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 <0.1 <0.4 obostrano <0.2 jednostrano Polietilen <0.2 Poliamid PVC - tvrdi i meki >0.1 Visokofrekventno Polimetakiilat Poliamid profili. cijevi Polimetakiilat pro fili
Vrucim alatom
Polietilen
>2.0
200...250
T oplotno-impulzno PVC-meki
T-H
AA
dd 1—i
Z avarivanj e trenj em PVC-tvrdi
6
1.3 VRSTE ZAVARENIH SPOJEVA I ZAVARA Zavareni spojevi dijele se obzirom na medusobni polozaj dijelova koji se zavaruju. Osnovni oblici zavarenih spojeva prikazani su u tabeli 1.2. Zavari se opcenito dijele na: · suceone zavare, slika 1.2 a i b. · ugaone zavare, slika 1.2 c i d. · posebne zavare, slika 1.2 e if Tabeli 1.2 Oblici zavarenih spojeva obzirom na polozaj dijelova s \
V777Z\
s s s
Preklopni spoj Spoj sa vezlcom Udvojeni spoj
Suceoni spoj
^77777
s
*75
EZZ2 7 7 1 T 7 7 7 I
cza
Ukrsni spoj
1
Yzzzn
T - spoj
ZZ2ZZ23
Prirubni
Dvokraki T-spoj Ugaonispcj Prirubni suceoni spoj ugaonispoj
Ovisno o debljini dijelova koji se zavaruju, postupku zavarivanja, naeinu zavarivanja, zahtjeva i moguenosti, topljenjem se zavaruju: · bez zlijeba (bez pripreme ) - suceoni spojevi tankih limova i dijelova, manja opterecenja, slika 1.2a, · u prirodnom zlijebu s medusobnim nalijeganjem dijelova (bez posebne obrade rubova) - obicni ugaoni zavar, slika 1.8c i d, te · u posebno oblikovanom zlijebu (posebno obradeni rubovi prije zavarivanja)- debeli dijelovi odnosno zavari s posebnim zahtjevima, veca opterecenja, slika 1.8 b, e , f . s u c e o n i zavari a)wixmmi
Slika 1.2: O p c a p o d j e l a z a v a r a s o b z i r o m na p o l o z a j d i j e l o v a koji se z a v a r u j u : a) s u c e o n i V - z a v a r b) s u c e o n i X - z a v a r c) u g a o n i z a v a r d) d v o j n i u g a o n i z a v a r e) s u c e o n i K - z a v a r u g a o n o g s p o j a f) p o l o v i c n i Y - z a v a r s u g a o n i m z a v a r o m u k o r i j e n u
7
Po polozaju zavarivanja razlikuju se cetiri osnovna polozaja: · horizontalni, slika 1.3a, · horizontalni na zidu, slika 1.3b, · vertikalni, slika 1.3c, · nadglavom, slikal.3*/. Svi drugi polozaji su kosi.
Tabela 1.3 daje neke vrste i oblike topljenih zavara, te potrebne oznake na radionickim crtezima. Tabela 1.3: Vrste i oblici topljenih zavara po EN 22553 - izvadak Naziv
ji
Naziv Sueeoui spojevi
Zavar s ivicom
Y zavar
Y Dvostniki Y zavar
V zavar
V
K zavar
Polovicni
N A Siroki V U zavar J zavar
Y zavar
Y
Dvostruki J zavar l Ku tiii spojevi
ugaoni
zavar
Dvostnik
i ugaon
zavar
»
K iI
Rubm plosnati zavar
4
\
Ugaoni zavar
I Rubui spojevi Rubm V zavar
8
Oziiaka
Priprema
< ^
II
V zavar
V
zavar
\L
1
II
1
i
·
I
i/—i
y
i·< i ) T; )T l W
f
X zavar
1
W
X O A
i
zavara
< Polovicni
D D
I zavar
Izvedba
t
1 Dvostruki
Oziiaka
Pnprema
Izvedba
JL )r\ X D· aQ OZi 1 K L_LJ rm V X oa P ·a i ri K ·a n D
zavara
\
U zavar
N M
I : I
Tabela 1.4 prikazuje vrste i oznake zavara spojenih pritiskom. Tabela 1.4: Vrste i oblici mehanicki spojenih zavara po EN 22553 Naziv
Oznaka
Priprema
Iz\"edba
Naziv
Oziiaka
Pripreina
Iz\'edba
Ceoni spojevi Zavar s zadebljanje m Zavar sa srhom
I t
Gnjeceni zavar
m m
i
·mm
1 Preklopni spojevi
Jednoredni tackasti zavar Dvoredni tackasti zavar
O O
mm™
Brada\ica sti zavar Savni zavar
® =©=
x&t
Po kontinuitetu zavari mogu biti neprekinuti i prekinuti. Kod zavarivanja topljenjem zavarivacki postupci teku od ruba ili prema rubu. U prvom nacinu zavar se pocne izvoditi na rubu zavarivanih dijelova, kod drugog na sredini, odakle se, sa ili bez prekida, nastavlja prema oba ruba. Pri tome treba znati da su kvalitet i nosivost zavara najslabiji na njegovom pocetku i kraju. Zato se kvalitet i nosivost zavarenog spoja moze znatno poboljsati, ako se zavaruje s produznom plocicom jednake debljine, slika 1.4. Zavarivanje se zapocinje i zavrsava na produznoj plocici. Nakon hladenja zavara, produzne plocice se odrezu, tako se dobije jednak kvalitet zavara po citavoj njegovoj duzini. Ako zavar prenosi opterecenja koja djeluju uzduz njegovog polozaja, naziva se uzduzni zavar. Ako pak opterecenja djeluju okomito na njegov smjer, naziva se poprecni zavar.
Slika 1.4: Zavarivanje s produznom plocicom Kvaliteta zavara ovisi o tipu i kolicini gresaka koje u njemu nastaju pri zavarivanju. U te greske spadaju zracni ili plinski mjehuri u zavaru, zaostala troska, hladno naljepljivanje izmedu zavara i osnovnog materijala, pukotine u zavaru ili ZUT-u, neprovaren korijen, itd. Vanjske greske se lako zapaze prostim okom, ili se otkriju pomocu magnetskog praha ili penetrirajuce boje. Ultrazvucnim ili rendgenskim postupkom moguce je otkriti i unutrasnje greske. DIN EN 729-1 i 729-2 razvrstava greske u zavaru i propisuje odgovarajuce metode za njihovo otkrivanje.
9
Prema ISO 10721 i DIN 18800 zavareni spojevi se razvrstavaju u cetiri razreda kvaliteta: 1. razred kvaliteta - U torn razredu moraju sve vrste suceonih zavara imati provareni korijen, a ugaoni i krizni zavari provarene presjeke. Upotrebljeni osnovni i dodatni materijal moraju imati atest. Zavari moraju biti bez gresaka, izvodi se 100% kontrola (radiografska, ultrazvucna). Zavar izvode samo strucno osposobljeni zavarivaci s atestom za taj razred kvaliteta. 2. razred kvaliteta - U drugom razredu kvaliteta su sve vrste spojeva i zavara. Materijali su atestirani, manje su greske dopustene, ali u zavaru ne smije biti pukotina. Obavezna je 50% kontrola. Zavaruju zavarivaci s atestom za postupke i polozaje zavarivanja, koji su moguci na konstrukciji. 3. razred kvaliteta - Suceone zavare tog razreda moraju izraditi atestirani zavarivaci. Zahtjeva se 10% - na kontrola zavara s ultrazvukom, te 100% - na vizualna i dimenzijska kontrola. 4. razred kvaliteta - N e m a posebnih zahtjeva, vrijedi samo za jednostavne konstrukcije. Prema DIN EN 25817, za namjene proracuna zavari se razvrstavaju u tri skupine, kako slijedi: skupina B - zavari visokog kvaliteta (1. i 2. razred kvaliteta); bira se pri visokim opterecenjima, gdje je lom zavara opasan po zivot, ili uzrokuje ispad (otkaz) glavne funkcije masine ili naprave, zatim pri velikim dinamickim opterecenjima (npr. vozila, radni masina, presa, dizalice, itd.), odnosno prema posebnim zahtjevima kod rezervoara i posuda pod pritiskom u masinogradnji i gradnji kotlova (dimnjaka). skupina C - zavari srednjeg kvaliteta (3. razred kvaliteta); bira se pri srednjim iznosima opterecenja gdje lom zavara ne uzrokuje ispad glavne funkcijemasine ili naprave, i pri srednje velikim iznosima dinamickih opterecenja (npr. potpore, odredeni dijelovi kucista, kucista lezajeva, itd.) skupina D - zavari niskog kvaliteta (4. razred kvaliteta); bira se pri manjim opterecenjima, gdje lom zavara nema bitnih posljedica, i pri statickim i manjim dinamickim opterecenjima (npr. uredaji, sanduci, ograde, itd.)
10
1.4 PRORACUN CVRSTOCE ZAVARENIH SPOJEVA Proracun cvrstoce zavarenih spojeva izvodi se prema osnovnim izrazima cvrstoce. Pri tome se uporeduju radna naprezanja s dopustenim naprezanjima u zavaru. Proracun zavarenih spojeva u opcoj masinogradnji nije propisan standardom, pa se naprezanja racunaju slicno kao u gradnji celicnih konstrukcija, kako je to propisano evropskim standardom ENV 1993-1-1. Posebnu paznju treba posvetiti pravilnom odredivanju sila i momenata, koji opterecuju zavareni spoj. U proracunu cvrstoce zavarenih spojeva zavari se smatraju samostalnim elementima, pri cemu se odreduju radna naprezanja u pojedinim kriticnim presjecima zavara. Kod suceonih zavara to je okomit presjek zavara uzduz njegove ose, slika 1.5a, a kod ugaonih zavara to su prikljucne ravni zavara na spajanim dijelovima, slika 1.5b. Kod proracuna je najvaznije pravilno odredivanje ukupne nazivne nosive povrsine zavara Azv
" Izv,
gdje je a racunska debljina i /zvnosiva duzina pojedinog zavara u zavarenom spoju koji prenosi vanjska opterecenja.
udubljeni ugaoni zavar e) raznostranicni ugaoni zavar Kod suceonih zavara racunska debljina zavara a jednaka je debljini dijelova koji se zavaruju (a=t), odnosno debljini najtanjeg dijela u spoju razlicite debeljine dijelova (a = / m i n ) , slika 1.5a. Kod ugaonih zavara za racunsku debljinu zavara uzima se visina jednakokrakog trokuta ucrtanog u poprecni presjek zavara, slika 1.5 b,c,d i e.
11
Za nosivu duzinu zavara /zv uzima se duzinu na kojoj zavar ima punu debljinu a. Ako se zavaruje s produznom plocicom, slika 1.4, puna debljina zavara je po cijeloj duzini spoja / i vrijedi hv = /. Kod zavarivanja bez dodataka na pocetku i kraju zavara ne postize se puna debljinu, i mora se ukupna duzina zavara / smanjiti na svakoj strani za po jednu debljinu zavara a, slika 1.6. Zato je u torn primjeru nosiva duzina zavara hv = I - 2a. Kod kruznih zavara smatra se da je debljina zavara po cijelom obimu jednaka. Nastalu supljinu u zavaru na krajevima zavarivanja je potrebno popuniti navarivanjem.
b) Prikljucna ravan zavara 1 Gl±= *21 ?1± ~ <721 G
Prikljucna ravan zavara 2 Slika 1.7: Kriticni presjeci i osnovna naprezanja u zavaru a) suceoni zavar b) ugaoni zavar Pod djelovanjem vanjskih opterecenja u prikljucnim ravnima suceonih i ugaoni zavara mogu nastati razlicita naprezanja, slika 1.7: - normalno naprezanje, koje djeluje okomito na racunsku ravan zavara an - normalno naprezanje, koje djeluje okomito na poprecni presjek zavara, Tj_ - naprezanje na smicanje, koje djeluje u racunskoj ravnini okomito na duzinu zavara i nastoji zavar prekinuti po debljini smicanjem, In - naprezanje na smicanje, koje djeluje u racunskoj ravnini uzduz zavara i nastoji zavar smicanjem prekinuti po duzini. Kod ugaonog zavara potrebno je uzeti u obzir da je normalno naprezanje na jednoj prikljucnoj ravni jednako poprecnom naprezanju na smicanje T_l na drugoj prikljucnoj ravni o_l = Tj_ i obratno, slika 1.7. Uzduzna naprezanja (smicanje i normalno) In i On su jednaka na objema prikljucnim ravnima.
l||
= a
2|l
12
1.4.1 Opterecenja na pritisak, zatezanje i smicnje zavarenih spojeva Za opterecenje na smicanje, zatezanje ili pritisak (popreeno i uzduzno) zavarenih spojeva silom F, koje uzrokuje pojedino stanje naprezanja, odreduju se pripadajuca naprezanja po izrazu:
n_ r_
(j
>=*-<<
—zv dop
(1)
* rv dop
4..
(Tn i_ [N/mm ] - normalno zatezno/pritisno naprezanje okomito na racunsku ravan zavara, slika 1.8 2
·
·
r v n [N/mm 2] - naprezanje na smicanje uzduz zavara, slika 1.9 F [N] - sila opterecenja Azv [mm ] - racunski presjek zavara; Azv = ILa-lzv &±zv,dop [N/mm ] - dopusteno normalno naprezanje zavara, *zv dop [N/mm 2] - dopusteno naprezanje na smicanje zavara. Slika 1.8 prikazuje primjer opterecenja na zatezanje suceonog i ugaonog zavarenog spoja. Kod ugaonog zavarenog spoja potrebno je uzeti u obzir, da pod opterecenjem zateznom silom F nastaju naprezanja na zatezanje G n± na normalnoj prikljucnoj ravnini i istovremeno popreeno naprezanje na smicanje r sj^ na poprecnoj prikljucnoj povrsini. Oba se naprezanja provjeravaju posebno.
ja
+g nl
^ A-, +c„i Slika 1.8 : Zavareni spojevi optereceni na zatezanje a) suceoni zavar b) ugaoni zavar
rsj_ [N/mm"] - naprezanje na smicanje popreeno na duzinu zavara, slika 1.9
13
Slika 1.9 prikazuje primjer istovremeno opterecenih na smicanje uzduznih i poprecnih ugaonih zavara. Pod opterecenjem, u uzduznim zavarima duzine hv 1 pojavljuju se uzduzna naprezanja na smicanje r s n , a u poprecnom zavaru hvi nastaju poprecna naprezanja na smicanje rsj_. Prema izrazu (1) izracuna se ukupno naprezanje na smicanje tako da se u prikazanom primjeru odredi noseca povrsina: Azv = Za ·hv = 2 ai ·hvi + a2 ·hv2
Ako je u prikazanom primjeru hvi > 1,5-hvi, nosivost poprecnog zavara u proracunu ne uzima se u obzir.
/.-vl
pop re cm zavar
z
0
<
F
uzduziii zavar Slika 1.9 : Zavareni spojevi optereceni na smicanje U primjeru opterecenja uzduznog zavara uzduznom silom F (bez momenta savijanja), normalno uzduzno naprezanje On u poprecnom presjeku zavara jednako je normalnom naprezanju u samom konstrukcijskom dijelu:
F ^"||
—
(2)
~ — ^sv.dop -i
2 A [mm ]
- racunski presjek cijelog konstrukcijskog dijela
Ozv>dop [ N / m m ] - dopusteno normalno naprezanje zavara.
1.4.2 Zavareni spojevi optereceni na savijanje U slucaju opterecenja zavara momentom savijanja Ms odreduje se najvece normalno naprezanje od savijanja u zavarenom spoju po izraza, slika 1.10:
c =
Ms [Nmm] Izv [mm 4] yzv [mm]
·v < a
*
0)
- moment savijanja okomit na racunsku ravan zavara; Ms = F-L - moment inercije racunske povrsine zavarenog prikljucka - udaljenost zavara od tezista zavarenog prikljucka
0"_uv,dop [N/mm2] - dopusteno normalno naprezanje zavara. 14
Slika 1.10: Zavareni spojevi optereceni savijanjem a) suceoni zavar b) ugaoni zavar Kod uzduznih zavara opterecenih na savijanje (Slika 1.11) nastaju naprezanja od savijanja crvn koja su jednaka naprezanjima savijanja dijelova konstrukcije i ona se na mjestu najveceg momenta savijanja uzduz zavara odreduju po izrazu:
^11 =
I ' y 2V — ^BV,dop
Ms [Nmm] - uzduzni moment savijanja zavara I [mm 4] - moment inercije poprecnog presjeka zavarenog nosaca yzv [mm] - udaljenost zavara od tezista presjeka zavarenog nosaca Gzv,dop [N/mm2] - dopusteno normalno naprezanje zavara.
(4)
Slika 1.11: Savojno optereceni uzduzni zavareni spojevi zavarenih profila
15
Uzduzna naprezanja od savijanja obicno nisu kriticna, pa se u praksi rijetko provjeravaju. Kriticna su uzduzna naprezanja na smicanje u racunskim ravnima zavara, koja se pojavljuju zbog savijanja zavarenih nosaca, slika 1.11. Ta se naprezanja moraju provjeriti na mjestu najvecih poprecnih sila uzduz zavara po izrazu:
r
n =
< r
1 Tn [N/mm ] Fp[ N] H [mm3]
,
-
- uzduzno naprezanje na smicanje u zavaru, smut i . n - poprecna sila u posmatranom presjeku - staticki moment poprecnog presjeka zavarenog nosaca iznad racunske povrsine zavara
H = y\ -A\ +y2-A2 - za uzduzni suceoni zavar, slika 1.11a H = ylAl
- za uzduzni ugaoni zavar, slika 1.11b
4
La [mm]
- ukupna debljina svih uzduznih zavara =a - za uzduzni suceoni zavar, slika 1.11a Ha = 2a - za uzduzni dvojni ugaoni zavar, slika 1.11b
Tz„,dop [N/mm2] - dopusteno naprezanje na smicanje zavara.
1.4.3 Zavareni spojevi optereceni na uvijanje Pri opterecenjima kruznih zavarenih spojeva na uvijanje (obicno ugaoni zavar) pojavljuju se na prikljucnim povrsinama naprezanja na uvijanje, koja djeluju u obodnom smjeru zavara. Jednostavni kruzni zavareni spojevi optereceni na uvijanje , slika 1.12, provjeravaju se prema izrazu:
T R?L I
Ttu [N/mm ] T [Nmm] Wtzv [mm3]
—
~
j
(6)
- tangencijalno naprezanje od uvijanja uzduz zavara, slika 1.12 - moment na uvijanje zavara - polarni otporni moment racunske povrsine zavara; { a - 2a f 71 r, -
16
d d
+
Tzv,dop [N/mm ] - dopusteno naprezanje na uvijanje zavara,
2 a
..
— * zi-i dop
I [mm ]
(5)
- moment inercije poprecnog presjeka zavarenog nosaca
W
< Tn ! dop'
Slika 1.12: Zavareni spoj opterecen na uvijanje 16
N o s a c e dizalica p o t r e b n o je r a c u n a t i s e k v i v a l e n t n i m ( r e d u c i r a n i m ) n a p r e z a n j e m . Ekvivalentno (reducirajuce, usporedno) n a p r e z a n j e po h i p o t e z i m a k s i m a l n o g d e f o r m a c i j s k o g r a d a (HMH - Huber, Mises, H e n k i j e v a teorija) j e :
a
skv ~ V
+ (J
a
a
i * &H
r_L + T n ) ^ (Jzav_dopv
+
b) Prikljucna ravan zavara I <*11= *21 t t i = Gil Cri = a : n Prikljucna ravan zavara
Niti j e d n a od h i p o t e z a c v r s t o c e ne s l a z e se u p o t p u n o s t i s r e z u l t a t i m a eksperimenata, pogotovo ne za sve vrste materijala i za svaki vremenski karakter opterecenja.
Zbog toga je za proracun
ekvivalentnog n a p r e z a n j a u poprecnom presjeku predlozen iskustveni izraz, koji u z i m a u o b z i r i m e h a n i c k a s v o j s t v a m a t e r i j a l a :
Vet, = V 0 "
2
+
(
a
«
T
^ ~
zo,4op,
a
R
a0=— K
R [ N/mm 2 ] m j e r o d a v n a k a r a k t e r i s t i k a c v r s t o c e z a n o r m a l n a n a p r e z a n j a , C7
R
r
[ N/mm 2 ] m j e r o d a v n a k a r a k t e r i s t i k a c v r s t o c e z a t a n g e n c i j a l n a n a p r e z a n j a ,
17
PRIMJERI: Proracun suceonih zavara D e b l j i n a svih l i m o v a je t
Y2
.J.
yi
Ik
— -i x y////////////z^
M <* ii = — y
/„=
*"//
=
t-h2 +2
12
M = F ·/ _ b t2 . . + 2 b t · v2
2
12
F -S / .Srt G
ehT 4 + - \
2
5 = ( —- v ) -1 · Vj2 + b - t - v22 ** · zav · 1 ·l Za = t
PRIMJERI: Proracun ugaonih zavara
r
F
// =
Fi
^Irav =
3
T
F
2 · a · /zav
II — Tzm\ciopv
i
lzv = I - 2 a
18
2. K O N S T R U K T I V N O O B L I K O V A N J E Z A V A R E N I H D I J E L O V A I KONSTRUKCIJA Zavareni oblici se dobijaju spajanjem ( zavarivanjem ) standardnih poluproizvoda: profila, sipki, limova i dr. Proees zavarivanja je jednostavan pa su zavarene konstrukcije uglavnom jeftine. U poredenju sa limovima i kovanim oblicima, zavareni oblici su jeftiniji kada je u pitanju mali broj komada, a i vrijeme izrade je im je krace. Ako se proces zavarivanja automatizuje onda proizvodnja dijelova zavarivanjem moze biti ekonomicna i za veci broj primjeraka. Pri konstruisanju zavarenih oblika moguce je ostvariti najracionalniji raspored masa, te je ukupna masa manja u odnosu na kovane i livene oblike , a cvrstoca zavarenih konstrukcija je velika. Kvalitet zavarene konstrukcije zvisi od kvaliteta, jacine i krtosti elemenata koji ulaze u konstrukciju kao i od kvaliteta i izdrzljivosti zavarenih spojeva. Kvalitet zavarenog spoja zavisi od sposobosti varioca i izbora dodatnog materijala ( elektrode ), od polozaja zavarenog sastva, pojave zaostalih napona, deformacija i prskotina, od zagrijavanja materijala i naknadnog skupljanja, nejednake podobnosti svakog matrijala za varenje itd. Postoje tri kvaliteta vara: 1. Kvalitet vara kase I ( normalnoo zavarivanje - N ) se primjenjuje za nepokretne elemente ilozene umjerenim statickim opterecenjem. 2. Kvalitet vara klase II ( fino zavarivanje -F ) se primjenjuje za nepokretne i pokretne elemente izlozene jakim statickim ili umjerenim promijenljivim opterecenjima.
3. Kvalitet vara klase III ( specijalno zavarivanje - S ) se predvida za pokretne i nepokretne elemente izlozene vrlo jakim nepromijenljivim i promijenljivim opterecenjima. Zavarivanjem se izraduju dijelovi nosecih konstrukcija ( grde, resetke, stubovi i dr.), dijelovo od limova ( sudovi pod pritiskom, rezervoari, cjevovodii dr.), zavareni elementi masina ( zavareni obrtni dijelovi, kucice, postolja i dr.) Dijelovi nosecih konstrukcija, prikazani na slici 2,91, se najcesce izraduju od profilisanog celika.
Slika 2.91 - Zavareni dijelovi nosecih konstrukcija
19
Dijelovi od lima se izraduju uglavnom sueeonim zavarivanjem predhodno oblikovanih i pripojenih limova. Prikljucni elementi, veze sa drugim djelovima, oslonci i drugo mogu biti razlicitog oblika, ostvarenim razlicitim hermetickim zavarenim spojevima, slika 2.92.
\ '
s
·
\
s J
Detalj B
'·
k1^ L 1J \ 1\ \
·
\
Slika 2.92 - Zavareni oblici elemenata sudova pod pritiskom
· \ 11 ·.s Zavareni dijelovi maina mogu se svrstati u tri grupe: obrtni dijelovi, slika 2.93a, kucice i oslonci, slika 2.93b i postolja masina slika 2.93c. Ovi dijelovi se oblikuju spajanjem glavcina, vijenaca, prirubnica, zidova od limova i dr. Postolja se mogu izradvati od profilisanog eelika, slika 2.94.
20
Slika 2.94 - Primjeri zavarenih oblika postolja
OSNOVNA PRAVILA ZA OBLIKOVANJE ZAVARENIH KONSTRUKCIJA Konstruktor zavarenu konstrukciju treba oblikovatida omoguci njenu najekonomicniju izradu. Vrlo je tesko dati neke opcevazece recepte za oblikovanje svih mogucih konstruktivnih zadataka zavarenih konstrukcija. Ali moguce je dati neka osnovan pravila za konstruktivno oblikovanje: 1. Izvodljivost sastava, odnosno, pristupacnost pojedinim varovima Postoje tri osnovna polozaja u kojima se moze obaviti zavarivanje: horizontalni, vertikalni i nad glavom. Najbolje i e najlakse se izvode horizontalni, a najteze varovi nad glavom sto treba voditi racuna pri konstruisanju. Sema polozaja varenja dat je na slici 2.95.
A. Slika 2.95 - Polozaj pri zavarivanju: A-horizontalni B-vertikalni, C-nad glavom
22
Zavarena rnjesta unutar konstrukcije i na slabo pristupacnim mjestima treba izbjegavati. Ukoliko se ne mogu izbjeci takvi varovi potrebno je predvidjeti dovoljno prostora za rukovanje i obezbijediti povoljan polozaj elektrode, slika 2.96. a.
T 1 \2 3y
· e. c
A.
Slika 2.96 - Polozaj elektrode: oblik B je povoljniji
Drugi prrimjer konstruisanja sa tesko pristupcnim varovima i poboljsanom varijantom te konstrukcije dat je na slici 2.97.
a)
b) Nepristupadni
zavari
n a)
b)
Slika 2.97 - Nepristupacni varovi i poboljsane pristupaenosti
Za elektolucno zavarivanje potrebno je postovati ogranicenja i uvijete vezano za pristupacnost varova, slika 2.98. b)
bx h
300x400
1
500
400x300
400x600
800
900
600x400
500x600
1200
1200
Slika 2.98 - Pristupacnost pri zavarivanju
2. Pristupacnost polozaja vara u smislu dobivanja kvalitetnijeg korijena prkazana je na slici 2.99 gdje je data varijanta zavarenog kuciste lezaja. Rjesenje na slici 2.99a daje necist korijen,dok rijesenja na slici 2.99b i 2.99c daju kvalitetniji korijen.
+ a)
b)
c)
Slika 2.99 - Konstrukcija sa stanovista pristupaenosti korjena vara
23
3. Kada su u pitanju ugaoni varovi treba predvidjeti zavarivaje kako je to prikazano na slici 2.100b, a na slici 2.100a da ne bi doslo do smanjenja visine vara h na hi sto je nepovoljno. v^
Slika 2.100 - Dobivanje ispravnog prfila ugaonog vara
4. Izbor vrste sastava i kvaliteta izvedbe vara: Vrsta sastava bira se zavisno od debljine limova, od pristupacnosti sa jedne strane i od vrte naprezanja. Bolji je ceoni var od ugaonog, kada je presjek vara simetrican i kada je masa vara sazmjerno mala. Treba teziti sti jednostavnijoj propremi limova za zavarivanje. Poznato je da varovi stetno uticu na cvstocu. Na mjestima zareza mogu se javiti naprezanja koja su mnogo vecaod racunskih. Kod suceonog vara raspored naprezanja po presjeku je ravnomjeran ako je zavarivanje izvrseno kvalitetno i ako je korijen vara zljebljen, ponovo varen i obraden do ravnine lima, slika 2.101. nadviSsnia /
\
/
k"\mW '
/
\V/— -c \ J
w
prcmy kOftm, zavara kop*:o
Slika 2.101 - Obradeni suceoni var
Ako var nije obraden i nije kvalitetno uraden, tada korijen vara od dodatnog na osnovni materijal i predsatvljaju majsta koncentracije napona i povecanja rasporeda napona po presjeku vara, slika 2.102. A-A
b.
B-B
0max Slika 2.102 - Neobradeni suceoni spoj
Ugaoni varovi su jos nepovoljniji sto se tice koncentracije napona. Na mjestima zavara kod njih dolazi do ostrog zareza koji izaziva neravnomjeran raspored napona u pojedinim presjecima, slika 2.103.
1" D
\
)
C
S 2 P e k
zavarivanja ugaonih varova
k] Htf A-A
C-C
B-B
D-D 24
Ugaono varovi se ne upotrebljavaju kod visokih opterecenja, a narucito dinamickih opterecenja. Suceoni varovi kod kojih nije vrsena obrada ( zljebljenje ) korijena i ponovo zavarivanje, korijen vara ne smije biti opterecen na istezanje, jer to mjesto predstavlja mjesto izvora koncentracije napona. Zbog toga je var potrebno tako oblikovati da mu korijen nije opterecen na istezanje, slika 2.104.
Slika 2.104 - Korijen vara nije dobro smjestiti u zoni istezanja
Naponsko stanje: Svaki var predstavlja izvor koncetracije napona, pa ako mu se jos pridruzi koncertacija napona oblika, onda takvi oblici zavarenih djelova i konstrukcija imaju vrlo malu dinamicku izdzljivost pri promijenljivom naprezanju. Ako se radi o statickom napregutim sastavcima onda se mogu varovi postaviti na mjesta koncentracije, slika 2.105. r\]
Slika 2.105 - Ugaoni varovi staticki optereceni
Ako se radi o jakim promijenljivim naprezanjima , zavareni sastavk treba udaljiti od mjesta sa koncentracijom napona, slika 2.106.
N3
Slika 2.106 - Varovi izmjesteni sa mjesta koncentracije napona
Sjestanje zavarenog sastavka u zoni visokog opterecenja se ne preporucuje i takva su rjesenja skuplja, slika 2.107.
£
Slika 2.107 - Zavareni sastavak izmjesten od mjesta najveceg opterecenja
25
6. Debljina varova Kada se zavaruju limovi razlieite debljine, a pri maloj razliei debljine, moze se upotijebiti jedno od rjesenja sa slike 2.108, pri cemu opterecenja vara nije promijenljivo.
Slika 2.108 - Primjeri zavarenih sastava limova neznatne razlike debljine
Pri promjenljivom optereeenju varova, dolazi do izrazaja koncentracija napona koja se mora umanjiti kontinualnom promijenom oblika vara i zavarivanja korijena, slika 2.109.
Slika 2.109 - Primjer zavarenih sastava limova neznatne razlike debljine izlozenih promijenljivom naprezanju
U slucaju velike razlike debljine limova, a pri promijenljivom optereeenju, vsi se izjednacavanje debljine limova, slika 2.110, pri eemu je rijesenje na slici 2.110b povoljnije jer je var izmjesten iz mjesta koncentracije napona.
Slika 2.110 - Zavareni sastavci limova znatnije razlike u debljini
Kos suceonih varova debljina vara se uzima kao debljina limova koji se zavaruju, ako su debljine limova iste. Kod razlicitih debljina limova koji se zavaruju, debljina vara se uzima da je jednaka manjoj debljini lima, slika 2.111.
Samo za staticki opterecene konstrukcije
Slika 2.111 - debljine vara kod suceonih spojeva
26
Debljina ugaonog vara kod statickih opterecenja ne smije biti manja od 3mm, a kod dinamickih 4mm. Pri tome ne smije biti veca od 0,78 gdje je 5 debljina manjeg lima u spoju. Na alici 2.112 su data tri primjera ugaonih varova za nepromjenljiva naprezanja, s tim da treba obratiti paznju da korijen vara bude u oblasti pritiska, atjeme vara u oblasti zatezanja.
- Glavni clement ugaonog vara: 1 - osnovni materijal. 2 · var. 3 · uvar. 4 - prelazra zona 5 · povrsina varenja (strane vara). 6 · 1jeme vara. 7 - koijen vara.
Slika 2.112 - Ugaoni varovi-jednostrani i dvostrani
Na slici 2.113 su prikazana dva primjera ugaonih varova koji su pogodni zapromijenljiva opterecenja. Kod ovih varova je vrseno posebno zavarivanje korijena i priprema limova za zavarivanje.
·
\7 Slika 2.113 - Ugaoni varovi za ugaone sastavke izlozene promijenljivom optereeenju
7. Koristenje preklopnih varova Preklopni varovi, slika 2.114, su slicni ugaonim varovima. Mogu biti izvedeni kao jednostrani- za neznatna opterecenja, i kao dvostrana.
|. ·> ,| Slika 2.114 - Dvostrani preklopni varovi
Preporucena vrijednost duzine preklopa se moze usvojiti kao: 5 [mm] <10 11-20 lp[ mm ] ....40-50 60-70 Preklopne sastave u nacelu treba izbjegavati, osim kada se konstrukciji dodaje naknadno novi element. 8. Ostali varovi Pri konstruisanju zavarenih oblika mogu se koristiti i neki drugi oblici varova, koji su uglavnom rjede primjenjuju. Neki takvi varovi prikazani su na slici 2.115.
27
9. Isprekidani sastavci koriste se ako to dopusta opterecenja vara u cilju ustede u materijalu vremenu izrade. Ovi varovi se rijetko upotrebljavaju kada su u pitanju promijenljiva naprezanja. Na slici 2.116 je prikazan isprekidan ugaoni zavar.
Slika 2.116 - Isprekidani ugaoni var
10. Najbolje su konstrukcije na kojima se najmanje zavaruje. U tu svrhu za zavarene konstrukcije treba koristiti pogodne profile i savijene limove, slika 2.117.
Slika 2 . 1 1 7 - Mogucnost ustede materijala
Na slici 2.118 su prikazani ukupni troskovi izrade i toskovi zavarivanja za ti slicne konstrukcije, sa stanovista koristenja razlicitih oblika materijala za zavarenu konstrukciju.
100% 100%
80% 58%
Slika 2.118 - Usporedba ukupnih troskova i troskova zavarivanja
11. Pri izboru vrste i oblika zavara potrebno je pokusati ostvariti povoljan tok si la i sto krace vrijeme izrade. Najbolji tok sila ostvaruje se pri koristenju suceonih varova, ali su zato ugaoni varovi ekonomicniji za izradu. Radovi na zavrivanju mogu biti smanjeni upotrebom: a) poluporoizvoda kao sto su cijevi, profili, pljosnati celici, lahki celicni profili, kao i specijalni poluproizvodi. Na slici 2.119a je prikazana noga izradena od cijevi u zavarenoj izvedbi. Na slici 2.119b je prikazana zavarena izvedba viljuske, ana slici 2.119c je prkazana zavarena izvedba jednodjelnog kliznog lezista.
28
1
in Hi
J-U-
T [i«irrrrnirrH,Trrn«rrrnrL-
^ jjjgTTffiJ'l ll UJ'U ^ zr ^tF © 1 €> Jenodijelni kiizni lezaj
©
0 Noge
W
Viijuske Slika 2.119 - Izvcdba zavarenih sastava uz koristenje razlicitih oblika poluproizvoda
b) limova oblikovanih savijanjem i njohoom spajanjem zavarivanjem, slika 2.120.
S
c
S Z o l
c) odljevaka i otkovaka kao dijelova koji se zavaruju, slika 2.121.
r
Slika 2.121 - Z a v a r e n o kuciste zasuna
29
12. Pravilno izabrati materijal za zavarene konstrukcije je vazno za izdrzljivost konstrukcija. Neumireni valjani profili imaju segregacione zone koje se pri zavarivanju moraju izbjegavati. Na slici 2.122a je prikazan nepravilan nacin zavarivanja, a na slici 2.122b pravilan nacin zavarivanja s obzirom na zonu segregacije.
Slika 2.122 - Pravilan i nepravilan nacin zavarivanja s obzirom na zone segregacije
13. Nagomilavanje i ukrstanje varova. Na mjestima gdje se ukrstaju varovi dolazi do nagomilavanja dodatnog materijala i pojave koncentracije napona koja moze izazvat prskotine, pa cak i prelome pri promijnljivim naprezanjima. Primjer ukrstanja varova i nacin izbjegavanja ukrstanja dat je na slici 2.123. ar
D
S-t auatmuumuuauuau
(umuuum: :.(((U(U(U(U
Slika 2.123 - Nepotrebno nagomilavanje varova
Na slici 2.124a je prikazano nagomilavanje materijala zavarivanjem kosnih prikljucaka, dok je na slici 2.124b i c data mogucnost izbjegavanja nagomilavanja materijala.
b)
c)
Slika 2.124 - Nagomilavanje varova
Takode na slici 2.125 je prikazan nacin konstrukcije kod koje je izbjegnuto nagomilavanje materijala zavarivanjem.
Slika 2.125 - Mogucnost izbjegavanja nagomilavanja varova
30
Primjer nagomilavanja materijala i rjesenje tog problema za staticka naprezanja, je na slici 2.126.
Slika 2.126 - primjer nagomilavanja materujala i rjesenje tog problema kod varova koji su statieki optereeeni
Za zavarene sastave izlozene jakim promijenljivim naprezanjima potrebno je zavarene konstrukcije izraditi kao na slici 2.127 cime se izbjegava i ublazuje koncentracija napona. r—
IMIiflf ^
5
V yS .\
sV
§;\ §
Slika 2.127 - Oblici pogodni za promijenljiva naprezanja
14. Maksimalno koristenje materijala kod zavrenih konstrukcija je prikazano na slici 2.128, gdje se prosijecni komad lima sa poklopca a . moze se iskoristit za poklopac b.
& A
B
Slika 2.128 - Iskoristenje materijala pri zavarivanju
15. Naponi i deformacije kod zavrenih sastava Zbog zavrenih materijala prilikom zavarivanja i naknadnog hladjena, u zavrenim sastvacima se javljaju zaostali naponi i trenje deformacije koje mogu da izazovu promijenu oblika i dimenzija
zavarenog dijela. Zaostali naponi mogu da zajedno sa radnim naponom, kada moze doci do njihovog sabiranja, razore zavarenu konstrukciju. Zbog toga je potrebno prilikom konstruisanja zavarenih 31
konstrukcija iskoristiti razne mogucnosti za ublazavanje deformcijai zaistai napona. Na slici 2.129 je prikazana deformacija ceonog vara oblika V koja je nastala usljed nejednake mase vara po presjeku, cije je skupljanje pri hladenju jace na mjestu vece sirine vara, dok je u korijenu neznatno. Na slici 2.130 je prikazana deformacija usljed navarivanja lima na T- nosac.
Slika 2.129 - D e f o r m a c i j a ceono zavarenih limova
Slika 2.130 - D e f o r m a c i j a izazvana privarivanjem lima
Na slici 2.131 je prikazano nastojanje deformacije V- vara i njeno smanjenje izvidenjem zljebljenja korijena vara i njegovog zavarivanja.
podrucje toplinskog utjecaja
e.
-9Z1
y=5°29' * Slika 2.131 - S m a n j e n j e d e f o r m a c i j e z l j e b l j e n j e m i z a v a r i v a n j e m korijena
Posebo velike ugaone deformacije javljaju se kod jednostranih ugaonih varova, koje su vece sto je veca debljina vara, alika 2.132.
a= V a=5
a = 3c a=7
o= 7' a=9
a =13' a=12.5
Slika 2.132 - D e f o r m a c i j e kod ugaonih varova
Kod dvostrukih gaonih varova se, takode, javljau deformacije prikazane na slici 2.133.
y=l°51
Slika 2.133 - D e f o r m a c i j e kod dvostranih i jednostranih ugaonih varova
32
Zbog stetnih posljedica napona i deformacija na zavrene konstrukcije, koriste se konstrukcione ili tehnoloske mogucnosti njihovih izbjegavanja ili uklanjanja. Neke mogucnosti su: a) povoljniji su kraci sastavci sa varovima male mase b) potrebno je izvsiti ispravnu pripremu limova za zavarivanje kao i ispravan polozaj limova, c) po mogucnosti predvidati ceone varove simetricnog presjeka i dvostrane ugaone varove, jer se u torn slucaju deformacije ponistavaju , d) ukrstanje varova i nagomilavanja materijala je potrebno izbjegavat, e) prilikom varenja debljih limova, var izraditi sa vise tanjih prelaza, f) kod zavarivanja dugih varova koristiti naizmjenicno varenje sa preskokom, slika 2.134.
b
7 6 5 4 3 2 1
r 2.5.7,3,6,4,1
Slika 2.134 - Primjeri zavarivanja dugih varova
g) limove prije zavarivanja postaviti u polozaju suprotan od ocekivane deformacije, slika 2.135.
Slika 2.135 - Polozaj limova prije zavarivanja radi izbjegavanja deformacije
h ) uklanjanje zaostalih napona se moze izvsiti naknadnim zagrijavanjem varova ili nekom drugom metodom relaksacije zaostalih napona.
i) Po mogucnosti zavarivati predhodno zagrijane limove. 16. Potrebno je onemoguciti pregrijavanje ivica. Na krajevima ostrih rebara ili kod malih odstojanja od ivica dolazi do pregrijavanja, sto dovodi do koncentracije napona. Na slici 2.136 je dat nacin dimenzionosanja radi onemogucavanja pregrijavanja.
^
e>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<·rcl:'.'
_j—i—j— 4-
4-
4-
4-
1
iKUfi IIUM'i TTTmrnnrq
Rucica za rucnipogon
W
lllllll
D v o s f r a n e ruc/ce
I iii -4
iiiutntiinrrrmtimnmimKiitm J UJIJ J JJ J JJ J J J!
Slika 2.149 - Zavareni oblici
^1 \VlV s
J J J J J.I JJJ J J J J J J11J J J J J
3. STATICKI PRORACUN ZAVARENIH SPOJEVA 3.1 N O M I N A L N I I STVARNI NAPONI Teoretskim razmatranjima i eksperimentalnim istrazivanjima utvr|eno je da se nominalni naponi razlikuju od stvarnih napona na mjestima na kojima se presjek mjenja, i to utoliko vise ukoliko su promjene presjeka vece. Ta pojava je poznata pod imenom Koncentracija napona. Kolicnik najveceg stvarnog napona a m a x i nominalnog napona a n , zove se faktor koncentracije napona, a obiljezava se sa ak. ock = cr, c w(
T
max
an (xn ) aK
odn. a ^ = max
(J, ) - stvami napon - nominalni napon
- geometrijski faktor koncentracije napona, ovisi od odnosa p/d i D/d za element kruznog poprecnog presjeka, odn. p/b i B/b za element pravougaonog poprecnog presjeka kao i od vrste naprezanja. Proracun stvarnih napona u zavisnosti od tipa opterecenja
a) Zatezanje P
F
y
i
F
L
. Ozn ^ (7 Z max
1
Y 1
F
CD T
\
1
\
-Q
&Zn
—1
'
F
GZ max
Slika 3.1 - Dijagram napona masinskog dijela sa stepenastim prelazom izlozenog zatezanju ( kruzni i pravougaoni poprecni presjek ) F A F A
- opterecenje dijela - kriticni poprecni presjek dijela d2 -7t v . v . . .v - Afc = — - — - za kruzni poprecni presjek stapa - Ap =b · h - za pravougaoni poprecni presjek stapa
oikz - geometrijski faktor koncentracije napona, zavisi od odnosa p/d i D/d (p/B i B/b)
Maksimalni stvarni napon:
b) Savijanje Maksimalni stvami napon od savijanja: Mc (7
s max ^ks ' ® sn &ks
W
gdje je: Ms - moment savijanja W - aksijalni otporni moment presjeka stapa ,3 - za kruzni poprecni presjek stapa
32
2
0
6
h
- za pravougaoni poprecni presjek stapa
ctks - geometrijski faktor koncentracije napona, zavisi od odnosa p/d i D/d (p/B i B/b)
? S n ^
- Wlr = K · d'
-W =t
h &S max
Slika 3.2 - Dijagram napona masinskog dijela sa stepenastim prelazom, izlozenog savijanju ( kruzni pravougaoni poprecni presjek).
b) Uvijanje
M
'U max
Slika 3.3 - Dijagram napona masinskog dijela sa stepenastim prelazom izlozenog uvijanju Maksimalni stvarni napon od uvijanja:
T
u max
a
ku ' Tun
a
ku MU Wn
gdjeje: Mu - moment uvijanja W0 - polarni otporni moment presjeka masinskog dijela r
3
16 - za kruzni poprecni presjek aku - geometrijski faktor koncentracije napona, zavisi od odnosa p/d i D/d)
u
- w„ = K · d'
41
3.1.2 Stepen sigurnosti Kao mjera sigurnosti pri proracunavanju masinskih elemenata uvodi se stepen sigurnosti S, to je odnos karakteristicnog napona znacajnog za proracunavanje u odre|enim uslovima i najveceg napona cimax kojem je element izlozen u radu, a koji racunamo kao: S„=-^- odn. S =-^Kao karakteristicni napon moze se usvojiti npr.: cvrstoca materijala gm, napon na granici razvlacenja Gy, izdrzljivost gd, amplituda izdrzljivosti gaKada je element istovremeno izlozen normalnim i tangencijalnim naponima, mogu se posebno odrediti S a i S T pa tada izracunati svedeni stepen sigurnosti Sj po izrazu: Sj = .
- ili S = —£ — ako su naponi istovrsni npr.savijanje i zatezanje.
·Jsi+s;
S:+Ss
Stepen sigurnosti prema cvrstoci materijala Stepen sigurnsti prema cvrtoci materijala (gk=gm) izrazen je odnosom: SM = ^ ~ odn. SM = Tm rj t max
max
gdje je: gm(tm) - cvrstoca materijala tfmax(Tmax) " najveci napon kojem je element izlozen u radu Stepen sigurnosti prema granici razvlacenja Stepen sigurnosti prema granici razvlacenja materijala O",/
.
CT
„
(GK=GV)
izrazen je odnosom:
TY T
gdje je: a v (xv) - napon na granici razvlacenja materijala <7max(xmax) - najveci napon kojem je element izlozen u radu
Dozvoljeni naponi Odnos karakteristicne cvrstoce [cr] i stepena sigurnosti S predstavlja granicu koju stvarno naprezanje o ne smije nikada preci, i naziva se dozvoljeno naprezanje (napon): [^ ] o
+· 111
UM
S · Sr
Sv =
S ·S
odn. Sv = max
° dot = V
tj-
max
(J
doZ=—
-i-
G
doz = TT~
42
3.2 STATICKI PRORACUN ZAVARENIH SPOJEVA Zavareni sastavci se proracunavaju sa smanjenim dopustenim naprezanjima po obrascima "Nauke o cvrstoci)" I po posebnim obrascima koje nudi literatura.Dozvoljeni napon u zavaru odreduje se po izrazima: Normalna naprezanja crdoz(ZAV)
=
crdoz
- dozvoljeni napon zavara - faktor zavarivanja (Tabela 3.1) - dozvoljeni napon osnovnog materijala
Cdoz Tangencijalna naprezanja doz(ZAV)
- dozvoljeni napon zavara
= £ * *"dos
- faktor zavarivanja ( Tabela 3.1) - dozvoljeni napon osnovnog materijala
tdoz Tabela: Faktor zavarivanja £,z Vrsta sastavaka za ceono zavarene sastavke
0,65 - 0,9
za ugaone sastavke
0,6 - 0,7
za preklopno zavarene sastavke
0,6
Vece vrijednosti treba usvajati kada je u pitanju optercenje na pritisak, a manje ako je sastavak opterecen na torziju. Srednje vrijednosti odgovaraju savijanju i zatezanju.
3.2.2 Staticki proracun suceonih zavarenih spojeva Za slueaj statickog opterecenja kod ceonih zavara ne trazi se posebno provodenje dokaza cvrstoce. U slucaju kada se i vrsi kontrola moci nosenja, vazno je jedino pravilno definisati dopusteno naprezanje u zavaru iz razloga sto u ovom slucaju spoj puca u osnovnom materijalu. Za ovakav slueaj opterecenja uvodi se koeficijent ^zs tj. faktor zavarivanja suceonih zavara. Dopustena naprezanja celika koji se cesto koriste kod metalnih konstrukcija data su tabelom 3.2, dok su vrijednosti koeficijenta ^zs za te iste materijale u ovisnosti o kvalitetu zavara date u tabeli 3.3. Materijal i strojni dijelovi
Dopusteno ekvivalentno naprezanje
Dopusteno viae no naprezanje
[MPA]
[MPA]
C0362
180
160
104
C0563
270
240
156
Dopusteno tlacno naprezanje [MPA]
Dopusteno smicno naprezanje % [MPA]
Tabela 3.2: Dopustena naprezanja osnovnog materijala 43
Kval'iteta zavara
Vrsta naprezanja vlak ili savijanje
Specijalni kvalitet
S
Faktor zavarivania t-,. CN 24 (C.03-62)
1,0
tlak
1 ,0
1 ,0
smik
0,6
0,6
vlak ili savijanje kvalitet
1
tlak
1 ,0
smik
0,6
II
1 ,0
0,8 1,0
0,6
0,72
0,65
tlak
1 ,0
0,8
smik
0,55
0,5
vlak ili savijanje kvalitet
0,8
CN 36 (C.0563)
Tabela 3.3: Vrijednosti faktor zavarivanja %zs Proracun se dalje provodi prema izrazima iz nauke o cvrstoci, pri torn postujuci slijedece napomene: 1. Lokalni vrhovi naprezanja koji proisticu iz uobicajenih konstrukcijskih oblika ne uzimaju se u obzir. 2. Zaostala naprezanja ne uzimaju se u obzir. 3. Ekvivalentno (reducirajuce, uporedno) naprezanje ekv odreduje se po hipotezi maksimalnog deformacijskog rada (HMH - Huber, Mises, Henkijeva teorija). +a
n -°"i '°"h +3C ri
+T
n) ^
Slika 3.4 Kriticni presjeci i osnovna naprezanja u zavaru a) suceoni zavar b) ugaoni zavar Pod djelovanjem vanjskih opterecenja u prikljucnim ravnima suceonih i ugaoni zavara mogu nastati razlicita naprezanja, slika 3.4: Oj_ — normalno naprezanje, koje djeluje okomito na raeunsku ravan zavara On - normalno naprezanje, koje djeluje okomito na popreeni presjek zavara, Tj_ - naprezanje na smicanje, koje djeluje u racunskoj ravnini okomito na duzinu zavara i nastoji zavar prekinuti po debljini smicanjem, In - naprezanje na smicanje, koje djeluje u racunskoj ravnini uzduz zavara i nastoji zavar smicanjem prekinuti po duzini.
3.2.3 Staticki proracun ugaonih zavarenih spojeva
Odredivanje napona u kriticnom presjeku ugaonog zavara predstavlja kompleksan zadatak zbog slozenosti naponskog stanja. Imajuci u vidu navedeno, za proracun nosivosti ugaonih zavara koristi se pojednostavljeni nacin. Ovaj pristup usvaja za mjerodavni presjek rotirani kriticni prejek u jednu od prikljucnih ravni sava zavara (slika 3.5). Komponente napona se definisu u odnosu na polozaj prema prikljucnoj ravni zavara. Izracunate velicine napona ne smije da prelazi vrjednosti dozvoljenog napona u zavaru.
Slici 4.5 Mjerodavna naponska ravan kod ugaonih spojeva Oznake (_L i II) uz napone pokazuju pravac odgovarajuceg napona u odnosu na uzduznu osu sava (slika 4.5 i 4.6), tako da je: el
- normalni napon na mjerodavni presjek zavara,
fin - normalni napon, koje djeluje okomito na poprecni presjek sava, t_l - tangencionalni napon u mjerodavnoj ravni sava normalan na uzduznu osu sava, in - tangencionalni napon u mjerodavnoj ravni sava paralelan sa uzduznom osom sava.
45
Slika 4.6 Konponentni naponi u prikljucnim ravnima ugaonog sava Primjer ilustracije komponentnih napona u ugaonim savovima, zavisno od izabrane prikljucne ravni spoja, prikazan je na slici 4.7.
r_i
/J
\ s\ \
\ \>
F|\ Slika 4.7 Komponentni naponi u u ugaonim savovima Za veze opterecene kombinovanim opterecenjem, rezultujuci (ekvivalentni) napon u savu ugaonog zavara dat je relacijom: AEKV = 7 o - j + AF, - A± · A„ + r2 + r, 2,
koja za a n = 0 se transformise u: Gekv = 4a± + TJ. +
T
fi
Kriterijum za zadovoljenje napona kod ugaonih zavara je: ^ekv
— ®doz(ZAV)
~ 5 zu
®doz.zav
gdjeje: d;zli - koeficijent smanjenja nosivosti ugaonih savova. cr do- -av - dozvoljeni napon zavarene ugaone veze. Nosivost ugaonog zavara ovisi i o debljini zavara a. Nosivost zavara razlicite debljine obuhvaceno je u propisima za zavarene celicne konstrukcije koeficijentom %zu
Za staticku velicinu a od 4 mm koeficijent
dok za vece vrijednosti on opada. Koeficijent
smanjenja nosivosti ugaonih zavara prema A. Neumann-u (propis ZIS) dati sz tabeli 3.4. \ \\
a [mm]
FT?
A. Neumann
<85 8 . 5 - 10 10 - 12 12 - 14 14-20 >20
0.895 0.880 0.866 0.857 0.840 0.800
1.00 0.95 0.90 0.85 0. SO 0.70
Tabela 3.4: Koeficijent ^ zu Orjentacione vrijednosti dozvoljenih napona u ugaonim zavarenim savovima elemenata u masinogradnji zavarenih dijelova pri mirnom i promjenljivom opterecenju date su u tabeli 3.5 ( prema Obersmitu). Z a v a r e n i savovi
Opterecenje staticko
jednosm erno naizmjenicno promjenljivo promjenljivo Materijal spojnih dijelova
Ravni ugaoni zavar
Udubljeni ugaoni zavar
ugaoni zavar
Svi
Svi
St.37 St. 50 St. 37 St. 50 St.37 St 50 C.0361 C.0561 C.0361 C.0561 C.0361 C.0561 I 90 110 60 70 30 35 II 70 85 50 55 25 30 III 60 75 40 50 20 25 I 120 150 75 90 40 45 II 95 120 60 70 30 35 III 85 100 50 60 25 30 Svi
II
110
150
70
95
40
45
Tabela 3.5 Orijentacione vrijednostii dozvoljenih napona u ugaonim zavarenim savovima o d o z [MPa] elemenata u masinogeadnji
Dvostrani ravni
T 140 190
90 120 50 55 IIII
100
130
60
85
35
40 47
4. DINAMICKI PRORACUN ZAVARENIH SPOJEVA 4.1 Oblici i zamor materijala Elementi masine, za vrijeme rada, izlozeni su promjenljivom naprezanju. Priroda promjenljivosti naprezanja svakog elementa zavisi od uloge toga elementa u opcoj funkciji masine. Promjenljivost naprezanja u toku vremena prikazuje se u obliku dijagrama, pri cemu se na ordinarnoj osi toga dijagrama nalaze naponi o, odn. x, a na apscisnoj osi obicno vrijeme. Kada je naprezanje periodicno promjenljivo, moze se veza izmedu broja ciklusa N i ukupnog vremena trajanja t izraziti npr. jednacinom:
N
=
60 t nc 10^
(41)
gdjeje: N
- ukupan broj ciklusa naprezanja u toku odredenog vremena
t n
(h) C.
- vrijeme (min"1) - broj ciklusa u jednom minutu
Na slici 4.1 dat je primjer promjena tangencijalnog napona r sa vremenom, kome je izlozen rukavac koljenastog vratila jednog dizel motora. Uobicajeno je da se periodicna promjenljivost naprezanja uprosceno predstavlja pribliznom sinusnom linijom kao na slici 4.2 sa obiljezenim ekstremnim vrijednostima naponima OMAX i OMIN (odn. TMAX i TMIN ). Pomocu ekstremnih napona mogu se odrediti karakteristike promjenljivog naprezanja: ·
srednji napon G-max asr =
·
odn.
,
,
Tmax
(rsr =
T
min>.
,.
)
(4.2)
aplitudni napon oa =
·
&min
®max ~ ®min , , odn. (Ta =
stepen promjenljivosti Y=
®min , , odn. (y =
Tmax
)
T
m
i
n
s
a
(4.3)
naprezanja T-min^
)
mnv
(4.4)
Srednji napon o s r ( r s r ) i amplitudni napon oa (x a ) su velicine kojima se operise prilikom ispitivanja izdrzljivosti i prilikom proracunavanja elemenata. Stepen promjenljivosti naprezanja y daje ocjenu prirode promjenljivosti naprezanja i moze posluziti kao podatak za sistematizaciju tipova promjenljivih naprezanja. Razlikuje se vise vrsta periodicno promjenljivih naprezanja elemenata i to: · Jednosmjerno promjenljivo naprezanje (slika 4.3). Ovakv se naprezanje javlja u vijcima poklopca cilindra klipnog kompresora. Vijci su prilikom montaze pritegnuti momentom koji je u njima izazvao naprezanje ovmin. U toku rada ce pritisak p u cilindru kompresora periodicno rasti i padati, tako da ce se naprezanje u vijku periodicno mijenjati izmedu naprezanja ovmin i crvmax. Srednje naprezanje a v > 0, a faktor asimetrije naprezanja 0 < k < 1.
48
T
(MPa)
— N Slika 4.1 Primjer periodicne promjen napona x
Slika 4.2 Periodicno promjena napona o, predstavljena pribliznom sinusnom funkcijom
poklopac
Slika 4.3 Jenosmjemo promjenljivo dinamicko naprezanje: a) primjer -shematski prikaz, b) dijagram ov- t · Cisto jednosmjerno promjenljivo naprezanje (slika 4.4). U ovom slucaju o m j n = 0, tj. sinusoida ide od nule. Srednje naprezanje o sr = G MAX / 2 = o a , c s r > 0, faktor asimetrije naprezanja K = o M I N / o m a x = 0/ o m a x = 0. Javlja se kod klipnih motora na klackalicama za otvaranje ventila. Klackalice su opterecene savijanjem i to uvijek u istom smjeru, pa naprezanje varira izmedu nule i neke najvece vrijednosti. 49
Slika 4.4 Cisto jednosmjerno promjenljivo naprezanje: a) primjer - shematski prikaz, b) dijagram a s - 1 · Opci slueaj naizmjenicno promjenljivog naprezanja ( slika 4.5). Kod naizmjenicno promjenljivog naprezanja u opcem se slucaju opterecenje ne mijenja samo po velicini, nego i po smjeru, tj. po predznaku. Naprimjer, neprekidno se smjenjuju zatezuce i pritisno opterecenje ili se savijanje izvodi na jednu pa na drugu stranu. Najmanje naprezanje r mi n < 0, najvece naprezanje r m a x > 0, srednje naprezanje r s r > 0, faktor asimetrije naprezanja -1 < k < 0 (negativna vrijednost). Kao primjer se moze navesti slueaj uvijanjae na izlazu koljenastog vratila iz cetverocilindricnog dvotaktnog motora. Rezultantni moment uvijanja i time izazvano tangencijalno naprezanje mijenjaju se priblizno prema slici (slika 4.5).
Slika 4.5 Dijagram x T -1 za opci slueaj naizmjenicno promjenljivog naprezanja · Cisto naizmjenicno promjenljivo naprezanje (slika 4.6). Naprezanje varira izmedu nekog pozitivnog i negativnog naprezanja iste apsolutne vrijednosti, na primjer +100 (Mpa) i -100 (MPa). Naprezanje cjMJN = - o m a x = a a , srednje naprezanje o sr = 0, faktor asimetrije naprezanja K = o m j n / o m a x = Omax / Omax = -I- Ovakav slueaj je kod vagonske osovine. Moment savijanja uslijed tezine vagona je nepromjenjljiv, ali se osovina okrece. Tokom jednog obrta svako vlakno osovine izlozeno je naizmjenicno savijanju na jednu pa na drugu stranu.
50
Slika 4.6 Cisto naizmjenicno naprezanje a) primjer - shematski prikaz, b) dijagram o s -1 · Udarno naprezanje (slika 4.7) Udarno naprezanje je takvo naprezanje koje naglo poraste i opadne. Kratkotrajni udari koji djeluju na elemente konstrukcije uzimaju se u obzir tzv. faktorima udara (npr. kod spojnica). Udarna opterecenja lakse podnose zilavi materijali s visokom granicom tecenja. a
t Slika 4.7 Dijagram a—t za udarno naprezanje · Staticko optereeenje. Ako staticko naprezanje tretiramo isto kao i dinamicko, moze se utvrditi da je kod njega naprezanje o m j n = o m a x = o s r , amplituda naprezanja o a = 0, a faktor asimetrije naprezanja K = 1.
Za masinsku praksu su karakteristicni slucajevi: statickog, cisto jednosmjerno promjenljivog i cisto naizmjenicnog promjenljivog naprezanja. U literature se daju podaci u pogledu cvrstoce za ova tri slucaja. Zajednicki prikaz raznih vrsta naprezanja s obzirom na promjenjljivost tokom vremena dat je na slici 4.8.
' W W K=1
Staticko
K=0,5
K=0
Cisto jednosmjerno,
K=0,5
K=0,5
optereeenje promjenlj ivo
naprezanje
Cisto naizmjenicno promjenljivo naprezanje
Slika 4.8 Vrste naprezanja s obzirom na promjenljivost tokom vremena 51
}
4.1.1 Dinamicka isdrzlljivost materijala Elementi masina se lome kad se izloze naponima koje ne mogu da izdrze. Velicina napona koji izaziva prijelom elementa zavisi od vrste naprezanja (zatezanje, savijanje, uvijanje i dr.), od vrste i stepena promjenljivosti naprezanja i od drugih faktora (temperature, trajanja opterecenja itd.). Za racunsko provjeravanje sigurnosti elemenata masina protiv prijeloma veci znacaj imaju dvije vrste prijeloma: "staticki" prijelom i prijelom "od zamora". Stoga je ovdje iznesen kratak osvrt na te dvije vrste prijeloma. Staticki prijelom nastaje kada se element izlozi postepenom povecavanju napona dok ne dode do prijeloma. Veza izmedu napona cj i izduzenja s, npr. pri zatezanju, predstavljena je poznatim dijagramom slici 4.9a. Staticki prijelom se ostvaruje na standardnim epruvetama u laboratoryama za ispitivanje materijala radi utvrdivanja mehanickih osobina materijala, npr. cvrstoce pri zatezanju o M . U eksploataciji moze doci do statickog prijeloma kada napon prouzrokovan neocekivanim preopterecenjem ili udarom prekoraci cvrstocu materijala. Staticki prijelom od zatezanja zilavog materijala obiljezen je vidnom deformacijom u blizini mjesta prijeloma i nepravilnom, grubom strukturom prijelomne povrsine slika 4.9b. Staticki prijelom naziva se i "nasilnim" prijelomom.
Slika 4.9 Staticki prijelom: a) veza izmedu napona zatezanja o i relativnog izduzenja 8 celicne eprovete pri zatezanju, b) izgled statickog (nasilnog) loma Prijelom od zamora ("dinamicki" prijelom) moze nastati kada je element izlozen promenljivom naprezanju koje postepeno zamara materijal. Do prijeloma dolazi posle izvesnog vremena ako je najveci napon promjenljivog naprezanja veci od otpomosti materijala pri promjenljivom naprezanju. Najveci napon promenljivog naprezanja, koji izaziva prijelom od zamora, znatno je manji od staticke cvrstoce materijala. Prijelom od zamora ostvaruje se na fino uglacanim epruvetama, po pravilu precnika 10 mm (takode i izmedu 5 i 15 mm), u laboratory ama za ispitivanje materijala radi utvrdivanja otpomosti materijala pri promjenljivom naprezanju, koja se obicno naziva osnovnom dinamickom izdrzljivoscu materijala ( g d , t d ) ili, kratko, izdrzljivoscu materijala. U eksploataciji nastaju prijelomi elemenata zbog zamora kada najveci promjenljivi napon prekoraci granicu izdrzljivosti. Takvih prijeloma ima znatno vise od statickih prijeloma. Prijelom od zamora epruvete od nelegiranog konstrukcionog celika nije obiljezen prethodnom vidnom deformacijom (slika 4.10a), a izgled prijelomne povrsine razlikuje se od izgleda prijelomne povrsine statickog prijeloma. 52
i
.
II
r
$ a)
b)
c)
Slika 4.10 Dinamicki prijelom: a) izgled prijeloma epruvete, b) izgled povrsine pri jednosmjernom promjenljivom opterecenju, c) izgled povrsine pri naizmjenom promjenljivom opterecenju (/-pocetak prijeloma, II- sirenje prijelom u toku zamora, III - zavrsna prijelomna povrsina) Na prijelomnoj povrsini epruvete od nelegiranog celika, koja potice od zamora, mogu se uoeiti tri faze u cjelom procesu zamaranja ( slika 4.1 Ob i c ) ) : 1. Prijelom od zamora pocinje na mjestu I (zacetku zamaranja) gdje je slucajno napon najjaci, obieno na neispravnom ili ostecenom mjestu zbog supljina, zasjeka ili slicnih izvora koneentracije napona. 2. Od mjesta I prijelomna povrsina siri se postepeno pod uticajem promjenljivog naprezanja. Povrsina postepenog sirenja prijeloma II je fine, sitnozrnaste strukture, cesto i tamnosjajnog izgleda. Obieno se na toj povrsini mogu uoeiti i linije periodicnog napredovanja procesa zamaranja u toku vremena ("godovi"). 3. Povrsina III je zavrsna prijelomna povrsina grube, krupnozrnaste strukture i po tome je slicna prijelomnoj povrsini statickog prijeloma. Zavrsni prijelom se odigrava trenutno, a nastaje kada preostala povrsina III postane staticki nedovoljna da se odupre naponu kome je element izlozen. Po izgledu povrsine sirenja prijeloma II moze se zakljuciti (ne uvjek dovoljno pouzdano) koja je vrsta naprezanja prouzrokovala prijelom, a po relativnoj velicini zavrsne prijelomne povrsine III moze se ocjeniti sa kolikim je stepenom sigurnosti element konstruisan: kada je zavrsna prijelomna povrsina III srazmerno velika, element je konstruisan sa malim stepenom sigurnosti, i obrnuto. Poznata Velerova kriva (Wohler) pokazuje vezu izmedu najveceg napona (J m a x promjenljivog naprezanja i broja ciklusa N (broja periodicnih promjena naprezanja) pri kojem se epruveta lomi zbog zamaranja. Ukoliko je napon o m a x manji, utoliko je broj ciklusa TV do prijeloma veci. Postoji i takva velicina napona koju promjenljivo napregnut materijal moze trajno izdrzavati. Taj napon o m a x je ordinata a D asimptote Velerove krive slika 4.11 i to je osnovna dinamicka izdrzljivost materijala. Za razlicite vrste materijala je razlicit i broj ciklusa Na posle koga vise ne nastaje prijelom pod uticajem promenljivog naprezanja. Taj broj ciklusa A^o zove se baza izdrzljivosti i iznosi za: celik legure bakra lake legur
N0 = 1 0 - 10 6 Nn* 50 · 10 6 N0 = 30 - 1 0 6 ^ 500 · 10 6
Za neke vrste materijala ne moze se ni utvrditi baza izdrzljivosti N0. Radi skracivanja vremena ispitivanja izdrzljivosti epruveta dopusta se za celik i baza N0 = 1 · 10 6 — 2 · 10 6 . Ako je najveci napon promjenljivog naprezanja crmax veci od izdrzljivosti aD, nastupice prijelom epruvete pod uticajem 53
zamaranja posle broja ciklusa N p koji je manji od broja ciklusa baze izdrzljivosti N 0. Taj se najveci napon zove vremenski ogranicena izdrzljivost a D N p .
S
MA*
V
"j
N
—
·
—
NO
Slika 4.11 Velerova kriva zavisnosti najveceg napona (J m a x promjenljivog naprezanja i broja ciklusa N periodicno promjenljivog naprezanja Velerova kriva pokazuje vezu izmedu napona o r i broja ciklusa do prijeloma Np kada se usvoji logaritamska podela za apscisnu osu: tada pojedini ogranci linije omax = f (A/) mogu biti prikazani priblizno kao prave linije slika 4.12. Tu se jasno uocava "trajna" dinamicka izdrzljivost o D koja za celik pocinje negde izmedu N = 1 · 1 0 6 i N = 10 · 10 6 (tacka 3). Lijevo od tacke 3 je oblast vremenski ogranicene izdrzljivosti a D N p . Linija 1-2 je vrlo malo nagnuta prema apscisi, a linija 2-3 pokazuje nagao pad, obicno izmedu N « 10 5 i N « 10 6 . Za elemente masina, koji treba trajno da izdrzavaju radne napone pri uobicajenom vjeku masina, mijerodavna je osnovna dinamicka izdrzljivost materijala a D . Za elemente ili masine ciji je vijek organicen treba kao osnovu za proracun uzimati vecu, vremenski ogranicenu izdrzljivost crDNp (linija 1-2-3 na slika 4.12) koja odgovara manjem broju ciklusa do prijeloma.
Slika 4.12 Velerova kriva za nclegirani celik (logaritamska ppodjela za N) Na takav nacin smanjuju se presjeci elemenata, prema tome i njihove tezine, i tako konstrukcija moze postati ekonomicnija. Ogranicen vijek moze se predvidjeti za elemente masina, koji se povremeno
54
zamjenjuju npr. zbog habanja, plasticnog deformisanja i dr., i za masine ciji je vijek kraci po namjeni, npr. za ratne masine. Ispitivanja su pokazala da broj ciklusa N p do prijeloma zavisi ne samo od velicine najveceg napona promjenljivog naprezanja (J m a x vec i od velicine amplitudnog napona o a pri jednakom najvecem naponu o m a x nepovoljnije je za izdrzljivost materijala kada je amplitudni napon o a veci slika 4.13.
1 6a = 0
-6
A", V V
0
<
2
>
O
)
©
©
Slika 4.13 Uticaj amplitudnog napona o a na dinamicku izdrzljivost o D pri jednakom najvecem naponu °max (1 je najnepovoljniji dok je 5 najpovoljniji slueaj)
N—
Oblik Velerove linije, tj. i dinamicka izdrzljivost, zavisi i od vrste materijala i od vrste naprezanja i od vrste promjenljivosti naprezanja i od niza raznih drugih faktora. Da bi ispitao neke od tih uticaja na dinamicku izdrzljivost, Turn (Thum) je jos 1944. godine objavio rezultate nekoliko uporednih ispitivanja razlicitih oblika elemenata od istog materijala (celik C. 0545 cvrstoce na zatezanje a M = 5 0 0 ( MPa). Elementi su izlagani cisto naizmjenicno promjenljivom naprezanju na zatezanje-pritisak. Dobijeni rezutati su pokazali sljedece: 1. Ispitivanjem glatkog cilindricnog stapa, u obliku epruvete, postignuta je izdrzljivost ow = 220 ( M P a ) . Prema tome, izdrzljivost nije dostigla ni polovinu staticke cvrstoce o M = 5 0 0 ( M P a ) (aw je uobicajena oznaka za poseban slueaj izdrzljivosti pri cisto naizmjenicno promjenljivom *c naprezanju).
J
2. Ispitivanjem jednakog stapa sa jednim, spolja urezanim, zavojkom konstatovana je izdrzljivost a w = 1 1 0 ( MPa). Ona je, dakle, upola manja od izdrzljivosti glatkog stapa bez zavojka. Toliko jak pad izdrzljivosti je posljedica koncentracije napona zbog urezanog zavojka.
3. Izdrzljivost o w = 110 (MPa) iz prethodnog opita porasla je na 170 (MPa) kada je ispitivanje obavljeno na stapu sa nekoliko urezanih zavojaka. To je poslijedica visestruke koncentracije napona koja, u ovom slucaju, ublazava koncentraciju napona izazvanu jednim zavojkom, jer niz zavojaka dijeluje kao "zarezi rasterecenja".
1 vv
4. Ispitivanje sklopa zavrtnja i navrtke od istog materijala (bez prethodnog napona) dalo je izdrzljivost cj w = 29 (MPa) Toliki pad izdrzljivosti je posledica: · jednovremene koncentracije napona i zbog oblika i zbog dodira, · neujednacenog opterecenja pojedinih zavojaka od kojih prvi aktivni zavojak obicno prima vise od trecine ukupnog opterecenja kada je u pitanju uobicajena konstrukcija zavrtnja i navrtke, i · udara zbog zazora izmedu zavojaka posto se pri naizmjenicno promjenljivom naprezanju na zatezanjepritisak premjesta aktivna dodirna povrsina sa jedne strane zavojaka na drugu, a udari znatno smanjuju izdrzljivost. 55
5. Kada je navrtka uobicajene konstrukcije zamjenjena istegljivom navrtkom povecala se izdrzljivost na c w = 3 5 (MPa). To je posljedica ravnomjernije podjele optereeenja na pojedine zavojke, odn. rasterecenja prvog aktivnog zavojka, sto je omogucila pojacana istegljivost navrtke, po svome obliku. 6. Kada
je
celicna
navrtka
zamenjena
navrtkom
od
livenog
gvozda,
povecala se izdrzljivost n a o w = 55 (MPa). To je posljedica ravnomjernije podjele optereeenja na pojedine zavojke zbog toga sto je navrtka, po materijalu, deformabilnija od celicne navrtke i sto liveno gvozde ima sposobnost da prigusuje udare znatno vise od celika. Ovih sest navedenih opita dalo je sest razlicitih velicina izdrzljivosti u razlicitim uslovima pa se, na osnovu toga, moze zakljuciti da postoje tri osnovna vida dinamicke izdrzljivosti: 1. dinamicka izdrzljivost materijala a D e l koja se odreduje na epruveti propisanog oblika, velicine i obrade i koja predstavlja karakteristiku materijala pri promjenljivom naprezanju (opiti br. 1) i ona se naziva i osnovnom izdrzljivoscu materijala, 2. dinamicka izdrzljivost oblika elementa a D e l (oznacava se i sa o D n ) koja se utvrduje zamaranjem elementa odredenog oblika koji se, razumljivo, razlikuje od oblika epruvete (opiti br. 2 i 3) i ona se, kratko, naziva izdrzljivoscu elementa, i 3. dinamicka izdrzljivost sklopa elemenata o Dsk koja se utvrduje jednovremenim zamaranjem elemenata u sklopljenom stanju (opiti br. 4, 5 i 6) i ona se naziva izdrzljivoscu sklopa. Po pravilu je izdrzljivost materijala jaca od izdrzljivosti elementa, a izdrzljivost elementa jaca od izdrzljivosti sklopa, tj. GD > ADN > CRDSK. Iznesenoj sistematizaciji vidova izdrzljivosti treba dodati i cetvrti vid: eksploatacionu dinamicku izdrzljivost a D e k s koja se ne moze jednostavno odrediti jer zavisi od mnogih, cesto i neocekivanih uticaja u eksploataciji masina.
4.1.2 Dijagrami isdrzlljivosti materijala Izdrzljivost materijala a D , za svaku vrstu naprezanja i za svaki vrstu promjenljivosti naprezanja, moze se izraziti kao zbir srednjeg napona o s r i amplitude izdrzljivosti materijala a A , tj. o D = o s r ± oA kada su u pitanju normalni naponi, odn. TD= sr± Ta
(4.5) (4.6)
kada su u pitanju tangencijalni naponi. Sa o A ( r ^ ) obeljezava se amplituda izdrzljivosti materijala kao izraz sposobnosti materijala, a sa o a ( r a ) amplitudni napon kome je epruveta izlozena i koji ne moze biti veci o d amplitude koju materijal moze izdrzati, tj. a A = a a t a ^ r a . Za prakticnu upotrebu vrlo su pregledni i pogodni razliciti oblici dijagrama izdrzljivosti od kojih su se najvise koriste Smitov (Smith) i Hejgov (Haigh) dijagram. Kao podloga za izradu dijagrama izdrzljivosti sluze Velerove krive do kojih se dolazi ispitivanjem izdrzljivosti materijala na odredenom broju epruveta (obieno sest do deset). Velerove krive odreduju se za razlicite vrste promjenljivosti naprezanja i za razlicite vrste naprezanja (zatezanje-pritisak, savijanje, uvijanje).
Smitov dijagram Na apscisnoj osi Smitovog dijagrama nalaze se srednji naponi promjenljivog naprezanja a s r , a na ordinarnoj osi odgovarajuce velicine izdrzljivosti materijala a D . Na slici 4.14 prikazan je Smitov dijagram dobijen ispitivanjem izdrzljivosti celicne epruvete izlozene promenljivom naprezanju na zatezanje-pritisak. Desno od pocetka koordinatnog sistema O naneseni su srednji naponi zatezanja + a s r , levo srednji naponi pritiska -Osr-
Linija ABCDE obiljezava granicu najvecih napona zatezanja + (J m a x = + oD materijal moze trajno izdrzavati pri odredenom srednjem naponu zatezanja + om. Linija Aj Bj C] Dj E je granicna linija najmanjih napona a m i n Osnovno obiljezje Smitovog dijagrama cini simetrala EaOE nagnuta prema apscisnoj osi pod uglom 45°. Od te simetrale nanose se gore i dole amplitude izdrzljivosti materijala o A. Tako se za svaki srednji napon, npr. osr = 0B2 = B2B0, moze naci izdrzljivost materijala kao zbir srednjeg napona i amplitude izdrzljivosti. U navedenom primjeru aD = B2B0 + B0B = asr + aA. Oblik linije ABCDE pokazuje da se sa povecavanjem srednjeg napona om poveeava izdrzljivost materijala crD, ali smanjuje amplituda izdrzljivost a A. U poeetku, pri malim velieinama a s r , neznatno, a dalje sve jaee da bi, najzad, postala jednaka nuli u taeki E. U toj taeki je asr = aM, tj. srednji napon j e j e d n a k evrstoci materijala. U oblasti srednjih napona pritiska - a s r , trebalo bi da Smitov dijagram ima granienu liniju napona AE 0Ai tj. simetrieno preslikanu liniju AEAX za oblast +
57
Slika 4.15 Smitov dijagram u prakticnom obliku ( a w - izdrzljivosti pri citom naizmenicno promjenljivom naprezanju, Uy-izdrzljivost pri cistom jednosmjernom promjenljivom narezanju, a F - granica razvlacenja odn. gnjecenja) Posebno se isticu dvije ordinate na Smitovom dijagramu pa se posebno i obljezavaju: 1) ordinata OA = +crw odn. OAx = — aw, koja predstavlja izdrzljivost materijala pri cisto naizmjenicno promjenljivom naprezanju kada je a s r = 0 (u literaturi se obelezava i sa a _ 1 zbog stepena promenljivosti naprezanja y = — 1) i 2) ordinata
= Oj koja predstavlja izdrzljivost materijala pri cisto jedno-smerno promenljivom
naprezanju kada je o s r = oA (u literaturi se obiljezava i sa o Dq ili o0 zbog stepena promenljivosti naprezanja y = 0). Za prakticnu upotrebu unose se u Smitov dijagram, obieno, dvije korekture: 1. Pravilo je da naponi elemenata ne prekorace granicu razvlacenja o F , odn. o 0(2- Zbog toga se Smitov dijagram ogranicava horizontalnom pravom cija je ordinata jednaka o F pa se zavrsava pravim linijama DFD-L, a preostali gornji dio odbacuje slika 4 . 1 4 . 2. Linija ABCD vrlo malo odstupa od prave linije pa se zbog toga rado zamjenjuje pravom linijom AD. Sa ovim korekturama "prakticni" Smitov dijagram ima izgled kao na slici 4.15, i to za zatezanje-pritisak, pa se u torn obliku upotrebljava kao osnova za proracunavanje elemenata masina, izlozenih promjenljivom naprezanju. Prakticno upotrebljiva povrsina Smitovog dijagrama moze se podijeliti na dvije oblasti: oblast I koja pripada naizmjenicno promjenljivom naprezanju i oblast II koja pripada jednosmjerno promjenljivom naprezanju slika 4.16 . Naponi kojima su elementi izlozeni za vrijeme rada masine moraju se nalaziti unutar tih oblasti kada se zeli da elementi budu trajno izdrzljivi pri promjenljivom naprezanju.
58
promjenljivog naprezanja (lijevo - dijagram promenljivosti naprezanja za a w , ) i oblasti II jednosmerno promenljivog naprezanja (desno — dijagram promenljivosti naprezanja za Oj) Dosadasnja izlaganja odnosila su se na promjenljivo naprezanje koje potice od zatezanja-pritiska. Smitovi dijagrami za druge vrste naprezanja razlikuju se i po amplitudama izdrzljivosti i po granicama razvlacenja. Na slici 4.17 nalaze se tri dijagrama koji, uporedo, pokazuju izdrzljivost celika C. 0545 za tri vrste naprezanja: za savijanje (oDf, - linija / ) , za zatezanje-pritisak (o D - linija e) i za uvijanje (r D -linija t). Prema tim dijagramima celik je dinamicki najizdrzljiviji kada je izlozen promjenljivom naprezanju na savijanje, a najmanje izdrzljiv kada je izlozen promjenljivom naprezanju na uvijanje (torziju). Izmedu njih je izdrzljivost na zatezanje-pritisak.
59
Slika 4.17 Smitov dijagram za celik C.0545 izlozen savijanju (linija f), zatezanju-pritisku (linija e) i uvijanju (linija t) Obieno su Smitovi dijagrami sastavljeni u vidu snopa linija za jednorodnu grupu materijala, npr. za grupu konstrukcionog nelegiranog celika, a za jednu odredenu vrstu naprezanja. Ukoliko za neki materijal ne postoji sastavljen Smitov dijagram, moze on biti konstruisan, sa prakticno dovoljnom tacnoscu za upotrebu, na osnovu podataka o osobinama materijala. Gornja strana Smitovog dijagrama (slika 4.15 ) sastoji se od dviju pravih AD i DF. Za konstruisanje prave AD potrebne su dije tacke, tj. dve ordinate. Jedna od njih je uvijek ordinata o w i taj se podatak danas vrlo cesto nalazi na spisku osobina materijala. Druga ordinata moze biti ma koja velicina izdrzljivosti, a najcesce je to
60
Tabela 4.1 Prosjeeni odnosi karakteristika izdrzljivosti za neke vrste materijala Materijal Celik
Savijanje
0,45)(Jm °wf = (0>42 aJf =(1,55-1,65)^7
Celicni liv
Liveno gvozde
°wf ~ (0,44 -i- 0,42)(jM Ojf = (1,4 -H 1 , 6 ) o w f °wf ~ 0»5crM
Temperisani liv
°wf — 0,4a M
Legure bakra (mesing, bronza) awf Lake legure (aluminijum)
Zatezanje
Uvijanje O~w = 0,72(jj4/y (Tj = (1,7 - 1,8)a%
T
w ~ 0,S8(TWf
Gj = (14 - 1,8)T^
&w = 0,7crWf
T w = 0,S8GWf
(Tj = (1,5 "j" 1,7)(TW
Gj = ( 1 4 -T- 1,S)Tw
°W — 0,5c%y
°w ~ 0,7crwf
T-w ~ 0,75OWF
TW = 0,64(7Wf
= (0,25 -s- 0 , 4 5 ) o J "
T
W
~ (045 0,2) OM
OWF = (0,3 -r- 0,45)o"^*** (TW = (0,5 -rOj 0 ,=6(1,3 ) ^ ;-*1,6)G w
Napomene uz tabelu 4.1: 1. crw, t w - izdrzljivost pri cisto naizmenicno promenljivom naprezanju; ay, r ) - izdrzljivost pri cisto jednosmjerno promjenljivom naprezanju; a M - staticka cvrstoca na zatezanje. 2. Granica razvlacenja pri savijanju za celik Aw = (1,1 l , 2 ) a F , a pri uvijanju T F ~ 0 , 6 a F ; O F je granica razvlacenja pri zatezanju. 3. * - manje vrednosti za vece o M , ** - manje vrednosti za nelegirani celik; *** - manje vrednosti za mesing; **** - manje vrijednosti za livene legure. 4. Podaci za Oj i rj odnose se na Smitov dijagram do granice razvlacenja (slika 4.17). Za potpuni dijagram moze biti OJ odn. TJ, i vece; npr. za celik j e najcesce (JJ = 1 , 8 O W F GJ = l , 8 a w ; t ) = 1,9TW. Hejgov dijagram Na apscisnoj osi Hejgovog dijagrama (slika 4.18) nalaze se srednji naponi a s r , a na ordinatnoj osi amplitude izdrzljivosti o A . Linija ABCDE pokazuje amplitude izdrzljivosti materijala o A za razlicite srednje napone o s r - prema "definiciji" toga dijagrama. Tako je:
ordinata OA = AW
- izdrzljivost materijala pri cisto naizmenicno promenljivom naprezanju k a d a j e OSR = 0, ordinata B0B = AA - amplituda izdrzljivosti pri naizmjenicnom promjenljivom naprezanju za proizvoljan srednji napon, ovde za o s r = OBo, ordinata CQC = OA/2 - amplituda izdrzljivosti pri cisto jednosmerno promenljivom naprezanju kada j e (JSR=(JA~OJ/2 = OC„ (C je presek prave OC i linije ABCDE)
I u Hejgovom dijagramu mora biti linija ABCDE omedena granicom razvlaienja op pa se, zato, zavrsava pravom DF koja je nagnuta prema apscisnoj osi pod uglom koji iznosi 45° (sa unutrasnje strane). To je zbog toga sto u taeki F m o r a biti
Slika 4.18 Hejgov dijagram za celik izlozen promenljivom naprezanju na zatezanje-pritisak Razgranicenje oblasti izdrzljivosti pri naizmenicno promenljivom naprezanju i oblasti izdrzljivosti pri jednosmerno promenljivom naprezanju na Hejgovom dijagramu prikazano je na slici 4.19. Na toj slici je, analogno Smitovom dijagramu (slika 4.15), linija ABCD zamenjena pravom AD. Hejgov dijagram, preveden sa Smitovog dijagrama (slika 4.17) za celik C. 0545 za savijanje, zatezanje-pritisak i uvijanje, prikazan je na slici 4.20.
Slika 4.19 Razgranicenje oblast naizmjenicnog naprezanja ( I ) i oblast jednosmijerno promjenjivog naprezanja (II) u poducju Hejgovog dijagrama
62
I 300
' 200 (Mpa) 100
0
100
200
300 ^00 a sr (Mpa)
Slika 4.20 Hejgov dijagram za celik C.0545 izlozen savijanju (linija f), zatezanju-pritiskivanju (linija e) i uvijanju (linija t)
4.1.3 Uticaji na izdrzljivost elemenata Stvarna i racunska izdrzljivost Na izdrzljivost elementa uticu razni faktori, medu kojima su najvazniji: oblik, vrsta materijala, kvalitet obradne povrsine, temperatura itd. Stvarna izdrzljivost elementa a D n ili sklopa elemenata a D s k moze se odrediti, laboratorijski, na masinama za zamaranje materijala. Odnos stvarne izdrzljivosti elementa cr Dn i osnovne izdrzljivosti materijala a D , utvrdene na standardnoj eproveti, predstavlja stvarni faktor zamora
°b
(4.7)
Faktor
63
Slika 4.21 Redukovani Smitov dijagram
Uticaj koncentracije napona Ispitivanja su pokazala da je izdrzljivost elementa izlozenog promjenljivom naprezanju uglavnom nesto veca od izdrzljivosti koja bi bila u skladu sa najvecim stvarnim naponom (slika 4.22): (4.10)
Omax = a k a n (odn. z max = a k r n )
a k je geometrijski ili teorijski faktor koncentracije napona, a o n racunski (nominalni) napon.To znaci da pri promenljivom naprezanju uticaj koncentracije napona ne dolazi do punog izrazaja, tj. poslijedice uticaja koncentracije napona najcesce nisu toliko teske koliko bi to odgovaralo stvarnom naponu a k ·on vec su nesto blaze, sto bi odgovaralo nekom manjem naponu p k - o n Na osnovu toga je "efektivni" najveci napon pk'(Jn< ak · an, odn., (3k
P F
Zatezanje
F_ ^ kz ' ® zn
&kz
~A
64
z
Slika 4.22 Uticaj geometrije na koncentraciju napona Osjetljivost materijala na koncentraciju napona zavisi, uglavnom, od njegove strukture, ali donekle i od oblika elementa. Kao mjerilo te osetljivosti materijala uveden je pojam osetljivosti materijala na koncentraciju napona: T]k =
Pk- °n — °n Pk~ 1
°n — °n K ~ 1
=
^
A
(4.11)
a to je odnos efektivnog i geometrijskog porasta napona zbog koncentracije napona. Velicina stepena osetljivosti r]k nalazi se izmedu granica 0 - 1 i priblizno iznosi za: Liveno gvoze
lJk ~ 0,01 -- 0 , 2 0
Celicni liv
0,30--0,40
Nelegirani celik sa aM < 4 0 0 M P a
0,40--0,60
Nelegirani celik sa oM > 5 5 0 M P a
0,55 -- 0 , 7 5
Nelegirani celik sa aM = 4 0 0 ... 5 5 0 M P a
0,65 -- 0 , 8 5
Legirani celik sa oM < 1 0 0 0 M P a
0,70--0,90
Legirani celik sa oM > 1 0 0 0 M P a
0,90--0,99
Legure od lahkih metala
0 , 6 0 - - 0,80.
Stvarni faktor koncentracije napona (3k moze se odrediti po obrascu: Pk = (<** " 1 )Vk + 1
(4-12)
izborom stepena osetljivosti r]k u zavisnosti od vrste upotrebljenog materijala i odredivanjem geometrijskog faktora koncentracije napona a k . Za stepen osetljivosti materijala na koncentraciju napona r]k teorijski, bila bi moguca dva ekstremna slucaja: · materijal potpuno neosetljiv na koncentraciju napona kada bi bilo rjk = 0, a (3k = 1. U torn slucaju ne bi koncentracija napona uopste uticala na dinamicku izdrzljivost elementa. · za materijal potpuno osetljiv na koncentraciju n a p o n a u k o j e m bi s l u c a j u bilo
r] k= 1, a
=a
Pk k- U ovom slucaju bi koncentracija napona dosla do punog izrazaja i znatno bi smanjila dinamicku izdrzljivost elementa.
65
Uticaj koncentracije napona na dinamicku izdrzljivost uzima se u obzir na taj nacin sto se amplituda izdrzljivosti smanjuje racunski dijeljenjem sa [3k (npr. pri cisto naizmenicno promjenljivom naprezanju je racunska ampltuda izdrzljivosti <7wr = &W/Pk kada je element izlozen koncentraciji napona, slika 4.23.)
Slika 4.23 Ampltuda izdrzljivosti materijala smanjuje se sa OW na AWR = AW/(3K zbog koncentracija napona Dijagram na slici 4.24 p o k a z u j e koliko je povoljno po izdrzljivost elementa kada je materijal malo osetljiv na koncetraciju napona ( npr. za ak = 2,5 i r] k = 0 je [3k = 1, a za ak = 2,5 i rjk = 1 je (3k = 2,5). Iz toga se moze izvesti zakljucak da treba utoliko vise izbegavati oblike sa jakom koncentracijom napona ukoliko je upotrebljeni materijal osetljiviji na koncentraciju napona.
1
1
Y
J
/
/
//
/
J
4
2
3
4
5
Slika 4.24 Zavisnost stvarnog faktora koncentracije napona (3K od geometrijskog faktora koncentracije napona ak i od stepena osjetljivosti materijala na koncentraciju napona r] k 66
A
Uticaj kvaliteta povrsine Kvalitet obrade povrsine utice na dinamicku izdrzljivost elementa. Ukoliko je povrsina elementa hrapavija, utoliko mu je izdrzljivost manja. To je zbog toga sto neravnine kao izraz hrapavosti cine niz sitnih spoljasnjih izvora koncentracije napona. Ta koncentracija napona, prema tome, potice od spoljasnjih mikrogeometrijskih ohlika. Uobicajeno je da se pad izdrzljivosti zbog hrapavosti izrazava pomocu faktora kvaliteta povsiine < 1 pa je, npr., a w r = . a w , gdije je a w r redukovana (racunska) izdriljivost elementa zbog hrapavosti, a o w osnovna izdrzljivost materijala, odredena na fino uglacanoj epruveti.Rezultati ispitivanja uticaj a hrapavosti na izdrzljivost elemenata obicno se prikazuju u obliku dijagrama. Najcesce se primjenjuje dijagram (slika 4.25), koji pokazuje zavisnost prosjecne velicine faktora kvaliteta povrsine od cvstoce materijala na zatezanje OM za nekoliko vrsta obrade. Linija a se odnosi na fino uglacane povrsine za koje je = 1 posto je takav kvalitet obrade povrsine propisan za epruvete na kojima se odreduje izdrzljivost materijala. Za svaku drugu, grublju vrstu obrade je faktor ^ utoliko manji, tj. i izdrzljivost elementa utoliko manja, ukoliko je bolji, jaci materijal u pitanju. I ovdje, dakle, dolazi do izrazaja osjetljivost materijala na koncentraciju napona. Pomenuti dijagram se odnosi na savijanje, no moze se primeniti i na druge vrste naprezanja.
-
\
s ,s
400
600
800
1000
1200
1400 a\{(MPa)
Slika 4.25 Zavisnost faktora kvaliteta obrade od cvrstoce celika na zatezanje za razne vrste obrade ( afino glacanje za R < l(j.m, b - osrednje glacanje za R ~ 1.5 -2 (im, c- fino brusenje za 2.5 -6 \im, dosrednje brusenje za R~ 6 -16 |am, e-gruba obrada, /- neobradene valjane povrsine, R-visina neravnina) U strucnoj literaturi, narcito novijoj, ima i drukcijih dijagrama i raznovrsnih podataka o uticaju kvaliteta povrsinske obrade na izdrzljivost elemenata. Na primer, dijagram na slici 4.26 daje tacniju zavisnost faktora kvaliteta povrsine od visine neravnina R za razlicite odnose k=aF/oM . Gdje je oF granice razvlacenja, a o M cvrstoca materijala na zatezanje.
67
Slika 4.26 Zavisnost faktora porsine od hrapavosti za raulicite odnose granice razvlacenja i cvrstoce pri zatezanju Oznake na slici su: linije A se odnose na zareni celik, linije B na termicki poboljsan celik, linija C na zarene legure aluminijuma (gnjecene), linija D na kaljene legure aluminijuma, a je fina brusenje, b grubo brusenje, c fino struganje, d gruba obrada i e vrlo gruba obrada. Dijagrami ovakvog tipa su sve cesci i preporucuju za upotrebu pri proracunavanju elemenata. Narocito stetno utice na izdrzljivost korozija jer niz sitnih rupica, kao poslijedica korozije, predstavlja visestruki izvor vrlo jake koncentracije napona. Tragovi korozije nalaze se na spoljasnjoj povrsini elemenata, gde su naponi uglavnom najjaci, pa zato uticaj korozije na izdrzljivost pripada kategoriji uticaj a koji poticu od vrlo grubog kvaliteta povrsinske obrade. Pad izdrzljivosti zbog korozije, koji moze biti i vrlo osetan, zavisi od stepena korodiranosti elementa, dakle od trajanja uticaj a korozije, od vrste uzrocnika korozije (npr. opasnija je morska voda od vodovodske), od vrste i sprege materijala, od vrste naprezanja (najmanje stete nanosi naprezanje na pritisak, a najvise naprezanje na torziju i zatezanje). Celik velike cvrstoce je narocito osjetljiv na koroziju pa ga ne treba primijenjivati kada postoji opasnost od korozije. Treba izuzeti specijalno legirani celik otporan protiv korozije. Na slici 4.27 uporeden je Smitov dijagram celika velike cvrstoce vodom korodiranog (linija a) i nekorodiranog (linija b). Nelegirani celik, a pogotovo sivi liv, osetljivi su znatno manje na koroziju.
68
1200
T &D (MP)
s
1000
s
800
s
/
600
/
iX
s
'
/> /
¥ y // 1 f
400
/
/
/ /
'(f/
1/
/
200
/
1
· /
0
'
2i 0
4C ' /
-200
-400
6
oo 800
1000 (MP)
/ /
-600
Slika 4.27 Primjer uticaja korozije na izdrzljivost eelika; linija a se odnosi na material korodiran vodom, a linija b na zdrav material
Uticaj velicine presjeka Ispitivanjem izdrzljivosti elemenata razlicitih velicina poprecnog preseka doslo se do saznanja da elementi veceg preseka, izlozeni savijanju ili uvijanju, imaju relativno manju izdrzljivost od elemenata manjeg preseka. Ima nekoliko pretpostavki kojima se objasnjavaju uzroci te pojave, na primer: · da najjace napregnutim vlaknima, koja se nalaze na ivicama, pruzaju izvjesnu zastitu susjedna, manje napregnuta vlakna koceci deformacije jace napregnutih vlakana utoliko efiikasnije ukoliko je element tanji zbog drukcije podele odn. drukcijeg pada napona, sto se vidi iz dijagrama napona npr. pri savijanju (slika 4.28), · da tanji elementi, manjih poprecnih preseka — imaju relativno homogeniji sastav materijala od debljih elemenata sto dovodi do nesto usporenijeg procesa zamaranja tanjih elemenata, · da tanji elementi imaju relativno manje neispravnih mesta (supljina, grumenja i si.), · da je uticaj obrade deformacijom vise ujednacen po cijelom presjeku kada su u pitanju tanji elementi, · da je mogucnost slobodnog sirenja ili skupljanja vlakana u razlicitim napregnutim oblastima u unutrasnjosti prijeseka elementa zavisna od debljine njegove.
/1
/
\
/
!/ f
\
\
\
)0
69
Slika 4.28 Uticaj ugla raspodjele napona za djelove razlicite debljine Prema nekim autorima ova je pretpostavka vrlo prihvatljiva. Kada bi element imao beskonacno velik presek, naponi susjednih vlakana razlikovali bi se vrlo malo pa bi se dijagram podijele napona gotovo izjednacio sa dijagramom ravnomijerne podijele napona kakva postoji pri zatezanju. Tada bi se, isto tako, i izdrzljivost pri savijanju gotovo izjednacila sa izdrzljivoscu pri zatezanju, koja je, kao sto je poznato, redovno manja od izdrzljivosti pri savijanju. Bez obzira na razlicita objasnjenja i pretpostavke cinjenica je da izdrzljivost elemenata izlozenih savijanju ili uvijanju opada sa povecanjem debljine ili precnika, a da takav uticaj ne postoji pri zatezanju. Pad izdrzljivosti izrazava se pomocu faktora velicine preseka
70 %2ai
J £2 faktor velicine preseka prema liniji a na slici 4.29.
1.0
&
l\
0.9
\\ V
0.8
V
\
0.7
S NJ
\
0.6
s V
0.5 0
50
100
150
200 d (mm)
Slika 4.29 Zavisnost faktora velicine presjeka
Uticaj temperature Osnovna izdrzljivost materijala odreduje se na temperaturi 0 O= 20°C. Medutim, elementi velikog broja masina, bilo po svojoj funkciji bilo po mjestu ili godisnjem dobu eksploatacije, mogu biti izlozeni uticaju i znatno visih i znatno nizih temperatura, ili promenljivih temperatura, npr. elementi gasnih turbina, motora sa unutrasnjim sagorevanjem, masina za hladenje, automobila, lokomotiva, terenskih dizalica. Uticaj temperature na izdrzljivost celika ne uzima u obzir do temperature 6 0 ^350°C. Kao primer dat je na slici 4.30 dijagram zavisnosti izdrzljivosti celika C. 0445 od temperature. Kada su temperature vise od 350-400°C, upotrebljavaju se posebne vrste celika, otporne i na visim temperaturama. Tada treba narocito voditi racuna i o uticaju deformacija elemenata na sklop cijele masine. Jednovremeni uticaj povisenih temperatura i korozije je vrlo stetan i izaziva jak pad izdrzljivosti celika. Jednovremeni uticaj povisenih temperatura i korozije je vrlo stetan i izaziva jak pad izdrzljivosti celika.
\\ V\ \
\
Vs
s
\
Slika 4.30 Zavisnost izdrzljivosti celika C.0445 od temperature pri zatezanju-prtiskivanju Na temperaturama ispod 0°C izdrzljivost celika raste, ali rastu i krtost i osjetljivost na koncentraciju napona. Primer uticaja niskih temperatura na izdrzljivost celika C. 0545 prikazan je na slici 4.31. 71
I legure aluminijuma i bakra pokazuju pad izdrzljivosti na povisenim temperaturama. Osetniji pad izdrzljivosti takvih legura pocinje na nizim temperaturama nego sto je slueaj sa celikom, ponekad cak vec iznad temperature od 100°C.
Uticaj frekvencije Ispitivanjima je utvrdeno da brzina kojom se menjaju ciklusi naprezanja prakticno ne utice na izdrzljivost materijala, do f r e k v e n c i j e - 5 0 0 s"1 = 30000 min"1. U masinstvu se rijede srecu vece frekvencije. Izvijesno povecanje izdrzljivosti zapazeno je u oblasti vecih frekvencija, narocito kada su u pitanju elementi izlozeni veoma jakoj koncentraciji napona kakvu moze izazvati npr. korozija.
Slika 4.31 Smitov dijagram za celik C.0545 na temperaturama
Uticaj pravca vlakana Epruveta izradena isjecanjem materijala u pravcu vlakana u kojern je izvrseno valjanje, pokazuje izdrzljivost najcesce za 1 0 - 2 0 % vecu od epruvete cija su vlakna isjecene upravo na vlakna.
Uticaj mehanicke i termicke obrade Termickom obradom (kaljenjem, cementovanjem, nitriranjem) moze se znatno povecati (i preko 30%)
izdrzljivost elementa jer se u najjace napregnutim spoljasnjim vlaknima promenom strukture materijala stvara sposobnost prigusivanja koncentracije napona. Medutim, lose obavljen proces termicke obrade moze znatno smanjiti izdrzljivost materijala. Dosta su cesti slucajevi prijeloma od zamora, i nasilnih prijeloma, kao posledica lose termicke obrade. Mehanickom obradom putem deformacije (kovanjem, valjanjem) moze se takode znatno povecati izdrzljivost materijala (do 20 % - 30% i vise). To povecanje je posledica zbijanja materijala (plasticnih deformacija) i stvaranja prethodnih napona pritiska u pojedinim slojevima, koji, sabrani sa radnim naponima zatezanja smanjuju ukupnu napregnutost vlakana pa ublazavaju uticaj koncentracije napona. Takvo „ocvrscavanje" materijala danas se cesto p r i m j e n j u j e posto donosi i druge koristi .
72
4.1.4 Stvarna izdrzljivost elemenata Stvarna izdrzljivost elementa a D n , moze se odrediti jedino laboratory skim ispitivanjem i tada dolaze zajednicki do izrazaja oni uticaji kojima je element bio jednovremeno izlozen u toku ispitivanja. Na osnovu ispitivanja svakog uticaj a posebno, izrazenog pomocu faktora moze se odrediti racunska izdrzljivost elementa prilikom proracunavanja elemenata izlozenih promjenljivom naprezanju u toku rada. Po pravilu se, u proracunu elemenata, redovno uzimaju u obzir uticaji koncentracije napona, kvaliteta povrsinske obrade i velicine presjeka a po potrebi i drugi uticaji ukoliko o njima ima vjerodostojnih podataka. Prema tome opsti izraz za odredivanje racunske izdrzljivosti elemenata ima formu:
% = 4;·
(4-13)
Faktori ^ *
(4.14)
gdjeje: °w
- o s n o v n a izdrzljivost m a t e r i j a l a ,
Pk
- stvarni faktor koncentracije n a p o n a , - faktor povrsinske o b r a d e i - f a k t o r velicine presjeka.
4.2 Dinamicki stepen sigurnosti zavarenih spojeva Za proracun stepena sigurnosti zavarenih sastavaka kod promjenjivog optereeenja koristi se najcesce izraz za stepen sigurnosti prema amplitudi izdrzljivosti, prema izrazu:
s, =
3-^4—
odn
·
s u
a
r=4i-4
2
-4,-4,~ L
a
(4.15)
gdjeje: "A (TA)
- amplitudni napon izdrzljivosti materijala ( uzima se sa Smitovih dijagrama),
°A
( JA )
- a m p l i t u d a n a p o n a k o j e m j e e l e m e n t izlozen u r a d u , - u k u p n i f a k t o r u t j e c a j a n a izdrzljivost z a v a r e n i h s a s t a v a k a , - f a k t o r oblika sastavka i v r s t e n a p r e z a n j a ( tabela 4.2), - f a k t o r klase kvaliteta zavara, - faktor naponskog stanja i
£4
- faktor velicine presjeka.
73
Tabela 4.2 Vrijednosti faktora R. br. Vreste
1
3
4
5
6
7
8
9 n
naprezanja Zatezanje Savijanje Smicanje (uvijanje)
2
X r//,y 0,8 0,9 0,7
0,8 0,9 0,7
W/W/A
0,6 0,7 0,6
0,7 0,8 0,8
V/\ W
0,3 0,2 0,2
L
—A
0,5 0,7 0,4
L 0,7 0,9 0,6
1
h
0,8 0,9 0,8
k
A V 1
f
0,6 0,8 0,6
Napomene uz tabelu: Za sastavke pod rednim brojem 1 i 2 je ^ =1, kada su tjemena zavara obradena, a korjen zavaren. Podaci za sastavke pod rednim brojem 2 odnose se na slueaj kada je korjen posebno zavaren. Kada korjen nije zavaren £ se smanjuje za 30 - 40% Faktor klase kvaliteta zavara iznosi
=1
Faktorom <^3 obuhvacen je uticaj sopstvenih (zaostalih) napona zavarenog sastavka. Faktor usvaja se u granicama g = 0,6 - 0,9 u zavisnosti od toga u kolikoj je mjeri znacajan utjecaj sopstvenih napona i u kojoj mjeri su ti naponi ublazeni termickom obradom. Kada je u pitanju koncentracija napona zbog oblika, treba faktor <^3 onoliko smanjiti koliko odgovara velicini stvarnog faktora koncentracije napona. Faktorom uzima se u obzir utjecaj velicine elementa na dinamicku izdrzljivost, pa se moze usvojiti da je # 4
·
Velicina ovako odredenog stepena sigurnosti zavarenih sastavaka treba biti S=2 - 3.
74
PRIMJERI ZAVARENIH KONSTRUKCIJA
Cilindricni zupcanik
Koni£ni zupCanik izraden z a v a r i v a n j e m
76
Detalj zavarenog ku6i§ta za lefiste s bronzanom daurom
77
a
b
Otvor za posmatranjc sa poklopcem
Dve varijante otvora za posmatranje kod zavarene ku^ice
79
IL \\\x k\\\ \ \
s
\v
F
VON\\\\X"vo v\\\ \\\W \
Otvor za ispustanje ulja sa depom; deppo JUSM.B1.324
Primer otvora za ispuStanje ulja na zavarenoj kudici
- Jednostepeni reduktor sa zavarenom kudicom, n a m e n j e n m a n j i m snagama J 5 | (PV1 - 8)
\\\\\\\
80
PRESEKA-A
81
