Zavareni spojevi

1. Uvod i namena

Zavareni spoj je nerazdvojivi spoj dva ili više metalnih delova koji se ostvaruje lokalnim zagrevanjem (sa ili bez dodatnog materijala) do temperature topljenja, nakon čega se delovi sjedine u celinu.
Zavarivanje se danas koristi mnogo češće od zakivanja i u velikoj meri je potisnulo zakovske spojeve u mašinstvu, građevinarstvu i brodogradnji.

Prednosti:

• manja masa konstrukcije (nema preklopa i dodatnih spojnica)

• veća čvrstoća (ako se pravilno izvede)

• veća zaptivenost spojeva

• jednostavnija i brža izrada

Nedostaci:

• potreba za kvalifikovanim zavarivačem

• mogućnost deformacija i zaostalih napona

• ne može se lako rasklopiti

Slika 1. Ručno elektrolučno zavarivanje cilindrične povrsine

2. Podela zavarenih spojeva

Slika 2. Vrste zavarenih spojeva i osnovne zone

a) Prema načinu spajanja delova:

1. Čeoni spojevi – delovi se spajaju po čelima (krajevima)

   • punoprolazni (potpuno zavareni)

   • delimični (zavareni samo po delu preseka)

2. Preklopni spojevi – jedan deo prelazi preko drugog

3. T-spojevi – elementi pod pravim uglom

4. Ugaoni spojevi – elementi pod uglom manjim ili većim od 90°

5. Krstasti spojevi – elementi se ukrštaju

b) Prema položaju zavara:

• horizontalni

• vertikalni

• krovni (iznad glave)

• podni (najlakši za izvođenje)

c) Prema obliku pripreme ivica:

• bez pripreme (do male debljine lima)

• sa ukosivanjem (V, X, U, J žlebovi)

Slika 3. Priprema ivica i primer čeonog zavarivanja

3. Postupci zavarivanja

Najčešći postupci u mašinstvu:

• REL (Ručni elektrolučno zavarivanje obloženom elektrodom) Koristi se električni luk kojim se topi materijal pre spajanja. Temperature koje se pri tome razvijaju mogu ići do 3500 stepeni. Obloga na elektrodi služi da zatvori mesto spajanja materijala da bi se izbegla oksidacija. Šljaka se skida kada se var ohladi. Primer je dat na Slici 1.

  • Prednosti:

  • Pogodan za brzo zavarivanje,

  • Jednostavni aparati za zavarivanje,

  • Prenosivost kao rezultat jednostavne opreme,

  • Može raditi u jednosmernoj i naizmeničnoj struji,

  • Mogu se postići velike temperature zavarivanja.

  • Nedostaci:

  • Nije pogodno za zavarivanje tankih metala,

  • Potebni su kvalifikovani zavarivači,

  • Ne mogu se koristi za reaktivne metale poput Aluminijuma i Titanijuma.

• MIG/MAG (Elektrolučno zavarivanje Metala u Inertnom Gasu) je još jedna metoda zavarivanja koja koristi električni luk za stvaranje zavarenih spojeva. Međutim, MIG koristi kontinuiranu elektrodu od pune žice, koja se zagreva i dovodi u zavareni bazen iz pištolja za zavarivanje. Dva osnovna materijala međusobno se tope i čine spoj. Kod MIG zavarivanja, rastopljena elektroda olakšava spajanje dva metala. Stoga je MIG idealan za spajanje različitih metala. Zaštitni gas se takođe dovodi kroz pištolj za zavarivanje kako bi se osiguralo da se bazen za zavarivanje ne spaja sa atomsferskim vazduhom da se ne formira oksidacioni sloj.

  • Prednosti:

  • Formira kvalitetne varove,

  • Malo prskanje kod zavarivanja,

  • Može se koristiti za spajanje različitih metala,

  • Moze biti automatski ili poluautomatski,

  • Dobra brzina zavarivanja.

  • Nedostaci:

  • Nije prikladan za zavarivanja na otvorenom prostoru,

  • Nije prikladan za zavarivanje debelih metala,

  • Zahteva dobru pripremu metala.

• TIG (Volfram elektroda - Tungsteen u Inertnom Gasu) je sličan metod samo što koristi nepotrošnu volframovu elektrodu za stvaranje luka između metala. Područje zavarivanja i elektroda zaštićeni su od oksidacije ili druge atmosferske kontaminacije inertnim zaštitnim gasom, poput argona ili helijuma. TIG zavarivanje može da radi i na naizmeničnim i na jednosmernim izvorima napajanja. Jedna od najvećih prednosti TIG zavarivanja je što se može koristiti za zavarivanje obojenih metala poput aluminijuma, bakra, magnezijuma, nikla, titana itd.

Slika 4. Postupak MIG i TIG zavarivanja

• Autogeno zavarivanje (plinsko) Upravljanje plamenom se vrši pomoću gorionika za zavarivanje. Rezervoar (posuda) za gas s kiseonikom i rezervoar za gorivo povezan je s gorionikom za zavarivanje. Zavarivač može upravljati plamenom kontrolišući broj gasova koji se dovode u gorionik pomoću regulatora pritiska. Najčešće vidimo smesu gasova kiseonika i acetilena koja može proizvesti 3200°C (5792°F). Ostali gasovi goriva koji se takođe vide kod zavarivanja gasom su vodonik, butan i propan.

  • Prednosti:

  • Lako prenosiva oprema,

  • Vrhunska kontrola plamena,

  • Niska cena i održavanje,

  • Može se koristiti i za gasno rezanje,

  • Jeftiniji trošak opreme.

  • Nedostaci:

  • Nije prikladno za vrlo tanke delove,

  • Niže temperature od elektrolučnog zavarivanja,

  • Težak zaštitni štit,

  • Nije pogodno za reaktivne metale

Slika 5. Autogeno zavarivanje

• Otporno tačkasto zavarivanje Ako se kroz dve ploče koje se spajaju propusti struja visoke frekvencije, na tom mestu će doći do topljenja materijala ploča u vidu tačkica. Na ovaj način se preklopno spajaju tanke ploče, debljine do 5 mm, na više mesta, na koraku p, što se naziva tačkasto zavarivanje ili punktovanje. Ako su tačkice na vrlo malom rastojanju, dobija se linijsko zavarivanje. Nosivost tačkasto zavarenih ploča je mnogo manja u odnosu na osnovni materijal ploča.

Slika 6. Šematski prikaz tačkastog zavarivanja

4. Proračun zavarenih spojeva

Var predstavlja prelaz između spojenih ploča. Poprečni presek vara je najčešće manji od poprečnog preseka ploča, pa se na mestu vara javlja koncentracija napona. Zbog toga se proračun zavarenih spojeva bazira na naprezanjima vara, a ne na naprezanjima ploča na mestu vara. Kod proračuna zavarenih spojeva u mašinstvu proveravaju se:

1. Naprezanje u metalu zavara

2. Naprezanje u osnovnom materijalu u zoni zavara

Za ugaone zavare (najčešći slučaj) posmatramo opterećenje na smicanje:

gde je:

• F – sila opterećenja

• a – grlo zavara (najkraća udaljenost od lica do korena zavara)

• l – dužina zavara

• k – broj zavara (1 ili 2 u paru)

Grlo zavara:

a=0,7⋅z

gde je z kateta pravouglog trougla zone vara (za ugaoni zavar).

Osim smicanja ugaoni varovi su opterećeni i na istezanje (kao i čeoni). Napon istezanja je različitog intenziteta po debljini ploča zbog geometrije zavara.

Dozvoljena naprezanja za čelik (primer):

• na zatezanje: σ_d = 0,6·σ_doz

• na smicanje: τ_d = 0,4·σ_doz

To znači da je zavaren spoj u proračunu opterećen najviše sa 60% dozvoljenog naprezanja osnovnog materijala. Smicanje je po prirodi kritičnije za zavar (metal zavara je često slabiji u poprečnoj vezi kristalnih zrna), pa se dozvoljava još niža vrednost — 40% od dozvoljenog naprezanja materijala.

5. Prednosti i ograničenja zavarenih spojeva

Prednosti:

• ekonomičnost

• hermetičnost

• fleksibilnost oblika

• lakoća spajanja tankih i debelih materijala

Ograničenja:

• deformacije usled toplote

• opasnost od zaostalih napona i pukotina

• teško uočavanje unutrašnjih grešaka bez NDT metoda (ultrazvuk, RTG)

• osim toga, lice zavara je hrapavo pa je potrebna dodatna obrada brošenjem

6. Kontrola kvaliteta

Vizuelna kontrola – oblik i kontinuitet zavara
Dimenzionalna kontrola – merenje katete, dužine zavara
NDT metode – penetranti, ultrazvučna ispitivanja, radiografija