Technologičnost návrhu svařované konstrukce a svaru

Technologičnost návrhu svařované konstrukce
a svaru
Pravidlo minimálního počtu dílů, minimální tloušťky
je v souladu s efektivitou výroby, takže je zřejmé, že
jeho vrcholné aplikace najdeme v hromadné výrobě.
Názorně to demonstruje např. karosérie automobilu,
svařovaná z tenkých, tvarově složitých výlisků bodovými svary. Trochu odlišná situace je v kusové a malosériové výrobě, kde se převážně používají obloukové technologie. Svařování jako metoda spojování
dílů bylo vždy závislé na jejich rozměrové toleranci,
což komplikuje nasazení automatizace. Hlavně z tohoto důvodu je v konstrukcích vysoký podíl ručního
svařování, které se lépe přizpůsobí měnícím se podmínkám než automatické. Tato situace se však rychle
mění. Podíl dílenské výroby roste i u svařovaných
konstrukcí (uznávaná hranice pro efektivní výrobu je
80 %). V dílenské výrobě převládá technologie MAG
s využitím přípravků a polohovadel, zvyšuje se přesnost výroby polotovarů (výpalků) a to usnadňuje růst
podílu automatizace a robotizace.
Pravidla
technologičnosti
návrhu konstrukce
Příklady uplatnění pravidel technologičnosti z literatury:
O
Pravidlo minimálního počtu dílů a svarů
a
b
c
Zarážka – původní konstrukce odlitku (a); změnou
technologie na svařenec (b) se sníží hmotnost o 40 %,
protože se odstraní technologické přídavky vlivem
technologičnosti výroby odlitku a zvýšením pevnosti
válcovaného plechu proti litině. Nicméně pracnost
vzroste, protože výrobek je tvořen 4 díly, spojenými
12 krátkými svary, které se ve čtyřech uzlových bodech kříží. Cena svařence zůstala na stejné úrovni.
Použitím výlisku (c) se změnil počet dílů na 2, spojené průběžným oboustranným koutovým svarem,
vhodným pro automatizaci. Tím se jeho cena snížila
o 50 %. Můžeme pokračovat v řešení zmenšením velikosti svarů, které dosáhneme snížením tloušťky materiálu. To docílíme buďto zvýšením jeho pevnosti,
nebo dalším využitím tváření tak, aby se zvýšila tuhost jednoho tenkostěnného dílu (d). Využití obou
těchto variant je patrné právě na konstrukci karosérie
automobilu.
Zvýšení tuhosti tenkostěnné konstrukce
O
d – 1 díl, zvýšení tuhosti ohybem
Náhrada odlitků svařenci byla aktuální zejména v poválečném období. Jako příklad uvedeme podstavec
pro motor mlýnu obilí, jehož svařovaná konstrukce je
o 47 % levnější a o 55 % lehčí než původní odlitek.
Příklad náhrady odlitků svařenci
O
Obecná kritéria
technologičnosti
V literatuře se vyskytují různá obecná kritéria posouzení technologičnosti, i když žádné není všeobecně
uznávané. Tím nejobecnějším je poměr objemu navařeného kovu k celkové hmotnosti konstrukce. Zatímco u běžných ocelových konstrukcí se započítával
paušálním ukazatelem 5 %, v odborné literatuře lze
nalézt články popisující konstrukce s ukazatelem pod
1 %. Též se uvádí, že cca 70% podíl na tomto výsledku
má konstruktér celkovou koncepcí řešení a výběrem
materiálů. Pouze 20% podíl se přiznává technologovi
a 10% vlastní výrobě. Podle nové koncepce zajištění
jakosti by měl mít hlavní slovo technolog i ve výběru
materiálu, zejména přídavného už proto, že má hlavní
slovo při určení způsobu výroby a podílu automatizace a má hlavní vliv na kvalitu dílenského zpracování, nad nímž má dozor, a které má zásadní vliv na
celkovou efektivitu výroby. V souvislosti s kontrolami
efektivity provedení konstrukce nebo svařence, jako
výraz neefektivního svařování, se objevují dva anglické pojmy:
Oversizing – konstrukční předimenzování velikosti
svaru.
Overwelding – dílenské nebo montážní předimenzování svaru.
Technologičnost návrhu
svaru (efektivity
provedení svaru)
Technologie svařování jako způsob spojování dílů je
velmi jednoduchá. Díly je možno spojit na tupo nebo
T-spojem. Pouze u tenkostěných dílů můžeme tupý
spoj nahradit přeplátovaným a T-spoj nahradit spojem
lemovým.
Spojování dílů svařováním
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.
Mezi obloukovými technologiemi tyto požadavky
splňuje např. automatické svařování pod tavidlem
(SPT) se širokým a hlubokým závarem a až 70% podílem závaru na objemu svaru. Takto lze svařit až
12 mm plech na jednu housenku s přijatelným převýšením. Automatické svařování drátem s ochranou
plynu (MAG) při nejvyšší intenzitě dosáhne též přes
50% promíšení. Přebývající cca 50% objem svaru,
který tvoří přídavný materiál, se musí schovat v úkosu
nebo mezeře. Pokud volíme mezeru, je nutno svařovat na podložku (SPT – tavidlová, MAG – keramická). Výhodou je méně náročná příprava a nižší nároky na přesnost za cenu zvýšení nákladů za podložku.
Keramická podložka vrací teplo do svaru, takže průřez vypadá, jako by byl svařený z obou stran:
O
Návrh tupého svaru
O
Svařování na podložku
Úkos podložku nevyžaduje, ale je náročnější na přípravu, přesnost provedení dílů a vedení hořáku. V případě větší tloušťky, kdy je potřeba více vrstev, už je
úkos nutný.
O
Svařování na tupo a s úkosem
Hlavní funkcí úkosu je zpřístupnit kořen svaru tak, aby
svářeč viděl natavení spodní hrany. Podle toho, zda
bude kořenová vrstva provedena ručně nebo automaticky, s podložkou nebo bez a podle mezní tolerance
dílů volíme šířku mezery a výšku otupení. Rozdíl
součtu kladných nebo záporných faktorů na plochu
svaru může pak být velmi výrazný:
Vliv automatizace na plochu svaru
Úhel úkosu je dán technologií a průměrem elektrody.
Např. při svařování obalovanou elektrodou potřebujeme minimální rozevření V úkosů 600, zatímco pro
MAG svařování stačí 500 pro plný drát a trubičkový
s tavidlem a dokonce jen 400 pro trubičkový drát s kovovou náplní:
O
O
Úhel úkosu
Při větší tloušťce plechu už začíná být V úkos neefektivní, protože s rostoucí tloušťkou narůstá plocha
úkosu, která se musí vyplnit, a s ní roste i vnesené
teplo, způsobující napětí a deformace. Pak je třeba
uvažovat o změně tvaru úkosu. U úkos je sice plynulý,
ale výrobně drahý, naopak W úkos je velmi vhodnou
levnější variantou:
O
U úkos a W úkos pro tupé svary větších tloušťek
Pro velmi tlusté plechy byla vyvinuta speciální technologie svařování pod tavidlem do úzkého úkosu. Pokud to konstrukce dovolí, vyplatí se využít možnosti
svařovat z obou stran spoje. Plocha svaru je tak poloviční a navíc lze rozdělením vnášeného tepla předejít
úhlové deformaci:
Svařování z obou stran
Pro polohové svařování – např. PC – využijeme nejlépe ½ varianty tupých svarů tak, aby tavná lázeň byla
podepřena:
O
O
Mezera v kořeni,
přesnost dílů
a sestavení
O
Návrh koutového svaru
Polohové svařování
Při správném navržení a dimenzování svaru je jeho
efektivní provedení již jen záležitostí výrobních tolerancí – dílů a sestavy. Ve směru tloušťky je svar přesně
vymezen, ale v šířce svaru mohou tolerance neefektivně navýšit průřezovou plochu.
Vliv mezery na velikost svaru
U T-spojů se téměř výhradně používá koutového
svaru, který se tak stává nejpoužívanějším typem svarového spoje v konstrukcích. Koutový svar ale není
konstrukčně ideálním řešením spoje dvou kolmých
dílů. Na rozdíl od tupého svaru, zde není velikost svaru
vymezena geometrií svarových ploch. Velikost koutového svaru závisí jen na správné manipulaci s hořákem u ruční aplikace a správném výpočtu parametrů
automatického svařování. Průřezová plocha svaru je
kvadrátem výšky (a2), takže např. rozdíl jediného milimetru mezi svarem nosné velikosti 5 a 6 mm (bez
uvažování závaru), znamená zvýšení spotřeby přídavného materiálu přibližně o 44 %, bez započtení převýšení. Též nevhodné polohování, při kterém dochází
ke stečení lázně, neefektivně zvýší plochu svaru.
Předimenzování koutového svaru
Předimenzování svaru – tzv. overwelding je podle
„lean“ expertů nejčastějším zdrojem možných úspor
při výrobě svařenců. Tento problém je však u ručně
prováděných svarů neřešitelný. Při automatizovaném
svařování se naopak dá velikost svaru dimenzovat
velmi přesně a navíc lze využít opačného efektu koutového svařování – snížení velikosti koutového návaru
zvýšením nosné velikosti svaru hloubkou závaru.
O
Zvětšení hloubky závaru a jeho zahrnutí do nosné velikosti svaru představuje velmi účinný způsob minimalizace vnějších rozměrů svaru a tím i spotřeby přídavného materiálu a minimalizace vneseného tepla.
Již stará norma ČSN 050120 pro výpočty svarových
spojů umožňovala paušálně započítat hloubku závaru
do nosné velikosti koutového svaru u poloautomatických a automatických způsobů svařování.
O
Vliv zvětšení hloubky závaru na plochu svaru
Nová norma jde ještě dál a umožnila i nepravidelný
tvar vnějšího tvaru svaru, který vznikne, když polohujeme svar směrem do mezery.
Nerovnoramený vnější svar při rovnoramenném závaru
Optimální tvar nerovnoměrného svaru byl legalizován
v posledním vydání normy ČSN ISO 5817, kde je definována velikost koutového svaru jako výška největšího rovnoramenného trojúhelníka, vepsaného do
příčného řezu svaru.
Použitelnost této normy konstruktérem závisí na dvou
předpokladech:
1. Dodržet tento tvar svaru je možné pouze při automatickém svařování, vhodným polohováním a vyosením hořáku a dále za použití vhodného režimu
svařování. Tyto údaje získáme pouze předem provedenou optimalizací procesu podle ověřené metodiky a s technologickým předpisem podmínek svařování.
2. Velikost a tvar svaru, včetně hloubky závaru do mezery, je nutno, nejlépe bezkontaktně, kontrolovat.
Na trhu jsou již vhodné prostředky – laser scan povrchu svaru a UZ „time-of-flight“ bezkontaktní měření hloubky závaru.
Jako příklad je uveden koutový-závarový svar jako výsledek optimalizace soustavy zdroj-drát-plyn pro
O
běžný drát 1,2 mm pod ochranou směsí Ar/He/CO2 –
68/20/12 %. Z rozměrů jednohousenkového svaru,
zhotoveného lineárním automatem při rychlosti 70
cm/min je patrné, že jeho nosnost odpovídá nosnosti
koutového-výplňového svaru o třikrát větším objemu
přídavného materiálu bez převýšení:
O
Konstrukční převedení
koutového svaru na
tupý
Příklad optimalizovaného tvaru svaru
T-spoj je možno řešit i svařením na tupo. Můžeme použít všechny ½ varianty tupých svarů – ½V, ½U a oboustranné, ale na rozdíl od vodorovného tupého svaru na
vertikální ploše (poloha PC), máme jen poloviční prostor pro manipulaci s hořákem a z toho plyne potřeba
většího otevření úkosu. Výhoda T-spojů je opět ve
snadnějším polohování, 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.
Kombinace tupého a koutového svaru
O
Mezera v kořeni,
přesnost dílů
a sestavení
Vliv mezery v kořeni na plochu svaru
Neefektivní nárůst objemu svaru vznikne též vlivem
součtu rozměrových tolerancí dílů a sestavení, které
se projeví mezerou v kořeni. Její ztrátová výplňová
plocha:
P = m.(冪莦
2.a + m / 2).
Pro koutové-výplňové svary je mezera vždy ztrátová.
Pro koutové-závarové svary může být mezera stejně
jako u tupého spoje do určité míry vhodná, protože
O
usnadňuje pronikání tavné lázně do závaru a pojme
přídavný materiál, který by se jinak projevil v převýšení. Experimenty ale prokázaly, že vzhledem k potřebné hustotě výkonu je optimální mezera do 0,5 mm,
jinak svar může protéct skrz. To odpovídá toleranci
při montáži přesně řezaných nebo stříhaných dílů.
O
Použití koutového svaru
u přeplátovaného spoje
Vliv mezery na hloubku závaru
Přeplátované spoje mají proti tupým výhodu v odstranění problému s výrobními tolerancemi dílů, protože vždy umožňují dodržení přesnosti při montáži.
Ani velikost svaru tím není ovlivněna.
Právě z těchto důvodů jsou velmi využívanými spoji
v automobilovém průmyslu.
U plechů větších tloušťek nad 5 mm, kde je možno
využít hlubokozávarové svařování, se přeplátovaný
spoj vyskytuje jen zřídka a zpravidla se jedná o oboustranné koutové svary.
Nosná velikost jednostranného koutového svaru přeplátovaného spoje, oboustranný svar
Objem i nosná velikost jednostranného koutového
svaru je omezena tloušťkou materiálu. Ideálně vyplněný svar má účinnou výšku pouze 70% tloušťky plechu. Nicméně tenké plechy se svařují tenkým drátem
a nízkým proudem ve zkratovém režimu, takže svar
je téměř vždy převýšený a předimenzovaný, což vnáší
do spoje nadměrné teplo a zvyšuje deformace.
Proto byly pro přeplátované tenké plechy do 3 mm
tloušťky vyvinuty speciální metody svařování snízkým vnášeným teplem pomocí formování vlny a frekvence pulzního svařování, které je případně kombinováno sřízením podávání drátu.
O