Technologičnost návrhu svařované konstrukce a svaru
Pravidlo minimálního počtu dílů, minimální tloušťky je v souladu s efektivitou výroby, takže je zřejmé, že jeho vrcholné aplikace najdeme v hromadné výrobě. Názorně to demonstruje např. karosérie automobilu, svařovaná z tenkých, tvarově složitých výlisků bodovými svary. Trochu odlišná situace je v kusové a malosériové výrobě, kde se převážně používají obloukové technologie. Svařování jako metoda spojování dílů bylo vždy závislé na jejich rozměrové toleranci, což komplikuje nasazení automatizace. Hlavně z tohoto důvodu je v konstrukcích vysoký podíl ručního svařování, které se lépe přizpůsobí měnícím se podmínkám než automatické. Tato situace se však rychle mění. Podíl dílenské výroby roste i u svařovaných konstrukcí (uznávaná hranice pro efektivní výrobu je 80 %). V dílenské výrobě převládá technologie MAG s využitím přípravků a polohovadel, zvyšuje se přesnost výroby polotovarů (výpalků) a to usnadňuje růst podílu automatizace a robotizace.
Pravidla technologičnosti návrhu konstrukce
Příklady uplatnění pravidel technologičnosti z literatury:
O
Pravidlo minimálního počtu dílů a svarů
a
b
c
Zarážka – původní konstrukce odlitku (a); změnou technologie na svařenec (b) se sníží hmotnost o 40 %, protože se odstraní technologické přídavky vlivem technologičnosti výroby odlitku a zvýšením pevnosti válcovaného plechu proti litině. Nicméně pracnost vzroste, protože výrobek je tvořen 4 díly, spojenými 12 krátkými svary, které se ve čtyřech uzlových bodech kříží. Cena svařence zůstala na stejné úrovni. Použitím výlisku (c) se změnil počet dílů na 2, spojené průběžným oboustranným koutovým svarem, vhodným pro automatizaci. Tím se jeho cena snížila o 50 %. Můžeme pokračovat v řešení zmenšením velikosti svarů, které dosáhneme snížením tloušťky materiálu. To docílíme buďto zvýšením jeho pevnosti, nebo dalším využitím tváření tak, aby se zvýšila tuhost jednoho tenkostěnného dílu (d). Využití obou těchto variant je patrné právě na konstrukci karosérie automobilu.
Zvýšení tuhosti tenkostěnné konstrukce
O
d – 1 díl, zvýšení tuhosti ohybem
Náhrada odlitků svařenci byla aktuální zejména v poválečném období. Jako příklad uvedeme podstavec pro motor mlýnu obilí, jehož svařovaná konstrukce je o 47 % levnější a o 55 % lehčí než původní odlitek.
Příklad náhrady odlitků svařenci
O
Obecná kritéria technologičnosti
V literatuře se vyskytují různá obecná kritéria posouzení technologičnosti, i když žádné není všeobecně uznávané. Tím nejobecnějším je poměr objemu navařeného kovu k celkové hmotnosti konstrukce. Zatímco u běžných ocelových konstrukcí se započítával paušálním ukazatelem 5 %, v odborné literatuře lze nalézt články popisující konstrukce s ukazatelem pod 1 %. Též se uvádí, že cca 70% podíl na tomto výsledku má konstruktér celkovou koncepcí řešení a výběrem materiálů. Pouze 20% podíl se přiznává technologovi a 10% vlastní výrobě. Podle nové koncepce zajištění jakosti by měl mít hlavní slovo technolog i ve výběru materiálu, zejména přídavného už proto, že má hlavní slovo při určení způsobu výroby a podílu automatizace a má hlavní vliv na kvalitu dílenského zpracování, nad nímž má dozor, a které má zásadní vliv na celkovou efektivitu výroby. V souvislosti s kontrolami efektivity provedení konstrukce nebo svařence, jako výraz neefektivního svařování, se objevují dva anglické pojmy: Oversizing – konstrukční předimenzování velikosti svaru. Overwelding – dílenské nebo montážní předimenzování svaru.
Technologičnost návrhu svaru (efektivity provedení svaru)
Technologie svařování jako způsob spojování dílů je velmi jednoduchá. Díly je možno spojit na tupo nebo T-spojem. Pouze u tenkostěných dílů můžeme tupý spoj nahradit přeplátovaným a T-spoj nahradit spojem lemovým.
Spojování dílů svařováním
Tupý svar spojuje 2 plechy zpravidla stejné tloušťky a tak nejefektivnější variantou se jeví provaření hran na tupo a nejlépe bez mezery. Proveditelnost tohoto řešení je omezena intenzitou zdroje a zejména přesností sestavení dílů a přesností vedení zdroje tepla. Mezi obloukovými technologiemi tyto požadavky splňuje např. automatické svařování pod tavidlem (SPT) se širokým a hlubokým závarem a až 70% podílem závaru na objemu svaru. Takto lze svařit až 12 mm plech na jednu housenku s přijatelným převýšením. Automatické svařování drátem s ochranou plynu (MAG) při nejvyšší intenzitě dosáhne též přes 50% promíšení. Přebývající cca 50% objem svaru, který tvoří přídavný materiál, se musí schovat v úkosu nebo mezeře. Pokud volíme mezeru, je nutno svařovat na podložku (SPT – tavidlová, MAG – keramická). Výhodou je méně náročná příprava a nižší nároky na přesnost za cenu zvýšení nákladů za podložku. Keramická podložka vrací teplo do svaru, takže průřez vypadá, jako by byl svařený z obou stran:
O
Návrh tupého svaru
O
Svařování na podložku
Úkos podložku nevyžaduje, ale je náročnější na přípravu, přesnost provedení dílů a vedení hořáku. V případě větší tloušťky, kdy je potřeba více vrstev, už je úkos nutný.
O
Svařování na tupo a s úkosem
Hlavní funkcí úkosu je zpřístupnit kořen svaru tak, aby svářeč viděl natavení spodní hrany. Podle toho, zda bude kořenová vrstva provedena ručně nebo automaticky, s podložkou nebo bez a podle mezní tolerance dílů volíme šířku mezery a výšku otupení. Rozdíl součtu kladných nebo záporných faktorů na plochu svaru může pak být velmi výrazný:
Vliv automatizace na plochu svaru
Úhel úkosu je dán technologií a průměrem elektrody. Např. při svařování obalovanou elektrodou potřebujeme minimální rozevření V úkosů 600, zatímco pro MAG svařování stačí 500 pro plný drát a trubičkový s tavidlem a dokonce jen 400 pro trubičkový drát s kovovou náplní:
O
O
Úhel úkosu
Při větší tloušťce plechu už začíná být V úkos neefektivní, protože s rostoucí tloušťkou narůstá plocha úkosu, která se musí vyplnit, a s ní roste i vnesené teplo, způsobující napětí a deformace. Pak je třeba uvažovat o změně tvaru úkosu. U úkos je sice plynulý, ale výrobně drahý, naopak W úkos je velmi vhodnou levnější variantou: O
U úkos a W úkos pro tupé svary větších tloušťek
Pro velmi tlusté plechy byla vyvinuta speciální technologie svařování pod tavidlem do úzkého úkosu. Pokud to konstrukce dovolí, vyplatí se využít možnosti svařovat z obou stran spoje. Plocha svaru je tak poloviční a navíc lze rozdělením vnášeného tepla předejít úhlové deformaci:
Svařování z obou stran
Pro polohové svařování – např. PC – využijeme nejlépe ½ varianty tupých svarů tak, aby tavná lázeň byla podepřena:
O
O
Mezera v kořeni, přesnost dílů a sestavení
O
Návrh koutového svaru
Polohové svařování
Při správném navržení a dimenzování svaru je jeho efektivní provedení již jen záležitostí výrobních tolerancí – dílů a sestavy. Ve směru tloušťky je svar přesně vymezen, ale v šířce svaru mohou tolerance neefektivně navýšit průřezovou plochu.
Vliv mezery na velikost svaru
U T-spojů se téměř výhradně používá koutového svaru, který se tak stává nejpoužívanějším typem svarového spoje v konstrukcích. Koutový svar ale není konstrukčně ideálním řešením spoje dvou kolmých dílů. Na rozdíl od tupého svaru, zde není velikost svaru
vymezena geometrií svarových ploch. Velikost koutového svaru závisí jen na správné manipulaci s hořákem u ruční aplikace a správném výpočtu parametrů automatického svařování. Průřezová plocha svaru je kvadrátem výšky (a2), takže např. rozdíl jediného milimetru mezi svarem nosné velikosti 5 a 6 mm (bez uvažování závaru), znamená zvýšení spotřeby přídavného materiálu přibližně o 44 %, bez započtení převýšení. Též nevhodné polohování, při kterém dochází ke stečení lázně, neefektivně zvýší plochu svaru.
Předimenzování koutového svaru
Předimenzování svaru – tzv. overwelding je podle „lean“ expertů nejčastějším zdrojem možných úspor při výrobě svařenců. Tento problém je však u ručně prováděných svarů neřešitelný. Při automatizovaném svařování se naopak dá velikost svaru dimenzovat velmi přesně a navíc lze využít opačného efektu koutového svařování – snížení velikosti koutového návaru zvýšením nosné velikosti svaru hloubkou závaru.
O
Zvětšení hloubky závaru a jeho zahrnutí do nosné velikosti svaru představuje velmi účinný způsob minimalizace vnějších rozměrů svaru a tím i spotřeby přídavného materiálu a minimalizace vneseného tepla. Již stará norma ČSN 050120 pro výpočty svarových spojů umožňovala paušálně započítat hloubku závaru do nosné velikosti koutového svaru u poloautomatických a automatických způsobů svařování.
O
Vliv zvětšení hloubky závaru na plochu svaru
Nová norma jde ještě dál a umožnila i nepravidelný tvar vnějšího tvaru svaru, který vznikne, když polohujeme svar směrem do mezery.
Nerovnoramený vnější svar při rovnoramenném závaru
Optimální tvar nerovnoměrného svaru byl legalizován v posledním vydání normy ČSN ISO 5817, kde je definována velikost koutového svaru jako výška největšího rovnoramenného trojúhelníka, vepsaného do příčného řezu svaru. Použitelnost této normy konstruktérem závisí na dvou předpokladech: 1. Dodržet tento tvar svaru je možné pouze při automatickém svařování, vhodným polohováním a vyosením hořáku a dále za použití vhodného režimu svařování. Tyto údaje získáme pouze předem provedenou optimalizací procesu podle ověřené metodiky a s technologickým předpisem podmínek svařování. 2. Velikost a tvar svaru, včetně hloubky závaru do mezery, je nutno, nejlépe bezkontaktně, kontrolovat. Na trhu jsou již vhodné prostředky – laser scan povrchu svaru a UZ „time-of-flight“ bezkontaktní měření hloubky závaru. Jako příklad je uveden koutový-závarový svar jako výsledek optimalizace soustavy zdroj-drát-plyn pro
O
běžný drát 1,2 mm pod ochranou směsí Ar/He/CO2 – 68/20/12 %. Z rozměrů jednohousenkového svaru, zhotoveného lineárním automatem při rychlosti 70 cm/min je patrné, že jeho nosnost odpovídá nosnosti koutového-výplňového svaru o třikrát větším objemu přídavného materiálu bez převýšení: O
Konstrukční převedení koutového svaru na tupý
Příklad optimalizovaného tvaru svaru
T-spoj je možno řešit i svařením na tupo. Můžeme použít všechny ½ varianty tupých svarů – ½V, ½U a oboustranné, ale na rozdíl od vodorovného tupého svaru na vertikální ploše (poloha PC), máme jen poloviční prostor pro manipulaci s hořákem a z toho plyne potřeba většího otevření úkosu. Výhoda T-spojů je opět ve snadnějším polohování, které tento úkos zpřístupní. Pro snadnější manipulaci a vzhledem k vrubovému účinku je výhodnější provést tupý svar s koutovým převýšením, o které se sníží hloubka úkosu.
Kombinace tupého a koutového svaru
O
Mezera v kořeni, přesnost dílů a sestavení Vliv mezery v kořeni na plochu svaru
Neefektivní nárůst objemu svaru vznikne též vlivem součtu rozměrových tolerancí dílů a sestavení, které se projeví mezerou v kořeni. Její ztrátová výplňová plocha: P = m.(冪莦 2.a + m / 2). Pro koutové-výplňové svary je mezera vždy ztrátová. Pro koutové-závarové svary může být mezera stejně jako u tupého spoje do určité míry vhodná, protože
O
usnadňuje pronikání tavné lázně do závaru a pojme přídavný materiál, který by se jinak projevil v převýšení. Experimenty ale prokázaly, že vzhledem k potřebné hustotě výkonu je optimální mezera do 0,5 mm, jinak svar může protéct skrz. To odpovídá toleranci při montáži přesně řezaných nebo stříhaných dílů. O
Použití koutového svaru u přeplátovaného spoje
Vliv mezery na hloubku závaru
Přeplátované spoje mají proti tupým výhodu v odstranění problému s výrobními tolerancemi dílů, protože vždy umožňují dodržení přesnosti při montáži. Ani velikost svaru tím není ovlivněna. Právě z těchto důvodů jsou velmi využívanými spoji v automobilovém průmyslu. U plechů větších tloušťek nad 5 mm, kde je možno využít hlubokozávarové svařování, se přeplátovaný spoj vyskytuje jen zřídka a zpravidla se jedná o oboustranné koutové svary.
Nosná velikost jednostranného koutového svaru přeplátovaného spoje, oboustranný svar
Objem i nosná velikost jednostranného koutového svaru je omezena tloušťkou materiálu. Ideálně vyplněný svar má účinnou výšku pouze 70% tloušťky plechu. Nicméně tenké plechy se svařují tenkým drátem a nízkým proudem ve zkratovém režimu, takže svar je téměř vždy převýšený a předimenzovaný, což vnáší do spoje nadměrné teplo a zvyšuje deformace. Proto byly pro přeplátované tenké plechy do 3 mm tloušťky vyvinuty speciální metody svařování snízkým vnášeným teplem pomocí formování vlny a frekvence pulzního svařování, které je případně kombinováno sřízením podávání drátu.
O
