TECHNOLOGIE I : Technologičnost konstrukce svařenců, rozdíl v konstrukci odlitku a svařence, materiály pro svařenec, materiály pro odlitky, vlastnosti materiálů pro svařenec. Autoři přednášky: prof. Ing. Iva NOVÁ, CSc. Ing. Jiří MACHUTA, Ph.D. Pracoviště: TUL FS, Katedra strojírenské technologie
Technologičnost konstrukce Historie svařování z hlediska technologičnosti konstrukce Svařování je nejmladší výrobní technologií, která přišla do doby, kdy již existoval materiál i konstrukce. svařování ve své době mělo nahradit nýtování, které již dosáhlo vysokého stupně produktivity práce a stejným způsobem byla tato nová technologie vnímána tedy jako nová technika spojování, svařování se musí přizpůsobovat daným podmínkám a přinést ještě vyšší produktivitu práce (klasický vztah konstrukce materiál technologie) ; to znamená, že konstruktér vybere materiál a navrhne spoje a technolog to provede. Poznámka: To se podařilo již za 2. svět. války při stavbě lodí mechanizovaným svařováním pod tavidlem, které výrazně zvýšilo produktivitu výroby lodí proti nýtování, aniž by se řešila svařitelnost. Zdroj: [2] Hudec, Z.: HP, TU v Liberci 2012.
Technologičnost konstrukce svařenců Konstrukce odlitku je závislá na tvaru a materiálu součásti, užitných vlastnostech; Slévárenské materiály: LLG, LLČ, LKG, ocel na odlitky, slitiny Al, Mg, Zn, Cu, Ti, Ni typ rovnovážného diagramu eutektická teplota; technologie výroby odlitků souvisí s konstrukcí odlitku i s jeho užitnými vlastnostmi, kvalitou rozměrů i drsností povrchu; Tvar odlitku: žebra, rádiusy, úkosy, jednoduché i složité tvary; Konstrukce svařence je závislá materiálu, musí být svařitelný; Tvar svařence - v podstatě teoreticky může mít téměř libovolný tvar, který lze téměř vždy svařit; současně též jsou důležité užitné vlastnosti tj. účel proč svařenec vyrábíme. Materiál svařence např. nízkouhlíkové oceli (materiály, které mají rovnovážné diagramy s oblastí tuhého roztoku). Obecně platí materiály, které lze tvářet, též lze i dobře svařovat.
Technologičnost konstrukce Technologičnost návrhu svaru optimalizací efektivity provedení svaru Zdroj: [2] Hudec, Z.: HP, TU v Liberci 2012.
Tvar a rozměr konstrukce svařované díly je třeba konstruovat, proti odlitkům jiným způsobem jednoduchá konstrukce, aby se svářeč dostal do všech svařovaných míst; tvar svařence (svarku) je odlišný proti tvaru odlitku a) odlitek b) svarek
Základní kriteria volby mezi odlitkem a svařencem Při volbě mezi odlitkem a svarkem (svařencem) se musí vycházet z požadavků na: - tuhost a pevnost dílu; - materiál a optimální hmotnost dílu; - odolnost proti opotřebení; - odolnost dílu proti korozi; - odolnost proti tepelnému namáhání; - ekonomické hledisko.
Konstrukce svarů je třeba svarky (svařence) konstruovat tak, aby se svařovalo málo míst při svařování se do materiálu vnáší vnitřní pnutí kroucení dílů Nejvýhodnější konstrukci má svarek třetí vytváří se pouze 2 svary
Faktory ovlivňující technologičnost konstrukce Zásady technologičnosti konstrukce volba nízkého počtu spojovaných dílů; jednoduchá tvar spojovaných dílů, respektující technologii výroby (úkosy, zaoblení, tloušťky stěn, atd.); přiměřené nároky na přesnost spojovaných dílů; přesně a jasně vymezit nároky na jakost svařence; volba vhodného materiálu (chemické složení, resp. svařitelnost, struktura materiálu, tepelné zpracování, atd.); předcházet vadám konstrukce, které mohou nastat v důsledku svařování;
Faktory ovlivňující technologičnost konstrukce využití normalizovaných a hromadně vyráběných dílů a polotovarů; využití výrobních podmínek daného podniku (stávající strojní vybavení svařovací agregáty, polohovadle, atd.); krátká a nenákladná příprava výroby - nízké investice, minimum speciálního nářadí, nástrojů, přípravků, měřidel, atd.; minimální výrobní i režijní náklady, tj. minimální počet a složitost operací, minimální pracnost a průběžná doba výroby;
Faktory ovlivňující technologičnost konstrukce možnost mechanizace a automatizace procesu svařování; volba vhodného druhu kótování a tolerování rozměrů; při konstruování svařence brát na zřetel pracnost montáže, (popř. demontáže) skupin a celého výrobku.
Různé typy svarků Minimum dílů = minimální počet svarů
Typy svarů Konstrukčně je technologie svařování jako způsob spojování dílů velmi jednoduchá. Díly je možno oblokovými technologiemi spojit: na tupo nebo T- spojem, který je zpravidla vytvořený koutovými svary. pouze u tenkých plechů můžeme tupý spoj nahradit spojem přeplátovaným a T- spoj nahradit spojem lemovým, viz následující obr. Zdroj: [2] Hudec, Z.: HP, TU v Liberci 2012.
Typy svarů Příklady svarových spojů a svarů a) tupý spoj, tupý svar ; b) rohový spoj, koutový svar; c) přeplátovaný spoj, koutový svar d) spoj T, koutový svar e) lemový spoj, lemový svar a) b) c) d) e)
Konstrukční provedení spojů Výhoda T- spojů - je opět ve snadnějším polohování svařence, které tento úkos zpřístupní; pro snadnější manipulaci a vzhledem k vrubovému účinku je výhodnější provést tupý svar s koutovým převýšením, o které se sníží hloubka úkosu. toto řešení je dražší než jednoduchý koutový svar ale vyplatí se tam, kde je z důvodů únavového namáhání předepsaný zaručený plný průvar. Zdroj: [2] Hudec, Z.: HP, TU v Liberci 2012.
Technologičnost koutového spoje Technologičnost koutového spoje vyšrafovaná část vyznačuje nadbytečnost svarového kovu; rozměry koutového svaru by měly být t, nosný rozměr a; zvětšení délky svaru v jednom směru na 2t způsobí zvětšení nosného rozměru o 26 % a celá plocha svaru se zvětší o 100 %
Materiál svařované konstrukce (materiál svařence) při svařování je důležité teplotní pole svarku, chtěli bychom rovnoměrné teplotní pole to zabezpečuje hodnota tepelné vodivosti materiálu součinitel tepelné vodivosti vybraných materiálů: hliník 234 [W.m -1.K -1 ] měď 391 [W.m -1.K -1 ] železo 75 [W.m -1.K -1 ] uhlíková ocel 45 [W.m -1.K -1 ] nízkolegovaná ocel 33 [W.m -1.K -1 ] bodový zdroj tepla trojrozměrný odvod tepla bodový zdroj tepla dvojrozměrný odvod tepla Ukázka teplotního pole v materiálu při bodovém lokálním zdroji tepla
Vliv teploty na vlastnosti svařovaného materiálu s rostoucí teplotou klesá Youngův modul pružnosti materiálu; s rostoucí teplotou také klesá mez kluzu materiálů tedy svařováním se zhoršují; s rostoucí teplotou roste součinitel teplotní roztažnosti
Souvislost mezi teplotu tání a teplotní roztažností čím mají kovy a jejich slitiny vyšší teplotu tání, tím mají nižší hodnotu teplotní roztažnosti. Teplota tání kovu [K] = Melting point T m [K] Součinitel teplotní roztažnosti = Coefficient of thermal expansion a. 10-6 [K -1 ]
Mezera při tavném svařování při tavném svařování je důležitá mezera mezi spojovanými díly lepší je také volba X svaru než V svar, ve V svaru je mnoho svarového kovu, což je nevhodné Zdroj: [2] Hudec, Z.: HP, TU v Liberci 2012.
Tupý svar při obloukovém svařování Tupý svar - spojuje 2 plechy zpravidla stejné tloušťky a tak nejefektivnější variantou se jeví provaření hran na tupo a nejlépe bez mezery. proveditelnost tohoto řešení je omezena intenzitou zdroje a zejména přesností sestavení dílů a přesností vedení zdroje tepla.
Tepelně ovlivněná oblast materiálu závislí na rozdílu teplot (tzv. teplotním gradientu) ve svařovaném materiálu
Proces svařování proces svařování závisí na metodě svařování, resp. na hustotě výkonu vysoké výkony způsobují vypařování kovů nejvíce používané metody svařování obloukem, plazmou laserem malý výkon nevede k tavení materiálu
Návrh typů úkosů při úpravě svarových ploch je důležitý typ úkosu MMA tj. provedení úkosu při ručním svařování obalenou elektrodou, úkos = 60 ; Flux cored wire svařování pod tavidlem, úkos = 50 Metal cored wire svařování kovovým drátem, úkos = 40.
Vady v důsledku plynů ve svarovém kovu rozpustnost plynů se zvyšuje s teplotou, při teplotě tavení kovu (melting temperature) rozpustnost plynů velmi vzrůstá nejhorší je vodík má malé atomy, které všude vlezou Vliv vlhkosti na navlhavost elektrod a na typ technologie svařování
Napětí a deformace při svařování
Vady svarů vměstky ve svarovém kovu; trhliny pod kořenovou housenkou plyny ve svarovém kovu; trhliny v housence
Technologičnost konstrukce a vlivy při svařování Literatura [1] NOVÁ, I., et al: Technologie I. [Skripta], FS-TU v Liberci 2006. [2] HUDEC, Z.: Technologičnost návrhu svarů MAG pro ocelové konstrukce. [Habilitační práce]. FS KSP, TU v Liberci, 2012. [3] Kolektiv: Materiály a jejich svařitelnost. /Učební texty pro kurzy svářečských inženýrů a technologů/. Ostrava 1999. [4] Kolektiv: Navrhování a posuzování svařovaných konstrukcí a tlakových zařízení. /Učební texty pro kurzy svářečských inženýrů a technologů/. Ostrava 1999.