou Svařování plazmou PAW (Plasma Arc Welding) je metoda velmi podobná TIG. Vznikla jejím vývojem a zaručuje vyšší produktivitu. Svařování plazmou využívá koncentrace tepla a dynamického účinku plazmy, což je výsledkem zúžení elektrického oblouku, který se tvoří mezi wolframovou elektrodou a svařencem. Plazmový plyn, který proudí okolo elektrody, se vlivem tepla oblouku prudce roztahuje, mění se v plazmu a proudí otvorem velmi vysokou rychlostí. Sekundární plyn se využívá k vlastní ochraně tavné lázně (Ar, Ar+H2). Svařování plazmou se používá pro náročné spoje v leteckém, kosmickém, obráběcím, chemickém a ropném průmyslu.


Svařování bodové (odporové) Při bodovém svařování se součásti přeplátují a sevřou mezi dvě vodou chlazené elektrody, kterými prochází elektrický proud. Roztavení a svaření nastává ve stykových plochách obou součástí, v místě největšího přechodového odporu. Bodové svařování je rychlé a přesné a lze jej snadno automatizovat.

pohyblivá elektroda

svařované součásti

pevná elektroda


Svařování třením Svařování třením FSW (Friction Stir Welding) lze použít při spojování plechů, v poslední době hlavně hliníkových, aniž by se dosáhlo jejich bodu tavení. Při svařování třením se nástroj s cylindrickým ramenem a profilovaným kolíkem otáčí a pomalu se ponořuje do místa spoje mezi dva kusy plechu nebo do desky materiálu, které se k sobě svařují natupo. Teplo vzniklé mezi svařovacím nástrojem odolným proti opotřebení a svařencem způsobuje, že svařenec může změknout, aniž by dosáhl bodu tavení, a tak umožní, že nástroj přechází podél linie svaru.


Druhy tavných svarů Svary tupé svar

Tvary průřezů svarů

základní materiál

tepelně ovlivněná oblast

I nepodložený

V nepodložený

1/2 V nepodložený

V dvojstranný

U nepodložený

U dvojstranný

1/2 U nepodložený

1/2 U dvojstranný

Svary koutové přeplátovaných součástí základní materiál

svar


Svary koutové skloněných součástí základní materiál


svar


Napětí v tupém svaru Tupý svar namáhaný na tah

Tupý svar namáhaný na smyk

svar místo koncentrace napětí

svar

l

l F F

F

F

h

průměrné normálové napětí

h

σ=

F h⋅l

průměrné smykové napětí

τ=

F h⋅l

Zásady pro výpočet svarů: • Předpokládá se, že rozložení napětí ve svaru je stejné jako v základním materiálu. • Výpočtový průřez svaru by měl respektovat jen tu jeho část, která má plnohodnotný průřez - převýšení nebo podložení svaru se ve výpočtu neuvažují. • Při kombinovaném namáhání svaru se pro jeho posuzování používá redukované napětí. Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Napětí v čelním koutovém svaru x

a

θ h h 2F

h

F

t

F

45º

h

FS Fn

90 - θ

y

FS = F ⋅ sin θ

Fn = F ⋅ cos θ

t h h 2 ⋅h = = = sin 45D sin ( 90D + 45D − θ ) sin (135D − θ ) cos θ + sin θ

τ=

t=

h cos θ + sin θ

FS F ⋅ sin θ ( cos θ + sin θ ) F = = sin θ ⋅ cos θ + sin 2 θ ) ( A h⋅l h⋅l

Fn F ⋅ cos θ ( cos θ + sin θ ) F σ= = = cos2 θ + sin θ ⋅ cos θ ) ( A h⋅l h⋅l Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

F

Napětí v čelním koutovém svaru Poloha maximálního smykového napětí 2 dτ F d ( sin θ ⋅ cos θ + sin θ ) F = ⋅ = ⋅ ( cos2 θ − sin 2 θ + 2 ⋅ sin θ ⋅ cos θ ) = 0 dθ h ⋅ l dθ h⋅l

( cos 2θ + sin 2θ ) = 0

θ = 67,5D

Velikost maximálního smykového napětí

τ max =

τ max =

F F 2 sin θ ⋅ cos θ + sin θ = sin 67,5D ⋅ cos 67,5D + sin 2 67,5D ) ( ) ( h⋅l h⋅l

1,21 ⋅ F h⋅l

Velikost normálového napětí v místě θ = 67,5º

σ=

F F 0,5 ⋅ F 2 2 cos sin cos cos 67,5 sin 67,5 cos 67,5 θ + θ ⋅ θ = + ⋅ = ( ) h⋅l ( ) h⋅l h⋅l Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Napětí v čelním koutovém svaru Průběh napětí podél úseků AB a BC

Průběh napětí podél úseku DB

D A

Norris CH, Welding J. 1945

C B

Salakian AG, Claussen GE, Welding J. 1937 Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Výpočtový model čelního koutového svaru V současné době není možné analyticky přesně spočítat rozložení napětí ve svarovém spoji. Proto se při jeho výpočtu používá jednoduchý konzervativní model. Ten vychází z předpokladu, že vnější zatížení je přenášeno pouze prostřednictvím smykových sil, které působí na účinném průřezu svaru. Normálové napětí se zanedbává. místo stanovení účinného průřezu a

45º

45º

h

Účinný průřez svaru 1 a = h ⋅ cos 45D = h ⋅ ⋅ 2 0,707 ⋅ h 2 a je výška největšího rovnoramenného trojúhelníku vepsaného do průřezu svaru bez závaru.

Smykové napětí F

h

l 2F

F

τ=

F 1,414 ⋅ F = h⋅l 0,707 ⋅ h ⋅ l

τ 1,17 ⋅ τ max Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Koutové svary – namáhané krutem smykové napětí od posouvající síly:

smykové napětí od kroutícího momentu: kroutící moment k těžišti svarové skupiny vzdálenost od těžiště svarové skupiny k nejvzdálenějšímu místu na svaru polární kvadratický moment průřezu

jednotkový polární kvadratický moment průřezu, který nejdeme v tab. 9-1 např.:


Koutové svary – namáhané ohybem smykové napětí od posouvající síly:

smykové napětí od ohybového momentu: ohybový moment vzdálenost od těžiště svarové skupiny k nejvzdálenějšímu místu na svaru v rovině kolmé na rovinu, kde leží vektor ohyb. momentu kvadratický moment průřezu

jednotkový kvadratický moment průřezu, který nejdeme v tab. 9-2 např. pro uvedený typ svaru:


Výpočet svarů při základních druzích namáhání






Označení a vlastnosti elektrod pro ruční svařování Podle American Welding Sosiety (AWS) se elektrody označují písmenem E a čtyř- nebo pěti-místným číslem (E6013). První dvě nebo tři číslice značí přibližnou mez pevnosti Rm. Význam poslední číslice je závislý na svařovací technice, např. značí velikost svařovacího proudu. Předposlední číslice označuje polohu při svařování, např. vodorovné, svislé svařování nebo svařování nad hlavou.

Mechanické vlastnosti materiálu elektrod (přídavného materiálu)


Označení a vlastnosti elektrod pro ruční svařování


Dovolené napětí ve svaru Podle American Institute of Steel Construction (AISC) pro konstrukce budov se dovolené napětí vypočítá z meze kluzu Re. Při stejném typu namáhání svaru je dovolené napětí stejné jak pro svarový tak i základní materiál. Platí, že Re = 0,5Rm. AISC stanovuje dovolená napětí podle typu namáhání a typu svaru takto:


Lepení Při lepení vznikají spojení pomocí tenké vrstvy (0,05 až 0,15 mm) přídavného materiálu (lepidla), které při tuhnutí přilne adhezí ke spojovaným částem. Často se kombinuje lepení s jiným typem spoje. Soudržnost lepeného spoje závisí na adhezi (přilnavosti lepidla na povrch spojovaných součástí) a na kohezi (vlastní soudržnosti, pevnosti lepidla).


Využití lepidel v jednotlivých odvětvích průmyslu


Lepené spoje v automobilovém průmyslu


Druhy lepidel


Konstrukce lepených spojů Lepené spoje mají značnou únosnost při namáhání na smyk, špatně však přenášejí tah případně tzv. loupání. Snahou je konstruovat spoj tak, aby byl zatížen jen smykem. Součásti namáhané tahem se spojují jako přeplátované nebo se zkosením. Výhodné je také spojovat tenké plechy lemováním a tlustší plechy pomocí spojovacích dílů s drážkami.


Konstrukce lepených spojů Experimenty a analytické výpočty ukázaly, že ohybové napětí na koncích spoje ve slepovaných součástech může být několikrát vyšší než průměrné smykové napětí v těchto součástech. To může způsobit tzv. loupání (peel).

Smykové napětí a ohybové napětí


Konstrukce lepených spojů V případě loupání (peel) se volí takové konstrukční řešení aby vliv ohybového napětí na koncích lepeného spoje byl minimální a plocha lepeného spoje byla dostatečná.


Pevnostní výpočet lepených spojů Při návrhu a kontrole lepeného spoje vycházíme z toho, že lepený spoj by měl mít stejnou únosnost jako lepený díl. Pak je možné vypočítat jeden z rozměrů spoje. σDt je dovolené napětí v tahu dílce. τD2 je pevnost lepidla ve střihu, σpl je pevnost lepidla v tahu.

τ=

τ F ≤ τ D = D2 l.b nD

σ pl F σ = ≤σD = l.b nD

s.b.σ Dt = l.b.τ D ⇒ l = s.

σ Dt τD

nD = 3 ÷ 4 Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Nýtové spoje Nýtování probíhá nejčastěji tak, že po vložení nýtu do otvoru ve spojovaných součástech se podepře přípěrná hlava nýtu a závěrná hlava nýtu se vytvoří roznýtováním vyčnívajícího konce dříku za tepla nebo za studena pomocí hlavičkáře údery ručního nebo pneumatického kladiva nebo pomocí strojního lisování. Nýtový spoj lze vytvořit i tak, že roznýtujeme jednu součást v druhé.

Nýtování se uplatňuje v ocelových konstrukcích různých jeřábů, mostů, budov apod. Dále se uplatňuje při výrobě kotlů, nádrží a potrubí s přetlakem, kde spoje musí kromě přenosu zatížení splňovat i požadavek těsnosti. Často se nýtování používá při výrobě plášťů strojů. Konstrukční a kotlové nýty mají různé tvary hlav. Pro připevnění kůže a plastů se požívají rozvidlené nýty, tam kde je nýt přístupný jen z jedné strany se užívají nýty výbušné. Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Pevnostní výpočet konstrukčního nýtového spoje Je-li působící síla větší než síla třecí dojde k posunutí spojených součástí po sobě v rozmezí vůle mezi dříkem a dírou. Tato vůle může vzniknout buď jako důsledek výrobní chyby nebo v důsledku velkého tlaku a omačkání zejména díry v plechu. Dřík je pak namáhán na střih, otlačení a na ohyb. Dřík průměru d by měl zcela vyplňovat nýtovou díru, proto uvažujeme namáhání pouze na střih a na otlačení. Dovolené tlaky jsou u dynamického namáhání o třetinu menší. F

τ=

F ≤ τ D = (60 ÷ 80) MPa 2 πd .i.s 4

p=

F ≤ pD = (120 ÷ 150) MPa t.d .i

s...počet střižných ploch (1 nebo 2) i...počet nýtů

F

t...nejmenší tloušťka spojovaných součástí Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování. KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ strojní součásti. Přednáška 7

Recommend Documents