EURÓPAI UNIÓ STRUKTURÁLIS ALAPOK S Z E R K E Z E T - T E C H N O L Ó G I A BMEEOHSAS10 segédlet a BME Építőmérnöki Kar hallgatói részére Az építész- és az építőmérnök képzés szerkezeti és tartalmi fejlesztése HEFOP/2004/3.3.1/0001.01
SZERKEZET-TECHNOLÓGIA BMEEOHSAS10 (oktatási segédlet) Összeállították: Dr. Horváth László Dr. Strobl András Katula Levente Dr. Kristóf László 2007
Hetenkénti tematika I. Acél anyagismeret II. III. IV. Acélszerkezetek viselkedése ismétlődő terhelésre Fáradásvizsgálatok szabványos módszerei Hegesztéstechnológia általános elvek, eljárások V. Bevontelektródás kézi ívhegesztés VI. VII. Védőgázas ívhegesztés technológiája Fedettívű hegesztés VIII. Hegesztési hibák és elkerülésük IX. Keresztirányban terhel lemezek viselkedése X. Korszerű kapcsolóelemek XI. XII. Tervezési hibák Kivitelezési hibák XIII. Csúszó-kúszózsalus technológia XIV. Jet-Grouting eljárás 2
I. Acélszerkezetek viselkedése ismétlődő teherre Bevezetés Az itt leírtak a DIN 15018, DIN 4132, EC3-1-9 szabványokon alapulnak. Általános Köztudott, hogy állandó teherváltozásoknak kitett szerkezeti elemek már alacsonyabb igénybevételek mellett tönkremennek, mint azok, melyek az adott teherszinten csak egyszer terheltek. Az ismételt terhelések következtében az anyagban olyan változások következnek be, melyek az anyag kifáradásához vezetnek. Egy erre utaló vizsgálat általában csak azoknál a szerkezeteknél szükséges, melyek nem kvázistatikusan terheltek, jellemzően pl. vasúti híd, darupályatartó. A Wöhler-kísérlet A legfontosabb élettartamra vonatkozó vizsgálat a Wöhler-kísérlet. (A fáradásra vonatkozó első összefüggéséket 1858-ban Wöhler fogalmazta meg.) A leginkább leggyakrabban - szinuszos terhelésű kísérlet során egy konstans középfeszültség (σ m ) körül a feszültség egy szintén konstans amplitúdóval (σ A ) váltakozik. A Wöhler-kísérletet nevezik egylépcsős kísérletnek is, mert a vizsgált próbatest a törésig egy állandó középfeszültség-szinten (σ m ) terhelt. A szinuszos terhelésű kísérletben általánosan használt jelöléseket az 1 ábra mutatja. σ Δσ σ A σ A σ a σ σ m f σ A Δσ - feszültség alsó szintje - középfeszültség - feszültség felsõ szintje - feszültségamplitúdó - feszültségingadozás σ a teherismétlõdés σ m σ f Δσ = σ - f σ a = σ + σ f σa = = m 2 const. σ σ const. A = f - σ a = 2 2 σ A Idõ 1 ábra Periodikus terhelés Feszültségarány κ és az igénybevétel módja A Wöhler-kísérlet alapját képező arányokat a σ m, σ A és Δσ kívül a κ, σ a, σ f feszültségarányokkal is kifejezhetjük. Ahol κ feszültségarány definíciója: κ = ± σ min / ± σ max ahol σ min = abszolút értékben a legkisebb feszültség σ max = abszolút értékben a legnagyobb feszültség Mindkét értéknél figyelembe kell azonban venni az előjelet, azaz hogy az adott feszültség húzó, vagy nyomó. A feszültségarány (κ) az igénybevétel módjától függően 1 és 1 közötti értékeket vehet fel. - 3 -
Pozitív κ érték mellett lüktető fárasztás, negatív mellett - váltakozó előjelű terhelés - lengő fárasztás lép fel. -1 0 +1 κ lengõ fárasztás lüktetõ fárasztás 2 ábra A feszültségarány definíciója Az ismétlődő terhekből adódó lehetséges igénybevételi módokat a 3 ábra mutatja. σ húzás Idõ σ nyomás 1 2 3 4 5 3 ábra Különböző igénybevételi fajták 1. húzó-lüktető igénybevétel σ f > 0 σ a > 0 0 < κ +1 2. húzó-lüktető igénybevétel σ f > 0 σ a = 0 0 = κ 3. tisztán lengő igénybevétel σ f = - σ a κ = -1 4. nyomó-lüktető igénybevétel σ a = 0 σ f < 0 κ = 0 5. nyomó-lüktető igénybevétel σ f < 0 σ a < 0 0 < κ +1 A Wöhler-görbe Általános Több egylépcsős kísérlet kiértékeléseként megkapható a Wöhler-görbe. A Wöhler-görbéket csoportokba sorolhatjuk. a.) Állandó feszültségarányú Wöhler-görbe Egy választott feszültségarány (κ) kerül betartásra az összes kísérletnél lásd példaként 4 ábra. Az adott feszültségarány mellett a kísérletek során a próbatestek különböző feszültségamplitúdóval (σ A ) terheltek a törésig. σ κ = -1 4 ábra Lengő igénybevétel Idõ - 4 -
A töréshez tartozó ismétlődési számhoz (N) - kritikus teherismétlési szám - a feszültségamplitúdó (σ A ) kerül hozzárendelésre. b.) Állandó középfeszültségű Wöhler-görbe Állandó középfeszültség (σ m ) mellett minden kísérletben azonos a próbatestek különböző feszültségamplitúdóval (σ A ) terheltek a törésig. A kísérlet során a feszültségváltozásokat az 5 ábra szemlélteti. σ σm = állandó 5 ábra Lüktető igénybevétel Idõ c.) Állandó alsó feszültségszintű Wöhler-görbe Állandó alsó feszültség (σ a ) mellett a próbatestek különböző felső feszültségi szinten (σ f ) terheltek a törésig. Egy ilyen jellegű kísérletsorozat Wöhler-görbéjét a 6 ábra szemlélteti. A Wöhler-görbe ábrázolása A Wöhler-görbét szokás szerint az egyik, vagy mindkét tengelyen logaritmikus koordináta rendszerben ábrázolják lásd 8 ábra. σ f y Wöhler-görbe i σ f i = N értékhez tartozó tartamszilárdság σ f i σ a σ f = állandó = változó σ D fáradási szilárdság (a Wöhler-görbe aszimptotája) 0 1 N i N 6 ábra Wöhler-görbe Amennyiben egy szerkezet egy pontjában a lengő igénybevételekből ismételten képlékeny alakváltozások lépnek fel (Δε pl ), akkor ezek N-szeres ismétlődés után a szerkezeti elem fáradttöréséhez vezetnek. A töréshez tartozó N ismétlődési szám annál kisebb, minél nagyobb a kialakuló alakváltozások lengése (Δε). Ám létezik egy olyan alakváltozási küszöb Δε D és vele összetartozó Δσ D -, mely mellett tetszőlegesen sok ismétlődés után sem lép fel törés. - 5 -
A Wöhler-görbék felvételéhez előre megadott igénybevételi módon (pl. κ = állandó) több azonosan kialakított próbatestet terhelnek törésig, illetve egy magadott ismétlődési számig, melynél már nem következik be törés. Ezekből az adatokból a Wöhler-görbéhez az ismétlési számot és feszültségszintet használjuk fel. A 7 ábra állandó feszültségarány (κ = állandó) mellett felvett Wöhler-görbét mutat. 7 ábra Wöhler-görbe LCF = low cycle fatigue, kisciklusú fáradási szilárdság, az ismétlésszám felső határa 10 4, a törés képlékeny folyásként jelentkezik. 10 6-10 7 ismétlésszám közötti tartomány, a Wöhler-görbe legerősebb mértékben eső szakasza, HCF = high cycle fatigue, nagyciklusú fáradási szilárdság, 10 6-10 7 ismétlésszám felett, amely feszültségszinttől kezdődően nem következik be fáradt törés. 8 ábra A fáradási szilárdságok értelmezése az Eurocode 3 szerint - 6 -
A fáradás, fáradttörés kialakulásában a feszültségcsúcsok szerepe jelentős. Ismétlődő terhek vizsgálata kapcsán legtöbbször csak a használati terhek vizsgálata érdekes, hiszen a szerkezeti elem élettartama alatt csak ezeknek a terheknek az ismétlődési száma jelentős. A használati terhekből származó elméleti feszültségek - számítással meghatározható feszültségek - jellemzően még a rugalmas tartományban a folyáshatár (f y ), sőt gyakran az arányossági határ alatt maradnak. Anyaghibák, bemetsződések (bemetsződés alatt a helyi hibákat értjük), lyukak, hegesztési varratok környezetében azonban ez az elméleti feszültség túllépheti a folyáshatárt és helyi az igénybevétel módjától függően képlékeny alakváltozáshoz vezethet. Amennyiben az alakváltozások (Δε) kismértékűek és helyileg kötöttek, úgy azokat közelítésképen rugalmas módszerekkel is meghatározhatjuk, hiszen az őket körülvevő rugalmas anyag terjedésüket meggátolja. A feszültségek tényleges alakulását egy húzott lyukgyengített elemen a 9 ábra mutatja. F σ netto σ max = ασ k n F 9 ábra Feszültségcsúcsok alakulása húzott, lyukgyengített próbatestben Ha az alakváltozások szélső értékei (Δε) rugalmas módszerekkel meghatározhatók, akkor ezekből szintén rugalmas módón meghatározható egy fiktív lengő feszültség Δσ = E Δε. A fáradt törés repedésként ott lép fel, ahol a legnagyobb a fiktív lengő feszültség értéke. Ezt a számított feszültségek ingadozásából Δσ n - a bemetsződések figyelembevétele nélkül - és az α k alaki tényezőből kaphatjuk meg. Δσ = α k Δσ n Δσ n = 1 / α k f(n) Δσ n α k növekvõ σ max f y σ f σ f y D Wöhler-görbe logaritmikus koordináta rendszerben ábrázolva 0 4 7 log N N D log N 10 ábra Az alaki tényezők és a Wöhler-görbék közötti összefüggés - 7 -
A fáradás tartósságra gyakorolt hatása Általános Egy próbatest fáradására a legnagyobb hatással a következő paraméterek vannak: A bemetsződések és hibák mértéke (a szerkezeti elem hibaosztályba sorolása) A feszültségingadozás mértéke Δσ A középfeszültség értéke σ m Sajátfeszültségek A próbatest fáradására hatással vannak még a következő paraméterek: Előterhelés (előidézheti a σ D növekedését) Terhelési frekvencia (csekély hatású) Hőmérséklet (magasabb hőmérsékletnél csökken σ D ) A próbatest vastagsága A hegesztés módja Bemetsződések és hibák hatása - hibaosztály A feszültségek nagysága és eloszlása egy szerkezeti elemben nem csak a terheléstől, a szerkezeti elem keresztmetszeteitől függ. A feszültségek alakulása szempontjából sokkal inkább a keresztmetszetváltozások és bemetsződések hatása a jellemző. Ezek a bevágások jelölik ki a legveszélyeztetettebb kritikus keresztmetszeteket. Hatásukra erős helyi feszültségcsúcsok alakulnak ki, nemritkán térbeli feszültségállapottal. Tulajdonképpen minden keresztmetszetváltás, valamint a hegesztési varratok és csavarkapcsolatok is bemetsződéseknek fáradás szempontjából a feszültségcsúcsok kialakulása miatt különösen veszélyes helynek - tekinthetőek. A legnagyobb feszültségek a bemetsződések mellett alakulnak ki, erre mutat példákat a 11 ábra. F F σ σ F F 11 ábra Feszültségek bemetsződések környezetében Minél erősebb a feszültségfolyam megzavarása a bemetsződés által, annál magasabbak a várható feszültségcsúcsok. A feszültségfolyam megzavarására a 12 ábra mutat példákat. - 8 -
F F F F F F rossz konstrukciós megoldás kedvezõbb konstrukciós megoldás 12 ábra Trajektóriavonalak alakulása húzott elemekben Feszültségcsúcsok kialakulhatnak rossz felületi kialakítás mellett is. Ebben az esetben az egyenetlenségek, vagy kisebb lyukak (hegesztési maradékból, rozsda hatására) kis bemetsződésekként viselkednek. Hegesztett kapcsolatoknál megkülönböztetünk külső és belső hatásokat, melyek a feszültségek lefolyását megváltoztatják. Belső befolyásoló tényezők pl. a varrathiba, zsugorodási repedés a varratban, vagy az alapanyagban, felkeményedés, stb. Külső tényezők pl. a konstrukciós megoldás a varratkialakításra, a varrat és az alapanyag felületi kialakítása varrat megindítása, varratátmenetek, beégési kráterek. Konstrukciós szempontból kedvezőtlen kialakítás Konstrukciós szempontból kedvezőbb kialakítás 13 ábra Hegesztési varratok kialakításai A 13 ábra a hegesztési varrat kialakításának a feszültségfolyam alakulására gyakorolt hatását szemlélteti. A 14 ábra a bemetsződések hatását mutatja be a lengő szilárdságra az anyagminőség függvényében. Jól látható, hogy míg hibamentes (bemetsződés és hegesztési varrat menetes) próbatestnél a fáradási szilárdság a szakítószilárdsággal arányosan nő, addig az anyagminőség javulása bemetsződéseket tartalmazó próbatest esetén a fáradási szilárdságot nem növeli, amely a magasabb anyagminőségű anyagok nagyobb bemetsződés-érzékenységével magyarázható. - 9 -
A modernebb szabványok éppen a fentebb említettek miatt a fáradásvizsgálatot az anyagminőség figyelembevétele nélkül végzik. Magasabb minőségű anyagok alkalmazása magas középfeszültség és nagy telítettségű teherspektrum mellett lehet előnyös. Elérhető feszültségszint 10 6 teherismétlés mellett [N/mm 2 ] Szakítószilárdság [N/mm 2 ] 14 ábra Bemetsződések hatása a lengő szilárdságra a szakítószilárdság függvényében - 10 -
A törés kialakulása Bemetsződésből vagy hibából kiindulva repedések keletkeznek, melyek tovaterjednek (15 ábra). A megmaradt keresztmetszet törése hirtelen, deformációmentesen és előjelzések nélkül következik be. A repedések kialakulásának kezdete általában idejében észlelhető. sima felület...... n i... 2 1 anyaghiba (törés kiindulópontja) a törés terjedése durva felület 15 ábra Kör keresztmetszetű próbatest törési felülete Egy fáradttörés általában felismerhető a törési felületről, amely két egymástól erősen eltérő tartományt mutat. - Egy sima, finom felületű, néha teljesen sík tartományt, a tulajdonképpeni fáradttörést (lásd 15 ábra), ahol a törés fokozatosan alakul ki. Ez a tartomány sokszor a fák évgyűrűjéhez hasonló mintázatot mutat. Ezek a fárasztó igénybevétel pillanatnyi csökkenésétnövekedését mutatják (az ábrán a feszültségcsúcsokat számok jelölik). A zónában általában jól látható a kezdeti hiba is, ahonnan a tönkremenetel megindult. - Miután kialakult a kritikus keresztmetszet, amiben a feszültség már eléri a töréshez szükséges értéket, bekövetkezik a tönkremenetel. Ez a felület durvaszemcsés, ami a hirtelen bekövezett szakadást mutatja. A fáradt törés szempontjából a legveszélyesebb igénybevételi típus a lengő igénybevétel (4 ábra). Mivel ebben az esetben az ismételt igénybevételek előjele ellentétes, így a kialakult maradó alakváltozásokat ismételten le kell győzni és ez egy felerősített képlékenyedéshez vezet. Fáradási diagramok Általános Míg a Wöhler-görbe a fáradási szilárdságot csak egy adott középfeszültséghez (σ m ), vagy alsó feszültséghez (σ a ) adja meg, addig egy fáradási diagramm egy adott anyaghoz adja meg a fáradási szilárdságokat (σ D ) az összes igénybevétel feltételezése mellett egy adott hibaosztályhoz. Az ábrázolásnak az igényektől függően több módja lehet. Smith-diagram Németországban a fáradási diagramok közül a legelterjedtebb a Smith-diagram használata. A diagram - 16 ábra - a középfeszültség (σ m ) függvényében a fáradási szilárdsághoz tartozó felső- és alsó feszültséget is ábrázolja. - 11 -
σ σ fu f y Le húzás σ σ A Lü_h f u = szakítószilárdság fy = folyáshatár σ Lü_h = lüktetoszilárdság húzás σ = lüktetoszilárdság nyomás Lü_ny σ Le = lengoszilárdság σ m σ D (fáradási szilárdság) 45 σ m σ m σ Le σ Lü_ny átmeneti zóna nyomó-lükteto igénybevétel húzó-lükteto igénybevétel 16 ábra Smith-diagram Mivel az igénybevételek hatására a folyáshatáron túl megengedhetetlenül nagy alakváltozások lépnek fel, elfogadott a fáradási diagramokat a folyáshatárnál levágni. A Smith-diagram előnye, hogy egy 5 pontra illesztett poligonvonallal megrajzolható. Ezek a két statikus értéken kívül folyáshatár (f y ) és szakítószilárdság (f u ) a lengőszilárdság (σ Le ), a húzólüktetőszilárdság (σ Lü_h ) és a nyomó-lüktetőszilárdság (σ Lü_ny ). (Ahol a DIN szabvány előírásai a darukra és darupályákra a következőkből indul ki: σ Lü_h = 5 / 3 σ Le, σ Lü_ny = 2 σ Le.) σ húzás f u f y σ Le Δσ σ m σ Le 17 ábra A Smith-diagram nagy hibaosztály mellett - 12 -
Minél erősebb a hibák és a sajátfeszültségek hatása a szerkezetben, annál jobban közelíthető a Smithdiagram két párhuzamos egyenessel. Gyakori, hogy a fáradási szilárdságot a feszültségarány függvényében (κ = ± σ min / ± σ max ) adják meg. Ezt az ábrázolást Jasper-diagramnak hívjuk. σ max fy σ D (fáradási szilárdság) σ Lü σ Le -1 0 +1 18 ábra Jasper-diagram κ = σ min σ max Fáradási diagramként használatosak még a Goodman-diagramok (a fáradási szilárdságot az alsó feszültségek függvényében ábrázolja) és a Haigh-diagramok (a középfeszültség függvényében adja meg a fáradást létrehozó kritikus feszültséglengést) is. A fáradási szilárdságok ábrázolásáról a Halász Ottó, Platthy Pál: Acélszerkezetek c. jegyzet ad jó áttekintést. - 13 -
Üzemi feszültség Általános Az eddigi tárgyalás során egy szerkezeti elem, vagy próbadarab egyenletes állandó igénybevételű fáradási viselkedéséről volt szó. Ennek eredményeként egy speciális igénybevételhez tartozó fáradási szilárdságot kaphatunk meg. A valóságban, ilyen egyenletes, lengő vagy lüktető igénybevétel nem lép fel. Lehetséges lenne egy szerkezeti elemen a vizsgálati időtartam alatt fellépő szélsőértékeket mérni és azokat, mint állandóan hatókat feltételezni, ám ezzel a közelítéssel egy gazdaságos méretezés nem elképzelhető. Pontosabb eredményt ad, ha a különböző nagyságú igénybevételek hatását is figyelembe vesszük. Üzemi feszültség alatt a szerkezeti elemnek a valóságközeli igénybevételekből adódó lengő szilárdságát értjük. Ennek jellemzői: Olyan többé-kevésbé rendszertelen igénybevételek egymásutánja sztochasztikus terhelés -, melyeknek mind nagysága, mind gyakorisága, mind ismétlődése (spektruma) változó. A szélsőértékek melyek a fáradási szilárdságot magasan túllépik ritkán lépnek fel. Felmerül a kérdés, hogyan lehet felvenni és kiértékelni egy ilyen véletlenszerű teherismétlésekből álló spektrumot a szerkezeti elem élettartama szempontjából. Az élettartam meghatározása alapján három megközelítési mód lehetséges: 1.) Egzakt szimuláció, ami azt jelenti, hogy a terhelő berendezés egy korábban mért erő-idődiagramot állít elő. Ez a fajtája a szimulációnak az autó- és repülőgépgyártásban elterjedt, mivel ott a véletlenszerű erő-idő-diagramok nagyszámú kísérlet kiértékelésével egységesítésre kerültek. Egy ilyen egzakt szimulációs kísérlet nagy technikai felkészültséget igényel, mindemellett drága és hosszú ideig tart. 2.) Blokk-kísérlet, ami azt jelenti, hogy korábban mért véletlenszerű erő-idő-diagramokból meghatározott szabályok alapján teherblokkokat állítunk elő. A terhelőberendezés különböző teherszinteken - a meghatározott szabályok alapján - leszámolt teherismétlést hajt végre. Ez a fajta szimuláció pontatlanabb, hiszen a tényleges teherismétlődéseket időben nem követi, ugyanakkor nagy előnye, hogy technikailag egyszerűbb. Időigénye hasonló az egzakt szimulációéhoz és szintén költséges. σ 19 ábra Blokk-kísérlet 3.) Erő-idő-diagramok kiértékeléséből és leszámolásából kialakíthatunk osztályokat, ahol az osztályba sorolás alapja az azonos feszültségamplitúdó (σ A = const). Az osztályok kiértékelése a megfelelő Wöhler-görbékkel és károsodási hipotézisekkel történik. Az élettartam becslésére, előrejelzésre mindhárom felsorolt módszer csak közelítésként használható. A 2. és 3. módszernél fokozott bizonytalanságot okoz a terhelések módja, a megszámlálásuk és az alkalmazott károsodási hipotézis. log N - 14 -
Leszámlálási módszerek A szerkezeten (daru, darupálya) üzemi állapotban végzett nyúlásmérésekből előállítható egy feszültségidő-diagram (20 ábra). σ σ 1 3 7 5 1 2 3 4 5 6 7 t 2 ε 20 ábra Feszültség-idő-diagram 21 ábra Feszültség-alakváltozás-diagram A 21 ábra a feszültség-idő-diagramból levezethető feszültség-alakváltozás-diagramot mutatja. Az ábrán megfigyelhetőek a hiszterézis hurkok, melyekről tapasztalati tények bizonyítják, hogy számuk növekedésével a fáradt törés veszélye növekszik. Ennek magyarázata a kialakuló képlékenyedésekben keresendő. A feladat tehát, olyan jellemzőt keresni, amely egy időben lezajló igénybevételi sorozatot az adott idő alatt fellépő összes hiszterézissel a lehető legteljesebben leír. Erre alkalmasak pl. a Rainflow és a Reservoir-módszerek, melyek közül itt a Reservoir azaz a tározó-módszer (22 ábra) kerül ismertetésre. σ teherciklus 6 4 Δσ 3 3 Δσ 5 5 Δσ 2 4 Δσ 4 Δσ 1 2 t 1 22 ábra A tározó-módszer - 15 -
A tározó-módszer működése : A feszültség-idő-diagramot - egy tározóhoz hasonlatos módón, képzeletben vízzel töltjük fel. A kialakult tározó legmélyebb pontján kieresztjük a vizet és az ott mért teljes vízmagasságot megfeleltetjük egy teljes feszültségingadozásnak Δσ 1 (22 ábra). Ezzel a módszerrel haladva leeresztjük az összes még vizet tartalmazó tározót és meghatározzuk a feszültségingadozásokat Δσ 2,, Δσ i,, Δσ n. Látható, hogy ez a leszámolási metódus csak a Δσ nagyságára érzékeny, így csak a relatív feszültségingadozásokat detektálja. Nem kerül figyelembe vételre sem az alsó, sem a felső, sem a középfeszültség szintje (Δσ a, Δσ f, Δσ m ). Darukon végzett kísérletek adataira támaszkodva - pl. tározó módszerrel kiértékelve - megállapították, hogy a Δσ i feszültségingadozás eloszlása közelítőleg a normáleloszlásét követi (23 ábra). σ Δσ t f (Δσ) 23 ábra A Δσ i feszültségingadozás előfordulási gyakorisága Az ábrából jól látszik, hogy egy bizonyos Δσ i előfordulásának a gyakorisága a legnagyobb, míg ennél kisebb és nagyobb ingadozások kevesebbszer alakulnak ki. A feszültségspektrum, definíciója szerint, egy határérték túllépési gyakoriságának eloszlását jelenti, azaz annak valószínűségét, hogy egy bizonyos érték elérésre, vagy túllépésre kerül-e. A matematikában megszokottól eltérően az ábrázolás felcserélt koordinátatengelyeken történik, valamint a túllépések logaritmikusan ábrázoltak (24 ábra). - 16 -
túllépési gyakoriság Hü hibaosztály hibaosztály a.) a matematikai statisztikában szokásos megjelenítés túllépési gyakoriság log Hü b.) az üzemi feszültségek ábrázolásához használatos ábrázolás 24 ábra Túllépési gyakoriságok ábrázolása A fentebb vázolt megfontolások alapján a feszültségspektrum a feszültség-idő-diagramból levezethető. Amennyiiben az egyes feszültségingadozásokat (Δσ) feszültségi lépcsőkbe gyűjtjük és azokat nagyság szerint sorba rendezzük, akkor N azoknak a feszültségingadozásoknak a számát adja meg, melyeknél Δσ-t meghaladó, vagy vele éppen megegyező feszültségingadozások léptek fel (túllépési gyakoriság). Δσ Δσ max Δσi Δσ n i N Nmax N 25 ábra Túllépési gyakoriság - 17 -
Normáleloszlást feltételezve és N logaritmusát ábrázolva a 26 ábrának megfelelő görbéket kapunk. A DIN 4132 előre megfogalmaz üzemi csoportokat, melyek az egylépcsős és a Gauss-eloszlást követő feszültségingadozásokból vezethetők le. A 26 ábra S 3 üzemi csoport az egylépcsős, az S 0 pedig a Gauss-eloszlást követő feszültségingadozásnak megfelelő csoportot mutatja be, míg az S 1 és S 2 a két előbb említett csoport valamilyen összegzéséből vezethető le. Δσ Δσ max S 3 p = 1 S 2 S p = 2/3 1 S 0 p = 1/3 1 p = 0 log N log N 26 ábra Spektrumot leíró érték (p) és üzemi csoport (S) max Egy üzemi feszültség meghatározásához feszültségspektrumok szükségesek. A terhelések leírására teherspektrumok szolgálnak. Egy feszültségspektrum a teherspektrum ismeretében, abból számítható. Egy spektrumot jelentősen befolyásoló paraméterek: a spektrum lefutása, telítettsége (a spektrumot leíró érték p) a spektrum nagysága (a teherismétlések száma N max ) a spektrum legnagyobb és legkisebb értéke (pl. Δσ max, Δσ min ) A spektrumot leíró érték p = 1 tehát egy daru esetén azt jelenti, hogy a daru csak a teljes teherbírásán terhelt. Ez megfelelne egy Wöhler-görbének. A spektrumok egy időbeni diagramhoz képest nem szolgáltatnak adatot: a feszültségek tényleges amplitúdójáról és időbeni egymásutániságáról, az egyes feszültségingadozások középértékéről, a frekvenciáról. Károsodási hipotézis Egy károsodási hipotézis segítségével lehetséges állandó feszültségingadozás (Δσ) ill. amplitúdó (σ Α ) mellett meghatározott feszültségadatokból (Wöhler-görbe) élettartambecslést adni váltakozó feszültségamplitúdójú esetben is. A ma ismert károsodási hipotézisek többsége igen bonyolult. Emellett kijelenthető, hogy egyetlen olyan károsodási hipotézis sem ismert, amely kísérletileg jól igazolt volna. Ezért a gyakorlatban általában a legegyszerűbben használható hipotézis alkalmazása terjedt el. Egy egyszerű - lineáris - károsodás feltételezése adja a legegyszerűbb károsodási hipotézist a lineáris károsodási hipotézist (Palmgren-Miner-féle károsodási hipotézis). E szerint a károsodások és a teherciklusok között egy lineáris összefüggés tételezhető fel, azaz a károsodás mértéke egyenes arányban növekszik a teherismétlések számával. Többlépcsős terhelésnél az egyes amplitúdókhoz - 18 -
növekszik a teherismétlések számával. Többlépcsős terhelésnél az egyes amplitúdókhoz különböző mértékű részkárosodások tartoznak, melyek lineárisan összegezhetők. A károsodás, amit egy teherciklus okoz 1 / N i, ahol N i a Δσ i feszültségingadozás tartozó kritikus ciklusszám egy egylépcsős (Wöhler) vizsgálatban. A részkárosodás tehát egy adott fefszültségszinten n i_ / N i, ahol n i az adott feszültségszinten ténylegesen végrehajtott terhelési ciklusok száma. Definíció szerint a törés (teljes károsodás) akkor lép fel, ha a különböző feszültségszinteken meghatározott részkárosodások összege eléri az 1-et. Δσ Z Δσ 1 n 1 Wöhler-görbe (σ m const, Δσ Z σ a = const, σ f = változó) Δσ 2 Δσ i n 2 n i n 1 n 2 + N N 2 1 +... + ni n +... = i 1 N i N i fáradási szilárdság N 1 N 2 N i N 27 ábra Lineáris károsodási hipotézis A hipotézis alkalmazási határai a következők: nem léphetnek fel felkeményedések, a repedés kialakulását a károsodás kialakulásának tekintjük, az igénybevételeknek a fáradási szilárdságot meghaladóknak kell lenniük, a középfeszültség legyen a lehetőségek szerint konstans. Sokszor a lineáris károsodási hipotézis - egyszerűsége miatt - olyan esetekben is alkalmazásra kerül, amikor a fentebb felsorolt követelmények nem teljesülnek. Ilyen esetekben a szolgáltatott eredmények pontossága nem kielégítő. Látható, hogy a lineáris károsodási hipotézis nem veszi figyelembe a feszültségingadozások időbeli lefolyását. Így abban az esetben, ha egy, vagy több nagyobb feszültségingadozást követően a kisebb feszültségingadozások már egy helyi károsodásokkal terhelt esetlegesen mikrorepedéseket is tartalmazó területen hatnak, a kisebb feszültségingadozások már töréshez vezethetnek. Azonban ugyanezen feszültségingadozások ez előbb feltételezettel ellentétes időbeli lefolyása esetén a károsodás mértéke lényegesen kisebbre adódik. Mindezen túlmenően például, ha a középfeszültség nem állandó (σ m const), a lineáris károsodási hipotézis olyan nagymértékben tér el a biztonságostól, hogy alkalmazásával még egy közelítő élettartambecslés sem megengedhető. - 19 -
A teljes élettartambecslés végrehajtását lineáris károsodási hipotézissel a 28 ábra mutatja be. 1.) Teherismétlődés Tipikus terhek, melyek a vizsgált időtartamon belül n- szer fordulnak elő. 2.) Feszültség-idő-diagramm (összegzett) 3.) Leszámlálás pl. tározó módszerrel 4.) Feszültségingadozási spektrumok 5.) A feszültségingadozások száma a törésig 6.) Lineáris károsodási hipotézis 28 ábra Károsodások számítása lineáris hipotézissel - 20 -
II. Fáradásvizsgálatok szabványos módszerei Megengedett feszültségek meghatározása a daru és darupálya szabványokban Általános A korábban leírtak szerint St37-es (S235) és St52-es (S355) anyagú acélszerkezetek feszültségeit, ellenállását ismétlődő üzemi igénybevételekkel szemben ábrázolhatjuk: - a szerkezetre jellemző hibaosztály besorolása szerint, - a feszültségarány (κ = σ min / σ max ) szerint, - a kritikus teherismétlődési szám (N) szerint és - a teherspektrum formája alapján. Az üzemi feszültség tehát felírható: σ ü = f(hibaosztály, κ, max N, p) Az üzemi teher értékét befolyásoló paramétereket a következőképen csoportosíthatjuk: σ ü = f 1 (hibaosztály, κ) f 2 (max N, p) Ahol f 1 a fáradási szilárdság értékét adja meg N = 2 10 6, p = 1 mellett, a hibák és a feszültségarány figyelembevételével. Az f 2 az átmenetet adja meg a fáradási szilárdság (max N függvényében) és az üzemi feszültséghez (p függvényében). Hibaosztály szerinti besorolás A DIN 15018 (Daruk), és a DIN 4132 (Darupályatartók) szabványok széleskörűen tartalmazzák a szerkezeti elemeket és azok besorolását hibák és bemetsződések szerint. A hibák és bemetsződések hatását két csoportra oszthatjuk. Az első csoport a hegesztési varratok hatásától mentes elemeket tartalmazza: szerkezeti elemek, melyek hengerelt széllel rendelkeznek W0 lyukasztott elemek W1 szerkezeti elemek, melyek szegecseltek, vagy illesztőcsavarral kapcsoltak W2 A második csoportba tarozik minden olyan szerkezeti elem, amelynél a feszültségfolyamot a hegesztési varrat, vagy varratok hatása megzavarja. Igénybevételi csoportokba sorolás A DIN 15018 a darukat 6 igénybevételi csoportba sorolja be B1-től B6-ig. A feszültségspektrumba (p) történő besorolást követően amely az igénybevételek intenzitását adja meg a vizsgált időszakban lehetséges az 1 táblázat szerint az igénybevételi csoportba sorolás. 1 táblázat Feszültségtartomány N1 N2 N3 N4 A teljesíteni kívánt teherciklusok száma 2 10 4 2 10 5 ritka, rendszertelen használat, hosszú kihagyásokkal 2 10 5 6 10 5 rendszeres használat szünetekkel 6 10 5 2 10 6 rendszeres, folyamatos használat < 2 10 6 rendszeres, folyamatos, erőteljes használat Feszültségspektrum Igénybevételi csoport S0 nagyon könnyű B1 B2 B3 B4 S1 könnyű B2 B3 B4 B5 S2 közepes B3 B4 B5 B6 S3 nehéz B4 B5 B6 B6-21 -
A fáradásra vonatkozó Eurocode szabvány érvényességi- és alkalmazási feltételei Az Eurocode 3 szabvány eljárásai a következőkben térnek el a korábbi szabványoktól (pl. DIN 15018 és a DIN 4132): A feszültség felső értéke (σ f,τ f ) helyett a feszültségingadozást (Δσ, Δτ) veszi figyelembe. Állandó feszültségingadozást tételez fel függetlenül a középfeszültségtől (σ m ), ill. feszültségaránytól (κ). Nem tesz különbséget az alkalmazott anyagminőségek között (S235, S355). Az 1993-1-9 (Fatigue) szabványnak a követezők az alkalmazási határai: A kisciklusú fáradási szilárdság (LCF) bekövetkeztével szembeni követelmények: Δσ 1.5 f y hosszirányú feszültségingadozás gyakori teherből Δτ 1.5 f y / 3 0,5 nyírási feszültségek ingadozás gyakori teherre N 10 4 a teherismétlések száma Felhasználás normál hőmérsékleti viszonyok között T +150 C. A korrózió hatása megfelelő korrózióvédelemmel és karbantartással korlátozott. A kivitelezés megfelel az EN 1090-ben írottaknak. A felhasznált anyagok minősége megfelel az előírásoknak pl. ENV 1993-1-1. Üzemi feszültségek vizsgálata az Eurocode 3 szerint Az Eurocode 3 (a továbbiakban EC3) szerinti vizsgálat célja, hogy az élettartam alatt, egy elfogadható biztonsági szint mellett, a szerkezeti elem tönkremenetelét fáradásból kifolyólag kizárja. Az EC3 abból indul ki, hogy általában fáradásból kialakuló törés nem lép fel, csak az alább felsorolt esetekben: szerkezeti elemek, melyeket emelő és süllyesztő terhek, vagy mozgó terhek terhelnek (pl. daruteher) szerkezeti elemek, melyeket változó igénybevételek terhelnek (pl. rezgő gépek üzeméből) szerkezeti elemek, melyeket erőhatások rezgésbe hoznak (pl. szél, vagy emberi terhek) Amennyiben a fentebb felsorolt szerkezeti elemek a következőkben megadott követelmények valamelyikének megfelelnek, úgy a fáradásvizsgálatot nem szükséges elvégezni: a feszültségingadozás mértéke (Δσ) a mértékadó teherre kisebb egy maghatározott határértéknél, vagy a teherismétlések száma (N) kisebb egy határértéknél, vagy állandó feszültségingadozás mellett Δσ kisebb a szerkezeti elemre mértékadó Wöhlergörbe fáradási szilárdságnál σ D. Ha azonban a szerkezeti elemre a fentebb felsorolt követelmények egyike sem igaz, úgy egy üzemi feszültség vizsgálatot kell elvégezni. Ehhez az EC3 a névleges feszültségek elméletét használja. Az elmélet alapján az igazolni kívánt pontban (pl. hegesztési varrat környezetében) teljesen rugalmas módszerekkel kiszámításra kerülnek a feszültségek egy y szoros teherrel. Az EC3 aktuális verziójában ez az érték y = 1.0, azaz a névleges feszültség a használati terhekből kerül kiszámításra. A névleges feszültség, mint fogalom, továbbra is azt jelenti, hogy a feszültségcsúcsok nincsenek figyelembe véve - pl. a lyukgyengítés, vagy hegesztés környezetében. Ez nem is szükséges, mert a feszültségcsúcsok hatását már a Wöhler-görbék - a hibaosztályokon keresztül - tartalmazzák. A szabálytalan ismétlődésű terhelésekből származó névleges feszültségek meghatározása után egy alkalmas leszámlálási metódussal (pl. tározó-módszer segítségével) meg kell számolni a meghatározott - 22 -
névleges feszültségingadozások számosságát. Egy alkalmas károsodási hipotézis (pl. lineáris károsodási hipotézis) segítségével a megfelelő Wöhler-görbével a vizsgálat elvégezhető. A lényegét tekintve az EC3 méretezési módszere megegyezik a DIN 15018 és DIN 4132 szabványokéval. Alternatívaként a vizsgálatot egy állandó Δσ mellett is el lehet végezni, amelyik N teherismétlés után azonos károsodáshoz vezet, mint a szabálytalan teherismétlődések, amennyiben ez az ekvivalens feszültségingadozás (Δσ) ismert. A fáradási szilárdság hasonlóan a DIN 15018-hoz különböző hibaosztályhoz tartozó Wöhler-görbék által meghatározott. A hibaosztályokat az EC3 részletosztálynak hívja. Ilyen részletosztályok adottak normál- és nyíróigénybevételekre, valamint hegesztett és csavarozott részszerkezetekre. A hibaosztályhoz tartozó Wöhler-görbéket reprezentatív kísérletek sorával állapították meg a következő paraméterek vizsgálata mellett: a konstrukcióból adódó a hibaosztályhoz (részletosztály) tartozó feszültségkoncentráció, a hegesztés miatti lokális feszültségkoncentráció, hegesztési imperfekciók, a feszültségek és lehetséges repedési helyek iránya, hegesztési sajátfeszültségek és hegesztőeljárás, anyagszerkezeti adottságok. Feszültségingadozás Δσ [N/mm 2 ] Élettartam, a feszültségingadozások száma N 1 = ΔσC részletosztály (hibaosztály) 2 = ΔσD fáradási szilárdság 3 = ΔσL a fáradási szilárdság határértéke 29 ábra Különböző részletosztályú Wöhler-görbék az EC3 szerint normálfeszültségekre - 23 -
Az egyes részletosztályok 36-tól 160-ig vannak számozva az EC3-ban. Ez a számozás a 2 10 6 teherismétléshez tartozó Δσ feszültségingadozás N/mm 2 -ben kifejezett értékével egyezik meg. Vagyis például a 71 részletosztály jelentése Δσ(2 10 6 ) = 71 N/mm 2. Nyírási feszültségingadozás Δτ [N/mm 2 ] Élettartam, a feszültségingadozások száma N 1 = ΔτC részletosztály (hibaosztály) 2 = ΔτL a fáradási szilárdság határértéke 30 ábra Különböző részletosztályú Wöhler-görbék az EC3 szerint nyírófeszültségekre - 24 -
Fáradásvizsgálat az EC Part 1.9: Fatigue, pren 1993-1-9:2003 17. May 2003 szerint Teherismétlődés Tipikus terhek, melyek a vizsgált időtartamon belül n-szer fordulnak elő. Lehetőség van a tényleges erő-idő lefolyás közelítésére tapasztalatok alapján felvett terhelési szituációkkal mindaddig, amíg ezek minden teherciklusban és a teljes használati időtartam alatt egy konzervatív közelítést adnak. A részletosztályra vonatkozó öszszegzett feszültség-idő-diagramm. A feszültségingadozások leszámlálása pl. tározó módszerrel. A meghatározott/leszámlált feszültségingadozásokból előállítható a feszültségspektrum. A feszültségingadozások száma a törésig Lineáris károsodási hipotézis 31 ábra Fáradásvizsgálat az EC3 Part 1.9 szerint - 25 -
A károsodási hipotézis képlete: D d = Σ n Ei / N Ri Ahol n Ei = Δσ i γ Ff Δσ i = a mért, tényleges feszültségingadozás γ Ff = az ekvivalens károsodáshoz tartozó biztonsági tényező ΔN Ri = Δσ D / γ Mf Δσ D = a fáradási szilárdság értéke 2*10 6 teherismétlődési számhoz γ Mf = a fáradási szilárdsághoz (Δσ D ) tartozó biztonsági tényező A fáradásvizsgálat szempontjából a szerkezet megfelel, ha D d 1.0 A D d vel megegyező károsodást előidéző un. ekvivalens feszültségspektrum alkalmazása is megengedett. Ez az ekvivalens spektrum tartozhat egy konstans feszültségingadozáshoz, melyet egy állandó fárasztó teher (Q e ) okoz. További egyszerűsítést jelent, ha a választott állandó fárasztó teher (Q E,2 ) teherismétlési száma pontosan 2*10 6. Ebben az esetben a következőket kell kimutatni: Δσ E,2 *γ Ff (D d ) 1/m * Δσ D / γ Mf n E2 (D d ) 1/m * N Ri Ahol γ Ff = az ekvivalens károsodáshoz tartozó biztonsági tényező Δσ E,2 = 2*10 6 ismétlődési számú ekvivalens károsodást okozó feszültségingadozás m = a fáradási görbe meredeksége Δσ D = a fáradási szilárdság értéke 2*10 6 teherismétlődési számhoz = a fáradási szilárdsághoz (Δσ D ) tartozó biztonsági tényező γ Mf - 26 -
III. Anyagismeret Tartalom: Acél szennyezői, ötvözői Szerkezeti acélok fajtái, összetétele, hegeszthetőségük Acélanyag kiválasztása mintapélda 1., Acélok szennyezői: Oxigén O: csökkenti szilárdságot, nyúlást, növeli a melegrepedési hajlamot. Dezoxidálás Mn, Si, Al. Nitrogén N: növeli szilárdságot, csökkenti szívósságot, növeli az öregedési hajlamot. Denitrálás Al, Ti, Nb. Hidrogén H: folyékony acélban jól oldódik, elridegít, hidegrepedési hajlamot növeli. Kén S: képlékenységet és korrózióállóságot csökkent, melegrepedési hajlamot növeli. S<0,03% legyen. Keresztirányú nyúlóképességet csökkenti. Réz Cu: növeli szilárdságot és korrózióállóságot, vöröstörékenységi hajlamot növeli. Cu<0,2% legyen. 2. Acélok ötvözői: Szilícium Si: Dezoxidáló, növeli szilárdságot, csökkenti nyúlást és hidegalakíthatóságot. Alumínium Al: ferritképző, dezoxidáló, szemcsefinomító. Csökkenti az öregedési hajlamot. Mangán Mn: növeli szilárdságot, ausztenitképző, leköti S-t. Nikkel Ni: növeli folyáshatárt, szívósságot javít. Foszfor P: növeli a szilárdságot, de ridegít. Króm Cr, Vanádium V, Titán Ti 3., Acélok jelölésrendszere: MSZ EN 10027-1 szerint S + folyáshatár [MPa] + kiegészítő jelek + (C / W) t < 16 mm szívósságra utal speciális tulajdonság MSZ EN 10027-2 szerint Anyagszám Pl. 1.0037 = S235JR - 27-
MSZ EN 10025-2:2005 ötvözetlen acélok MSZ EN 10025-1993 S355 J2 G3 Szilárdsági osztályok 235,275,355 Szívósság Utókezelés: dezoxidáció módja: FN csillapítatlan acél nem lehet (JR, J0) FF teljesen csillapított acél (J2) szállítási feltételek: +AR (+N) Csillapítatlan acélok Cmax = 0,25%, Mn = 0,2 0,4% van CO! Csillapított acélok Si=0,1 0,4% leköti az O-t Mn = 0,2 0,6% Különlegesen csillapított acélok Si=0,1 0,4% Mn = 0,2 0,6% Al > 0,02% leköti az O-t és N-t, öregedésálló és finomszemcsés lesz Ötvözetlen acélok összetétele BS (Basic Steel) C > 0,1 % S és P <0,045% egyéb: Mn és Si JR jelöléssel QS (Quality Steel) JO és J2 jelöléssel C < 0,2% Si < 0,55% Mn < 1,4 1,6% - 28-
Összetétel adagpróba alapján Összetétel termékpróba alapján - 29-
MSZ EN 10025-3:2005 Finomszemcsés acél, normalizáló hengerléssel előállítva MSZ EN 10113-2 Szilárdsági osztályok 275,355, 420,460 Szívósság Példa: S 355 NL Összetétel: C 0,2% Mn = 0,5-1,8% Cr 0,3% Ni 0,3-0,8% Mo 0,1% Cu 0,7% + mikroötvözők Al, V, Nb, Ti, Zr, N, Ce, Ta, Ca, La, Y, B Normalizáló hengerlés: finom szemcseszerkezet az újrakristályosodási hőmérsékleten végzett készrehengerléssel MSZ EN 10025-4:2005 Finomszemcsés acél, termomechanikus hengerléssel előállítva MSZ EN 10113-3 Szilárdsági osztályok 275,355, 420,460 Szívósság Példa: S 355 ML - 30-
Összetétel: C 0,13-0,16% Mn = 1-1,8% Cr + Mo + Cu 0,6% + mikroötvözők Nb 0,03-0,05 % Termomechanikus hengerlés: rendkívül finom szemcseszerkezet az újrakristályosodás megakadályozásával, gyors hűtéssel -> max. 580 C-ra melegíthető, tartósan e felett elveszti kedvező tulajdonságait! Összetétel szabvány szerint, adagpróba alapján: Összetétel Dillinger Hütte beslő szabványa alapján (DiMc420) Melyik is a szigorúbb??? 4., Anyagösszetétel megállapítása Megrendelés műbizonylat kérésével Utólagos vizsgálat kivett próbán Bizonylatolás: EN 10204 szerint - 31-
5., Acélok hegeszthetősége Minden acél hegeszthető!!! Csak az a kérdés, hogyan? Megfelelő hegesztéstechnológiával! Előkészítés, előmelegítés Hegesztési eljárás, sorrendterv, hőbevitel Utókezelés lehűlési sebesség kontrollja Szén és egyéb ötvözők mennyisége Szénegyenérték (IIW ajánlás) CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Cu+Ni)/15 Lemezvastagság, hőbevitel, CE alapján -> szükség esetén előmelegítés CE 0,45 % nem kell előmelegíteni CE 0,45 0,6 % 100-250 C CE > 0,6 % 250 350 C nem kell előmelegíteni t 20 mm -ig A hidegrepedés elkerülése a felkeményedés korlátozásával Hőhatásövezet max. keménysége 300-350 HV Lehűlési idő 850-500 C között > kritikus idő Megfelelő lehűlési folyamat kialakítása: ne legyen se túl gyors se túl lassú M : termomechanikus acél N: normalizáló hengerléssel - 32-
IV. Hegesztés általános elvek, hegesztési eljárások 1., A hegesztés: Kohéziós kapcsolat Nem oldható természetes, anyagszerű, folytonos Technológiailag igényes 2., A hegesztési eljárások csoportosítása: 2.1 Ömlesztőhegesztések: - 33 -
2.2 Sajtoló hegesztések: - 34 -
3., Elektromos ívhegesztések 3.1 Az elektromos ív: 3.2 Az ív statikus (terhelés alatti) jelleggörbéje: - 35 -
3.3 Az áramforrás és az ív statikus üzeme: 3.4 Az ívstabilitás feltétele: - 36 -
3.5 Ívhegesztés változatai - 37 -
- 38 -
V. Hegesztéstechnológia - Bevontelektródás kézi ívhegesztés 1., Bevontelektródás kézi ívhegesztés elve: 2., Kézi ívhegesztés fázisai: - 39 -
3., Anyagátmenetre ható erők lefele hegesztésnél 4., Anyagátmenetre ható erők fejfeletti hegesztésnél - 40 -
5., Pinch-effektus 6., Hegesztő elektródák bevonatának feladatai Védőatmoszféra létesítése (ömledékvédelem) Ívstabilitás biztosítása, ívgyújtás segítése Varratfém dezoxidálás, denitrálás, ötvözés Salakképzés Hűlési sebesség csökkentésére, beedződés ellen Varratvédelem, felületalakítás Szennyezők eltávolítása az ömledékből Kihozatalnövelés (vasporral) 7., Bevonattípusok: 7.1 Bázikus bevonat B kalciumkarbonát, folypát,ferroötvözetek Érzékeny a nedvességre, kiszárítani (2-10 h)! Fordított polaritású egyenárammal Finomszemcsés, szívós varratot képez ->fáradásérzékeny szerkezetekhez ajánlott! Csekély beolvadás -> kis hézag (2 mm) Kis hegesztési sebesség kell Nagycseppes anyagátmenet fröcskölés - 41 -
7.2 Rutilos bevonat R Rutil (Ti0 2 ),karbonátok,szilikátok,ferromangán Egyenáram egyenes polaritás vagy váltóáram Nem érzékeny ívhosszra, jól gyújt, jó résáthidaló Gyökhegesztésre, kényszerhelyzetben hegesztésre is kiválóan alkalmazható Egyszerűen lehet vele hegeszteni, nem fröcsköl (finomcseppes anyagátmenet 7.3 Rutilos vastag bevonat RR Mint sima R, csak vastag bevonattal (1,6xd) Kiváló ívgyújtás Finom varratfelület Magas kihozatal (180-210%)- ekkor vízszintes helyzetben 7.4 Cellulóz bevonat C Fő alkotói ua. mint R, ezeken kívül 15-30% szerves anyagot (cellulóz, faliszt, dextrin) tartalmaz Nedvszívó bevonat Mélybeolvadású, kevés salak képződik Bármely helyzetben használható Csővezetékekhez előnyös, elsősorban ott használják 7.5 Egyéb bevonatok Savas A vasoxid, mangánoxid, szilikátok Rutil-cellulóz RC függőlegesen felülről lefelé hegesztésre is jó Rutil-bázikus RB Kettős, vastag bevonatú elektródák 7.6 Bevonattípusok összehasonlítása - 42 -
7.7 Bevont elektródák szabványos jelölése MSZ EN 499-98 - 43 -
8. Hegesztő áramforrások: Egyen- vagy/és váltakozó áramot adnak Elektromos hálózatról vagy más (saját) meghajtással működnek Terhelhetőség: áramerősségtől függ 1 ciklus = 10 perc X : bekapcsolási idő (%) X = 35 I=300 hegesztési idő = 3,5 perc szünet=6,5 perc X = 60 I=250 hegesztési idő = 6 perc szünet = 4 perc 9. Hegesztési paraméterek kézi ívhegesztésnél: elektróda maghuzal átmérő: d e =1,5-6 mm áramerősség: I = 30-500 A (I =(30...60)d e [A]) ívfeszültség: U = 20-50 V (U = 0,04 I + 20 [V]) hegesztési sebesség: v heg = 80-200 mm/min Egy elektródával hegeszthető varrathossz: L ki = 100-400 mm 10. Kézi ívhegesztés értékelése: Előnyök: Legolcsóbb berendezések, egyszerű telepítés, nagy mozgékonyság, csekély karbantartási költségek Erősen ötvözött anyagok is hegeszthetők vele Kényszerhelyzetben is lehet vele hegeszteni Igényes kialakítású varratokat is létre lehet hozni Eltérő vastagságú lemezek is összehegeszthetők Hátrányok: Rossz energiahasznosítás (hőveszteség cca. 60%) Kis teljesítmény Minőség erősen függ a hegesztő személyétől - 44 -
VI. Hegesztéstechnológia Védőgázas ívhegesztések 1., Védőgázas ívhegesztési eljárások csoportosítása 2., Fogyóelektródás ívhegesztések 2.1 alapelv: - 45 -
2.2 Fogyóelektródás ívhegesztő berendezés és részei: 2.3 Anyagátmenetek típusai védőgázas ívhegesztéseknél: - 46 -
Rövid ívű hegesztés (merített ív) anyagátmenet fázisai: Anyagátmenetek összehasonlítása: - 47 -
Sugárszerű anyagátvitel jellemzői: Nagyon stabil ív, állandó U és I Fröcskölésmentes Nagy hegfürdő csak vízszintes hegesztés! Cseppek átmérője 1-2 mm Ható erők: Pinch-effektus 2 ionok becsapódása 1 felületi feszültség 1 2.4 Védőgázas hegesztőberendezésekben alkalmazott belső vezérlés elve: - 48 -
Belső vezérlés működése: V L = f(i) - 49 -
2.5 Hegesztőhuzalok jelölése MSZ EN 440 2.6 Fogyóelektródás ívhegesztés értékelése: Előnyei: Folyamatos hegesztés Nincs salakeltávolítás Jól gépesíthető, automatizálható Nagy leolvadási teljesítmény Egyenletes minőség Hátrányok: Drágább berendezés, kevésbé hordozható Szél- és huzatérzékeny - 50 -
3., Wolframelektródás ívhegesztések: 3.1 AWI hegesztés elve: 3.2 Polaritás szerepe acél és alumínium AWI hegesztésénél: - 51 -
3.3 Plazmahegesztés és AWI hegesztés összehasonlítása: 4., Védőgázas hegesztések alkalmazási területei: Fogyóelektródás ívhegesztés CO2 védőgáz: ötvözetlen és gyengén ötvözött acélok, üzemi hőmérséklet 0 ºC Keverékgáz: acélszerkezetek, üzemi hőmérséklet -20 ºC Porbeles: üzemi hőmérséklet -60 ºC, huzatos környezet AWI: alumínium- illetve színesfémek hegesztése, korracél, kiemelkedő minőségi igény esetén acél Plazma: elsősorban vágásra - 52 -
VII. Hegesztéstechnológia Fedettívű ívhegesztés 1., Fedettívű ívhegesztő berendezés vázlata: 2, Fedettívű hegesztés ívkavernája: 3., Fedettívű berendezés vezérlése: külső vezérlés a feszültségváltozást érzékelik az előtolási sebességet változtatja az automatika - 53 -
4. Fedettívű hegesztés varratképzése: - 54 -
5., Varratstruktúra: 6., Fedettívű hegesztésnél alkalmazható fedőpor-huzal-kombinációk: A megfelelő vegyi összetételt (Si, Mn-tartalom, dezoxidálás, denitrálás, kéntelenítés) a megfelelő fedőpor-huzal-kombináció biztosítja. - 55 -
7., Fedettívű hegesztés jellemző paraméterei: 8., Hegesztési teljesítmények összehasonlítása a különböző eljárásoknál: 1 m varrat elkészítéséhez szükséges hegesztési idő: tompavarrat sarokvarrat 9. Fedettívű hegesztés értékelése: Előnyei: Rendkívül nagy teljesítmény, mély beolvadás Nagy anyagvastagsághoz alkalmazható Teljesen automatizált eljárás Kis hőveszteséggel dolgozik Hátrányok Csak fekvő helyzetű varratokra Korlátozott helyszíni alkalmazhatóság - 56 -
VIII.Hegesztési hibák és elkerülésük - 57 -
- 58 -
- 59 -
- 60 -
IX. Keresztirányban igénybevett acéllemezek viselkedése 1., Hol is vannak ily módon terhelt lemezek? 2., Tönkremeneteli lehetőségek: Felszakadnak a zárványok - terhelés hatására Réteges tépődés - gyártáskor 3., Zárványok 3.1 felderítés módszerei Ultrahangos vizsgálattal MSZ EN 10160:2001 szerint vizsgálni SEL 072:1977 szerint hibák mérete és gyakorisága kötött peremzónák ellenőrizve Tab. 2. szerint felületi ellenőrzés Tab.1. szerint teljes ellenőrzés Tab.3. szerint Általában 3. osztályt követelnek meg - 61 -
3.1 Zárványfelderítés: Gyártóművi ellenőrzés gazdaságosabb Vastag lemezeket feltérképezni Kritikus elemeket zárványmentes helyekről kivágni Dinamikusan terhelt szerkezet, keresztben igénybevett lemez, t >10 mm -> ellenőrizni kell! 4., Réteges tépődés jelensége: Lamellar tearing, Lamellenbruch, Terassenbruch Törési felület lépcsős, teraszos 4.1 Réteges tépődés kialakulása: Oka: a hegesztési zsugorodások által megkövetelt keresztirányú képlékeny alakváltozóképesség hiánya - 62 -
4.2 Réteges tépődés elkerülési lehetőségei: Alkalmas konstrukciós kialakítás Megfelelő gyártástechnológia Kellő keresztirányú alakváltozó képességgel rendelkező acélanyag Tervező és gyártástechnológus együttműködése kell! Megfelelő varratformák: Nagy csatlakozó felület, kis varratkeresztmetszet Csak a feltétlenül szükséges varratmennyiség Kevés rétegben hegeszthető varratok legyenek Szimmetrikus elrendezés, kétoldali varratok Helyi kiegyenlítődés lehetősége Megfelelő varratkiképzés: A varratot és hézagot úgy képezzük ki, hogy az igénybevétel lehetőleg ne legyen merőleges a felületre! Teljes keresztmetszetű varratok legyenek - 63 -
Megfelelő varratelhelyezés: A varrat ne kerüljön az elem szélére, kellő perem-távolságol hagyjunk! Megfelelő hegesztéstechnológia: A lehető legkisebb hőbevitellel hegesszünk Jó alakváltozóképességű hozanyag Előmelegítés 100-200 C közötti értékre rendkívül jó hatású Lassú lehűtés, 200 C-on tartás elősegíti a képlékeny alakváltozások kialakulását, csökkenti a zsugorodást. Megfelelő acélanyag kiválasztása: Szabályzati előírások szerint kiválasztás DASt Ri-014:1981 DDR B3:1990 MSZ EN 1993-1-10 Megrendelés: MSZ EN 10164 szerinti Felületükre merőleges irányban javított alakítási tulajdonságokkal rendelkező acéltermékek közül - 64 -
X. Korszerű kapcsolóelemek- feszített csavarok Történeti áttekintés Nagyszilárdságú feszített csavarok (NF) alkalmazásáról az első utalás 1934-ből található az angol Acélszerkezeti Társaság egyik beszámolójában, amelyben a csavarok megfeszítéséből adódóan az érintkező felületek megcsúszását megakadályozó kötésekkel kapcsolatos gyakorlati és kísérleti tapasztalatokat ismertetik. Ez a beszámoló az Egyesült Államokban és Angliában ekkor már elszórtan használt feszített csavaros kapcsolatokon szerzett tapasztalatokat fogják össze. 1938-ban az Illinois-i Műegyetemen kísérletekkel mutatja ki, hogy a feszített csavaros kötések nagyobb fáradási szilárdsággal bírnak, mint az ugyanolyan szegecseltek. Az 1947-ben az Egyesült Államokban megalakult a Szögecselt és csavarozott szerkezeti kapcsolatok kutató tanácsa, mely a feszített csavaros kapcsolatok témáját kiemelt kutatási területté tette, valamint az addig összegyűjtött gyakorlati tapasztalatok alapján az első vonatkozó előírást 1951-ben kiadta. Ezt az előírást később 1954-ben módosították, melyben az érintkező felületek festése még nem volt tilos. (Ez azért volt lehetséges, mert a kapcsolatot egyfajta szegecselt kapcsolatként fogták fel, melyben az erők nyírás és palástnyomás formájában adódnak át.) Ezt 1955-ben újabb kiegészítés követte, melyben a csavarok meghúzását elfordulásmérő módszerrel is engedélyezte. Európában az ötvenes évek elején kezdenek el foglalkozni a feszített csavaros kötésekkel. Ezekben a kutatásokban Németország munkássága élenjáró. 1953-ban és 54-ben a Karlsruhei Műszaki Egyetem Acélszerkezeti Kísérleti Intézete foglalkozott behatóan a témával, melynek eredményeként 1956-ban kiadták a feszített csavaros kapcsolatokhoz az irányelveket. Ezeket az előírásokat kisebb-nagyobb módosításokkal a legtöbb európai ország átvette. Az általuk kiadott irányelvek csavarátmérőnként meghúzási nyomatékot írtak elő, valamint a kapcsolódó felületek lángvágását, vagy homokszórását. A Karlsruhei Egyetem második kísérletsorozata alapján melyet 1959-ben fejezték be - jelentették meg az első feszítettcsavaros szabványt. Alapvető különbség a kapcsolat viselkedések tárgyalásában a német és az amerikai felfogás között, hogy míg a németek a kapcsolatot akkor tekintették tönkrementnek, ha a csavarok megcsúsznak, tehát súrlódásos kötésként méretezték a kapcsolatot, az amerikai modell szögecselt kötésként értelmezte azt. Vagyis, az első csavarok csak akkor kezdenek dolgozni, ha a feszített csavarok a kötés megcsúszása révén a névleges csavarátmérőknél nagyobb furatok szélein felfekszenek, így teherbírás szempontjából a csavarok nyírószilárdsága, illetve palástnyomása mértékadó. 1960-ban megjelenik az addigi előírások módosítása az Egyesült Államokban, mely már mindkét modellezési módszert tartalmazza. A súrlódásos kötésként -i méretezésnél pedig előírja az érintkező felületek festésének tilalmát. Magyarországon az első kísérleteket az ÉTI (Építéstudományi Intézet) és az UVATERV végezte. Majd az első feszített csavaros híd 1961-ben készült el. Ez a Taktaharkányi híd, fesztávja 30.0 m. 1968-tól megindul a magyar feszítettcsavar-gyártás is. - 65 -