Varjeni spoji

Osnove varjenja

Varjenje je interdisciplinarna stroka in znanost, ki govori o nerazstavljivem spajanju gradiv s taljenjem oz. mehčanjem na mestu spoja.

Varimo zato, da skupaj povežemo več strojnih delov, ali pa zato, da nekemu elementu dodamo material.

Dodajanje materiala na osnovni material imenujemo navarjenje in se najpogosteje uporablja, kadar moramo popraviti izrabljene dele, npr. orodja. Navar v teh primerih nato obdelamo na željeno, prvotno dimenzijo. Primer navara na osnovni, neprizadeti material je prikazan na Sliki 2.

Povezovanje več strojnih delov ali spojitev lahko nastane na dva načina:

  • material lahko talimo, kar imenujemo talilno varjenje,
  • druga možnost pa je varjenje s pritiskom – to vrsto varjenja delimo na hladna in topla varjenja s pritiskom.

V primeru spajanja dveh strojnih delov za zvar potrebujemo:

  • osnovni material 1,
  • osnovni material 2,
  • dodajni material.

Med postopkom talilnega varjenja se dodajni material ter del osnovnega materiala 1 in 2 stali, da skupaj tvorijo zvar. 

Osnovni material 1 in 2 so lahko tudi varjenci, ki smo jih predhodno že zvarili. Zgornji del zvara imenujemo teme zvara, spodnji del zvara pa koren zvara.

Prednost varjenja je, da lahko poleg jekel varimo tudi med seboj enake mehke kovine, npr. aluminij, baker, poznamo pa tudi varjenje umetnih mas. Največja prednost je ekonomičnost postopka pri posamični proizvodnji. Individualne ali velike konstrukcije imajo prednost pred litimi in kovanimi deli, saj moramo pri ulitih delih izdelati ulitke, pri kovanih pa primerne utope – kar bistveno podraži proizvod. Največja slabost varjenja je, da ne moremo spajati med seboj različnih materialov, da je potrebno mesto zvara ustrezno predpripraviti ter da je sam postopek varjenja lahko zaradi krčenja in raztezanja varjencev dodaten povzročitelj notranjih napetosti.

Postopki varjenja

Poznamo več postopkov varjenja

Oblike zvarnih spojev in vrste zvarov

Glede na medsebojno lego delov, ki jih spojimo, z varjenjem dobimo različne vrste zvarnih spojev. Soležni zvarni spoj nastane, ko varjenca ležita v isti ravnini, kotni spoj T nastane, ko sta varjenca med seboj pravokotna, ko pa se robovi varjencev stikajo pod poljubnim kotom, dobimo vogalni spoj. 

Ostale oblike spojev so prikazane v Tabeli 1.

Za vsako izmed teh vrst spojev obstajajo priporočljive oblike zvarov, ki nosijo ime po obliki prečnega prereza zvara. Za soležni spoj lahko uporabimo osnovni V-zvar ali pa kombinacijo dveh V-zvarov: dvojni V-zvar ali X-zvar. Osnovne oblike zvarov so prikazane v Tabeli 2, zraven pa so pripisani tudi simboli, ki jih uporabljamo pri izdelavi tehnične dokumentacije.

Vsaka izmed osnovnih oblik se torej uporablja pri različnih vrstah spojev, v praksi pa je vse skupaj odvisno tudi od same debeline varjencev, materiala itd. V primeru soležnega spoja manjših debelin varjenca zelo pogosto uporabljamo obliko V-zvara, če pa imamo dva zelo debela varjenca, ki sta med varjenjem dostopna z obeh strani, lahko uporabimo dvojni V-zvar oz. X-zvar ali dvojni U-zvar. 

Po varjenju so lahko površine še dodatno obdelane – npr. da se var izravna da je zgornja površina po varjenju npr. vbočena ali izbočena. Te dodatne zahteve v tehnični dokumentaciji prikažemo s simboli. Primer označevanja kotnega in soležnega zvara, ki se varita po celotni dolžini stika varjencev sta prikazana na Sliki 4. Pred oznako zvara se poda dimenzijo zvara v prečnem prerezu (višina trikotnika a pri kotnih zvarih in debelina pločevine pri soležnih zvarih). Zvarov na tehničnih risbah ne rišemo. Vsi podatki o zvaru so razvidni iz oznake

Osnove preračuna zvarnih spojev

Za izračun napetosti v zvarih uporabimo osnovne enačbe iz trdnosti. Napetosti primerjamo z dopustnimi napetostmi, ki so odvisne od vrste zvara, smeri obremenitve glede na zvar in časovnega poteka obremenitve. Dopustne napetosti zvara σdop,zv so manjše od dopustnih napetosti osnovnega materiala σdop. Ocenimo jih lahko tako, da normalno dopustno osnovnega materiala pomnožimo z zvarnim količnikom α, ki je odvisen od vrste sile (torej ali kos obremenjujemo na nateg oz. tlak, upogib ali strig), vrste obremenitve (statična ali dinamična obremenitev) in od same vrste zvarnega spoja, npr. za soležni ali kotni zvar sta zvarna faktorja drugačna. Približne vrednosti zvarnih količnikov so predstavljene v Tabeli 2.

[latex]\sigma_{dop,zv}=\alpha\cdot\sigma_{dop}[/latex]

Tlačno oz. natezno napetost σn lahko preračunamo s podatkom o debelini zvara a, njegovi dolžini lzv in natezni oz. tlačni sili F. Pri izračunu računske dolžine zvara moramo upoštevati iztek zvara. Prav tako lahko preračunamo upogibno napetost σfmax, le da za preračun le-te potrebujemo tudi podatek, kolikšen upogibni moment M deluje na zvar. Če je zvar obremenjen z obema načinoma obremenitve napetosti seštevamo. Upoštevati je potrebno predznak napetosti (nateg +).

Natezna napetost

[latex]\sigma_n=\frac{F}{a\cdot l_{zv}}[/latex]

[latex]l_{zv}=l-2\cdot a[/latex]

Maksimalna normalna napetost

[latex]\sigma_{\max }=\sigma_n+\sigma_{f\max }\le\sigma_{dopzv}[/latex]

Upogibna napetost

[latex]\sigma_{f\max }=\frac{M}{W}=\frac{6\cdot M}{a^2\cdot l_{zv}}[/latex]

Natančen preračun zvarnih spojev predpisuje standard EUROCOD 3.

Oblikovanje zvarnih spojev

Pri oblikovanju zavrnih spojev moramo poleg lastnosti zvarov upoštevati tudi ekonomičnost in funkcionalnost končnega varjenca.

Pri varjenih spojih je pomembno, da pravilno izberemo vrsto in obliko zvara. V korenu spoja se moramo izogibati nateznim napetostim. V primeru, prikazanem na Sliki 6, vidimo, da sila deluje na varjenec b navpično navzdol in povzroča upogibno napetost v zvaru. Natezno območje je na zgornji strani pločevine. V danem primeru mora biti koren zvara na spodnji strani.

Pri izbiri zvara se moramo izogibati spremembi toka silnic v območju zvara (Slika 7). Slike kotnih zvarov prikazujejo, kako se silnice pri izbočenem kotnem zvaru ukrivijo, kar seveda ni najustreznejše. Bolje je, da so silnice vbočene, kot je prikazano pri vbočenem kotnem zvaru (c). Kadar imamo opravka z dinamičnimi obremenitvami in kotnim spojem, je smiselno razmišljati o dvojnem kotnem spoju, saj imamo tako manjše napetosti v zvaru.

Kadar varimo dva varjenca med seboj različnih debelin, je potrebno zaradi toka silnic paziti tudi na to, da debelina s tanjšega na debelejši kos narašča počasi pod naklonom 1 : 4 ali manjše. S tem zmanjšamo zarezni učinek ob zvarnem spoju.

V kotnih, vogalnih in križnih spojih se moramo izogibati kopičenju zvarov. Hkrati moramo seveda upoštevati tudi to, da zvar lahko sploh zavarimo, torej da je mesto varjenja dostopno, paziti pa moramo tudi na dolžino zvara. Primer kopičenja zvara oz. konstrukcijska rešitev situacije je prikazana na Sliki 9.

Pri konstruiranju varov moramo upoštevati tudi to, da dajemo prednost polizdelkom, iz katerih so varjenci sestavljeni. Končni izdelek je namreč cenejši, če bo sestavljen iz že predpripravljenih profilov, zavitih pločevin itd., s tem pa se pogosto izognemo tudi dragim obdelavam stičnih površin.