1. UVOD 1.1. Definicija zavarivanja Zavarivanje je proces izrade nerazdvojivog spoja uspostavljnjem međuatomskih veza između dijelova koji se zavaruju, pri kome se pojedinačno ili kombinovano koristi toplotna i mehanička energija, a po potrebi i dodatni materijal. Postupci zavarivanja, koji se najčešće koriste u praksi, zasnovani su na lokalnom zagrijavanju materijala iznad temperature topljenja, kada zavareni spoj nastaje očvršćavanjem (npr. elektrolučno zavarivanje), ili na lokalnom zagrijavanju materijala do temperature topl toplje jenj nja, a, kada kada zava zavare reni ni spoj spoj nast nastaj aje e uz doda dodatn tno o djel djelov ovan anje je prit pritis iska ka (npr (npr.. elektrootporno zavarivanje). Zavarivanjem je moguće spajanje metala sa metalom, neme nemeta tala la sa neme nemeta talo lom m i meta metala la sa neme nemeta talo lom, m, ali ali se u prak praktič tično nom m smis smislu lu podrazumijeva spajanje metala sa metalom.
1.2. Opšti pojmovi u zavarivanju Zavarivanje – proces izrade nerazdvojivog spoja uspostavljanjem međuatomskih veza između dijlova koji se zavaruju, pri čemu se pojedinačno ili kombinovano koristi toplotna ili mehanička energija, i po potrebi dodatni materijal. Zavareni spoj – konstruktivna cjelina koju čine osnovni metal i metal šava Osnovni materijal – materijal koji se zavaruje Dodatni materijal (metal) – materijal koji se dodaje u procesu zavarivanja Zona uticaja toplote – dio osnovnog metala koji je pod uticajem zagrijavanja i hlađenja pretrpio strukturne promjene Metalna kupka – rastopljeni dodatni i osnovni materijal Šav (metal šava) – očvrsla metalna kupka Zavar – dio šava nastao u jednom prolazu ili sloju Žlijeb – pripremljeni prostor za obrazovanje šava Tehnologija zavarivanja – skup operacija potrebnih da bi se napravio zavareni spoj Tehnika zavarivanja – načini izvođenja pojedinih operacija tokom zavarivanja
1.3. Vrste zavarivanja Danas je poznato oko 200 različitih postupaka zavarivanja. Oni se dijele s obzirom na vrstu energije kojom se zagrijava mjesto zavara (mehanička, kemijska, električna, snop elektrona), vrstu osnovnog materijala (metali, umjetni materijali), način zavarivanja (zavarivanje, navarivanje) i nivo mehanizacije zavarivanja (ručno, poluautomatsko, automa automatsk tsko). o). Ovdje Ovdje se navode navode samo samo najraš najrašire irenij nijii postu postupci pci zavari zavarivan vanja ja metala metala,, svrstani u tri skupine: • zavarivanje taljenjem, • otporno zavarivanje i • zavarivanje mehaničkom energijom. U općem općem strojarstv strojarstvu u se prvenstve prvenstveno no primjenjuj primjenjuje e zavarivan zavarivanje je taljenjem taljenjem (najčešće (najčešće plamenom i elektr elektrolu olučn čno) o) za spajan spajanje je deblji debljih h ploča ploča i drugih drugih dijelo dijelova. va. Tanke Tanke ploče ploče i dijelo dijelovi vi zavaruju se taljenjem s električnim lukom (postupak TIG) ili plazmom, te postupcima otpornog zavarivanja (najčešće točkasto i šavno), ili s mehaničkom energijom. 1
2. Zavareni spojevi. Oblici zavarenih spojeva Pod zavarenim spojem se podrazumijeva konstruktivna cjelina, sl. 1, koju čine osnovni metal (1) i metal šava, ili skraćeno šav, kod koga se razlikuju lice šava (2), naličje šava (3), korijen šava (4) i ivica šava (8). Kod postupaka zavarivanja topljenjem šav nastaje očvršćavanjem istopljenog osnovnog i dodatnog metala ili samo osnovnog metala. Dio osnovnog metala, koji se topi u procesu zavarivanja i ulazi u sastav metala šava zove se uvar (5), čija je granica obilježena sa (6), a dubina sa (9). Zona uticaja toplote (ZUT), označena sa (7) na sl. 1.a, je onaj dio osnovnog metala, koji je pod uticajem zagrijavanja i hlađenja pretrpio izvjesne strukturne, ali ispod temperature topljenja. Na sl.1 prikazane su osnovne dimenzije šava: širina (11), debljina (12) i nadvišenje (10) i to za slučaj sučeonog i ugaonog spoja, kao i za navareni sloj, kod koga je bitna i njegova debljina (13)
Slika 2.1 Osnovni elementi zavarenog spoja
Prednosti zavarenih spojeva su: - u usporedbi s ostalim spojevima, nosivost zavarenih spojeva može biti približno jednaka nosivosti osnovnog materijala - visoka nosivost se postiže pravilnim odabirom dodatnog materijala i parametara zavarivanja, te dobivanjem zavarenog spoja bez značajnijih pogrešaka , - u odnosu na lijevane, kovane i zakovične konstrukcije, zavarene konstrukcije imaju tanje stjenke i do 30 % manju težinu, - za manji broj proizvoda, zavareni spojevi su najekonomičniji
2
Nedostaci zavarenih spojeva su: - zavarivanjem se bez problema spajaju samo materijali koji imaju jednaku ili približnu kvalitetu i sastav i koji su dobro zavarljivi, - na mjestu spajanja dolazi do lokalnog zagrijavanja i neravnomjernog rastezanja i skupljanja, što prilikom hlađenja uzrokuje zaostala naprezanja. - zavareni spojevi imaju manju sposobnost prigušenja vibracija, te manju otpornost prema koroziji, - zavareni spojevi su zbog svoje cijene neprimjereni za velikoserijsku proizvodnju. Prema stanju metala u području spoja u trenutku zavarivanja, postupci zavarivanja se dijele na sljedeće grupe prema sl. 2.2.
sl. 2.2 Klasifikacija postupaka zavarivanja
3
Prije zavarivanja potrebno je pripremiti ivice osnovnog metala, čime se dobija žlijeb za zavarivanje, čiji su osnovni pojmovi definisani standardom, sl. 3. Najčešće korišteni žlijebovi i izgledi odgovarajućih šavova su dati u tab. 1. Pripremljeni žlijeb u procesu zavarivanaja topljenjem može da se ispuni u jednom ili u više prolaza, ili u više slojeva, sl. 4, što prvenstveno zavisi od debljine osnovnog materijala.
sl.2.3 Osnovni elementi žlijeba
1 – stranica žlijeba 2 – korijen žlijeba 3 – oštri korijen žlijeba 4 – tupi korijen žlijeba 5 – razmak u korijenu žlijeba 6 – zatupljenje korijena žlijeba 7 – otvor žlijeba 8 – širina otvora žlijeba 9 – ugao otvora žlijeba 10 – ugao zakošenja žlijeba
Tabela 2.1 Oblici načešće korištenih žlijebova i odgovarajućih šavova 4
a) jednoprolazni
b) višeprolazni
c) višeslojni
sl. 2.4 Vrste šavova
2.1 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 moguće ostvariti upotrebljiv spoj, pri čemu je ponovljivost postupka vrlo visoka. Zavarljivi su čelici s manje od 0,3% ugljika i manje zatezne čvrstoće, od legirajućih elemenata Mn,Si, P, S loše utječu na zavarivost, dok Cr, Mo, Ni, Cu, V ne štete zavarivosti. Zavarljivi su konstrukcijski ugljični čelici (Č0345 – Č0545), čelici za poboljšavanje (Č1330, Č1331 uz predgrijavanje), čelici za cementiranje (Č4320, Č5420 u necementiranom stanju), čelici za prešane cijevi, čelici za topovske limove. Zavarljivi su obojeni metali – bakar, aluminij, mesing, bronca, cink, zatim plastični materijali (naročito PVC), lijevano željezo, bijeli kovkasti lijev (prethodno razugljičen)...
2.1.1 Vrste zavarenih spojeva i zavara Zavareni spojevi dijele se obzirom na međusobni položaj dijelova koji se zavaruju. Zavari se općenito dijele na: • sučeone zavare, slika 2.5.a i 2.5.b. • kutne zavare, slika 2.5.c i 2.5.d. • posebne zavare, slika 2.5.e i 2.5.f.
Slika 2.5
-Opća podjela zavara s obzirom na položaj dijelova koji se zavaruju: a) sučeoni V-zavar, b) sučeoni X-zavar, c) kutni zavar, d) dvojni kutni zavar e) sučeoni K-zavar kutnog T-spoja, f) polovični Y-zavar s kutnim zavarom u korijenu 5
-Po položaju zavarivanja razlikuju se četiri osnovna položaja: • horizontalni, • horizontalni na zidu, • vertikalni, • nad glavom
2.1.2 Kvaliteta zavarenih spojeva Kvaliteta zavara ovisi o tipu i količini grešaka koje u njemu nastaju pri zavarivanju. Zavareni spojevi se razvrstavaju u četiri razreda kvalitete: 1. razred kvalitete – U tom razredu moraju sve vrste sučeonih zavara imati provareni korijen, a kutni i križni zavari provarene presjeke. Upotrebljeni osnovni i dodatni materijal moraju imati atest. Zavari moraju biti bez grešaka, izvodi se 100% kontrola (radiografska, ultrazvučna). Zavar izvode samo stručno osposobljeni zavarivači s atestom za taj razred kvalitete. 2. razred kvalitete – U drugom razredu kvalitete su sve vrste spojeva i zavara. Materijali su atestirani, manje su greške dopuštene, ali u zavaru ne smije biti pukotina. Obavezna je 50% kontrola. Zavaruju zavarivači s atestom za postupke i položaje zavarivanja, koji su mogući na konstrukciji. 3. razred kvalitete – Sučeone zavare tog razreda moraju izraditi atestirani zavarivači. Zahtjeva se 10% - na kontrola zavara s ultrazvukom, te 100% - na vizualna i dimenzijska kontrola 4. razred kvalitete – Nema posebnih zahtjeva, vrijedi samo za jednostavne konstrukcije. Po kontinuitetu zavari mogu biti neprekinuti i prekinuti.
6
2.2 Prikazivanje i kotiranje varova 2.2.1 Označavanje i predstavljanje zavarenih spojeva na crtežu Crtež zavarene konstrukcije mora da sadrži podatke potrebne za njenu izradu, kao što je način pripreme žlijeba, geometrijske mjere šava i tehnika zavarivanja. Da bi se ovi podaci prikazali što jednostavnije, definisani su načini predstavljanja i oznake zavarenih spojeva, koje se sastoje od grafičke i brojne oznake. Grafička oznaka definiše pripremu žlijeba i oblika šava, tab. 2, oblik spoljne površine, tab. 3, vrste spojeva pri zavarivanju pritiskom, tab. 4, dopunske radove na korjenom zavaru i kontinualnost šava pri zavarivanju topljenjem (neprekidni šavovi se označavaju horizontalnom crticom preko osnovnog simbola).
Tabela 2. Oznake najčešće korištenih žlijebova i nazivi odgovarajućih šavova
Tabela 3. Oznake oblika spoljne površine šava
Tabela 4. Oznake pri zavarivanju pritiskom
7
Grafička oznaka za uprošćeno prikazivanje zavarenih spojeva se ispisuje u blizini šava, na prelomljenoj pokaznoj liniji ili ispod nje, sl. 2.6. Tako npr., oznaka na sl. 2.6.a definiše „V“ šav bez obrade lica, oznaka na sl. 2.6.b neprekidni dvostrani ugaoni šav sa ravnim tjemenom, gdje je a debljina šava, a oznaka na sl. 2.6.c isprekidani dvostrani nesimetrični ugaoni šav sa ravnim tjemenom, gdje je l dužina pojedinih šavova, e razmak između dva šava i n broj šavova.
a) sučeoni „V“
b) ugaoni ravni dvostrani
c) isprekidani nesimetrični ugaoni ravni sl. 2.6 Primjeri uprošćenog prikazivanja zavarenih spojeva
Osnovne oznake Različite vrste zavarenih spojeva na crtežima predstavljaju se karakterističnom oznakom koja je u osnovi slična obliku zavarenog spoja koji se izvodi (slika 9). Oznaka neće prouzrokovati preuranjeni zaključak o postupku koji se primjenjuje. Ako spoj ne treba biti specificiran, nego samo treba predstaviti koji će spoj biti zavarivan, tvrdo ili meko lemljen, potrebno je koristiti sljedeću oznaku:
Sl. 2.7 Osnovna oznaka zavarenog spoja prema EN 22553
8
Osnovne oznake mogu biti dopunjene oznakom koja karakterizira oblik vanjske površine ili oblika šava. Odsustvo dodatne oznake znači da oblik zavarene površine ne treba da bude precizno označen.
2.2.2 Dimenzioniranje šava Svaka oznaka zavarenog spoja sadrži brojčane vrijednosti dimenzija. Ove dimenzije se upisuju kao što je to prikazano na sljedećoj slici:
Slika 2.8. Način prikazivanja dimenzioniranog šava prema EN 22553
Sl. 2.9 Ilustracija zavarenog spoja i odgovarajuće simboličko predstavljanje prema EN
22553
Osnovne dimenzije, koje se odnose na poprečni presjek, upisuju se na lijevoj strani ispred oznake ( s), podužne dimenzije se upisuju na desnoj strani iza oznake (l). Oznaka se postavlja iznad ili ispod referentne linije, u skladu sa sljedećim pravilom: - Oznaka se postavlja sa strane pune linije ako je lice zavarenog spoja na strani strelice, - Oznaka se postavlja na stranu isprekidane linije ako je lice zavarenog spoja na drugoj (sl.10) - Dimenzije koje definiraju šav u odnosu na ivice elemenata, ne označavaju se nego se predstavljaju posebno na crtežu (Slika 11).
9
Slika 2.10
Slika 2.11
2.3 Proračun zavarenih spojeva Provodi se kao da su sami zavari zasebni elementi, pri čemu se određuju naprezanja u pojedinim kritičnim presjecima. Kod proračuna je najvažnije pravilno određivanje ukupne nosive površine zavara: Azv = Σ(a⋅l zv ), gdje je a računska debljina, a l zv nosiva dužina pojedinog zavara u zavarenom spoju.
2.3.1 Sučeoni varovi Kod sučeonih spojeva kritični presjek je okomiti presjek zavara uzduž njegove osi, pa je računska debljina zavara jednaka debljini dijelova koji se spajaju (slika 12).
Sl. 2.12
Kod spajanja limova različite debljine, mjerodavna je debljina tanjeg lima.
10
2.3.2 Kutni zavari Kod kutnih spojeva površina koja prenosi opterećenje nalazi se u ravnini spajanja. Računska debljina zavara je visina istokračnog trokuta upisanog u presjek zavara, koja se zatim zakreće u ravninu spajanja.
Sl. 2.13
2.3.3 Mjerodavna (nosiva) površina zavara a) Vlak (Tlak)
b) Smik
Slika 2.14
Slika 2.15
c) Savijanje
Slika 2.16
11
d) Torzija (uvijanje)
Slika 2.17
12
3. Ispravno oblikovanje zavarenih konstrukcija Najčešće greške koje se javljaju prilikom zavarivanja su: - nedostatak vara između površine zavarivanja, - krakovi kutnih zavara nisu jednaki te je zbog toga čvrstoća šava manja (sl.18), - nedostatak uvara usljed prisustva sloja oksida koji nije rastopljen, - postavljanje vara na suprotnu stranu od pravca djelovanja sile (sl. 19) - korijen zavara ne ispunjava potpuno grlo žlijeba, - udubljenja u korijenu nastala dejstvom ugljen-monoksida, -slaba konstrukcija kod konzola opterećenih na savijanje (sl.21) - otvoreni gasni mjehurići na površini korijena, - dodatni materijal ne dostiže ravan osnovnog materijala, -udubljeno mjesto nastalo usljed prekida zavarivanja.
Slika 3.1. Razlijevanje zavara (pod „b“ je prikazan ispravan položaj)
Slika 3.2. Tlačno opterećenje korijena šava: a) Neispravno, b) Ispravno
Slika 3.3. Izmjenično dinamičko opterećenje savijanjem: a) Neispravno; b) Ispravno
Slika 3.4. Konzola opterećena savijanjem: a) Neispravno; b) Ispravno – pojačana konstrukcija i dulji šav u vlačnoj zoni
13
Neke od preporuka i načina za ublažavanje ili sprečavanje napona i deformacija u zavarenim konstrukcijama su: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
izvršiti pravilnu pripremu za zavarivanje izvoditi po mogućnosti što kraće varove po mogućnosti koristiti simetrične čeone varove ili dvostruke ugaone varove izbjegavati ukrštanje varova zbog pojave nagomilavanja materijala zavarivanje izvoditi sa više prelaza tanjim slojevima duge varove raditi preskokom zavarene sastavke u nekim slučajevima podvrgavati termičkoj obradi pri zavarivanju odrediti takav položaj limova koji je suprotan očekivanoj deformaciji
Slika 3.5. Stezanje kod kutnih spojeva
14
Slika 3.6. Strojna obrada zavarenih sklopova a), c), e) Neispravna konstrukcija –strojnom obradom se zahvaća šav, odnosno tjeme šava; b), d), f) Ispravna konstrukcija –strojnom obradom se skida korijen šava ili šav nije zahvaćen
Osnovna pravila i preporuke za ispravno konstruktivno oblikovanje zavarenih konstrukcija su: - pri izradi konstrukcije maksimalno koristiti sve vrste profila, savijenih limova i drugih elemenata u cilju što manjeg zavarivanja - predvidjeti što više horizontalnih varova radi lakšeg izvođenja - osigurati lahku pristupnost svim varovima na konstrukciji (sl. 24) - pravilno izabrati vrstu zavarenog sastavka pri čemu treba težiti upotrebi čeonih varova - izbjegavati smještanje zavarenog sastavka u zonama koncentracije napona
Slika 3.7. Pristupačnost varovima
a), b), c) Nepristupačni šavovi; d) Poboljšana pristupačnost; e) Promijenjena konstrukcija, strelica označava šav koji spaja tri l ima
15
4. ZAKLJUČAK Zavarivanje je postupak spajanja dva ili više istorodnih ili raznorodnih materijala, taljenjem ili pritiskom, sa ili bez dodavanja dodatnog materijala, na način da se dobije homogen zavareni spoj (spoj bez grešaka sa zahtjevnim mehaničkim i ostalim svojstvima). Prednosti zavarenih spojeva su: - u usporedbi s ostalim spojevima, nosivost zavarenih spojeva može biti približno jednaka nosivosti osnovnog materijala - visoka nosivost se postiže pravilnim odabirom dodatnog materijala i parametara zavarivanja, te dobivanjem zavarenog spoja bez značajnijih pogrešaka , - u odnosu na lijevane, kovane i zakovične konstrukcije, zavarene konstrukcije imaju tanje stjenke i do 30 % manju težinu, - za manji broj proizvoda, zavareni spojevi su najekonomičniji Nedostaci zavarenih spojeva su: - zavarivanjem se bez problema spajaju samo materijali koji imaju jednaku ili približnu kvalitetu i sastav i koji su dobro zavarljivi, - na mjestu spajanja dolazi do lokalnog zagrijavanja i neravnomjernog rastezanja i skupljanja, što prilikom hlađenja uzrokuje zaostala naprezanja. - zavareni spojevi imaju manju sposobnost prigušenja vibracija, te manju otpornost prema koroziji, - zavareni spojevi su zbog svoje cijene neprimjereni za velikoserijsku proizvodnju. U industrijskoj proizvodnji pojavljivanje pogrešaka u zavarenom spoju, a naročito njihovo ponavljanje, uzrokuje velike probleme. Uzroci im, međutim, mogu biti u fazama prije proizvodnje kao i u načinu uporabe zavarene konstrukcije. Nekvalitetnom izvedbom zavarivanja dolazi do zastoja u proizvodnji, gubitaka u tempu i zakašnjenja u isporuci. Popravci, kao nužno zlo, mogu uzrokovati trajne negativne posljedice na sposobnost konstrukcije. Zbog toga je greške pri zavarivanju potrebno svesti na minimum kako bi se osigurala što bolja kvaliteta vara.
16
