Keevisliidete arvutus (3) Martin Eerme Pingete kontsentratsioon keevisõmbluses • Keevisõmbluste tugevusarvutuse valemid on tuletatud eeldusel, et jõud jaguneb õmbluse pikkusel ühtlaselt ja pinge õmbluse ristlõikepinna igas punktis on ühesugune. • Tegelikult on jõudude ja pingete jagunemine märksa keerulisem. • Liite konstruktsiooni ja õmbluse kuju ebaratsionaalsus ning tehnoloogilised defektid – gaasimullid, räbupesad, praod, läbikeevitamata kohad – tekitavad pingete kontsentratsiooni. • Teoreetiline pingete kontsentratsiooni tegur kt = max kus: max - pingete maksimumväärtus, - pingete keskväärtus • kt väärtusi saab määrata elastsusteooria abil. Nii näiteks on elliptilise avaga nõrgestatud laia riba puhul maksimaalne teoreetiline pingete kontsentratsiooni tegur 2b kt = 1 + c kus b – jõu suunaga risti oleva ellipsi telje pikkus c – jõu suunaga paralleelse ellipsi telje pikkus. Vaadeldes mikropragu ellipsina, näeme, et kitsa prao puhul omandab kt väga suure väärtuse. • Hästi läbikeevitatud põkkõmbluses, mille tugevdus on eemaldatud, pingete kontsentratsiooni pole. Eemaldamata jätmise korral võib kontsentratsiooni tegur ulatuda 1,6-ni. Oluliselt kontsentreerib pingeid ka õmbluse põhja läbikeevitamata jätmine. • Külgõmbluses tekitab pingete kontsentratsiooni jõu ebaühtlane jaotus piki õmblust. Võrdtugeva liite korral tingimusel, et ’=0,62t on teoreetiline kontsentratsioonitegur qmax l = 0,57 kt = qk 0,5k kus: l – õmbluse pikkus k – kaateti kõrgus. • Kui ühendatavate elementide ristlõiked pole võrdsed, A1<A2, siis jaotatud jõud qx avaldub F qx = 2 A1ch x + A2 ch (l x ) 2( A1 + A2 ) sh l kus = 2G ( A1 + A2 ) EA1 A2 • Tingimusel, et õmbluse tugevus võrdub väiksema ristlõikega elemendi tugevusega, 1 µch l + 1 k t = 0,87 1 + µ sh l kus µ=A1/A2 • Laia sidelapiga lühikeste õmblustega katteliite korral, kui õmbluse kaateti kõrgus on võrdne lapi paksusega (k=:), on teoreetiline pingete kontsentratsiooni tegur sidelapi materjalis cth(2,3a / l ) k t = 3,3 l/a kus 2a – lapi laius l – õmbluse pikkus Kui a/l = 0,1; 0,5; 1,0; 2,0 Siis kt = 1,45; 2,01; 3,37; 6,61 Seega lühikeste külgõmbluste ja laia sidelapi korral on tegemist üsnagi tugeva pingete kontsentratsiooniga sidelapi materjalis. Pikkade külgõmbluste korral on olulisem pingete kontsentratsioon õmbluste otstes. Praktikas esinevad mõlemad koos. • Punktkeevituse korral on samuti tegemist pingete ebaühtlase jagunemisega keevispunktide lähedases metallis. Kontsentratsioonitegur kt on määratav valemiga t k t = 2,3 + 0,62 d • kus t – kaugus üksikute punktide vahel • d – keevispunkti läbimõõt • Mitmerealise liite korral jaguneb jõud ridade vahel ebaühtlaselt. Kaks äärmist rida võtavad kumbki vastu ~44% kogu mõjuvast jõust. Vahepealsed read on vähe koormatud. • Paindepinged punktkeevisliites saab määrata valemiga p 3 = 1+ d 0 3 0 E kus 20 – normaalpinge liite elemendis : – ühendatavate lehtede paksus E – materjali elastsusmoodul Kui 20/E=0,001 ja d/:=3, siis 2p=2,6 20 • Kõik senine kehtib elastsete deformatsioonide korral. • Pingete kontsentratsioon avaldab olulist mõju ainult vahelduval koormusel, vähendades tunduvalt keevisliite väsimuspiiri. Väsimuspiiri vähenemist hinnatakse efektiivse pingete kontsentratsiooni teguriga k2 • Keevisliite katsetamisel leitud väsimuspiir võib olla 3 kuni 8 korda madalam samast materjalist standardsete katsekehade väsimuspiirist. Olulisemad väsimuspiiri vähenemise põhjused on: – – – – – pingete kontsentratsioon mastaabiefekt pinna kvaliteedi mõju jääkpinged keevitusdefektid – läbikeevitamata kohad, kuumad või külmad praod, räbupesad jne – metalli keemilise koostise ja struktuuri muutused keevisõmbluses ja õmbluselähedases tsoonis • Keeviskonstruktsioonides kasutatakse peamiselt valtsmetalli, mille pinnakiht jäetakse tavaliselt eemaldamata. Keevisliidete väsimuspiiri on seetõttu otstarbekas võrrelda valtsmetallist lõigatud katsekehade väsimuspiiriga. Süsinik- ja vähelegeeritud teraste puhul võib kasutada empiirilist seost • 2-1=(0,32.....0,38)2B. • Lihvitud pinnaga katsekehade väsimuspiir on sellest 20....35% suurem. • Põkkliidete väsimuspiir loomuliku sujuva üleminekuga, märgatava tugevduseta õmbluse korral erineb vähe valtskoorikuga põhimetalli väsimuspiirist. • Tehnoloogilise režiimi rikkumine toob aga kaasa 2 ja enama kordse väsimuspiiri languse. Defektide parandamisega saab seda tõsta endisele tasemele. • Õmbluse mehaaniline töötlemine suurendab väsimuspiiri 30...70% ja viib selle lihvitud katsekehade väsimuspiiri tasemele. • Õmbluse pinna külmdeformeerimine suurendab väsimuspiiri ~2x, kusjuures pole oluline kas õmblus on eelnevalt mehaaniliselt töödeldud või mitte. • Põkkliidete absoluutmõõtmed mõjutavad samuti väsimuspiiri. Nii näiteks väheneb süsinikterase puhul väsimuspiir plaadi paksuse suurendamisel 16-st 46mmni (laius 200mm) 30%. Tõepäraste tulemuste saamiseks soovitatakse katsetada võrdlemisi suuri liitelemente laiusega vähemalt 200mm. • Mastaabiefekti tekkimise põhjused on keevisliidetel samad mis mittekeevitatud detailidel. Efekt on siin suurem, sest keevisõmbluse metall on heterogeensem. Olulist rolli mängivad ka jääktõmbepinged õmbluselähedases metallis, millede väärtus oleneb omakorda keevisõmbluse mõõtmetest. • Otsõmblusega liidetes esineb märgatav pingete kontsentratsioon, mis oluliselt vähendab väsimuspiiri. Mehaaniliselt töötlemata normaalõmbluste puhul on sidelappidega katsekeha väsimuspiir 2,5x väiksem põhimetalli katsekeha väsimuspiirist. Parendatud õmblus (kaatetite suhtega 1:2) ja mehaanilise töötlemise korral väheneb efektiivne kontsentratsiooni tegur 2-ni. Kaatetite suhe 1:3,8 ja õmbluse mehaanilise töötlemise korral on võimalik saavutada põhimetalliga võrdset väsimuspiiri, kuid koos sellega kaob põhiline eelis – valmistamise lihtsus. • Põkkliitele lisasidelappide keevitamine vähendab väsimustugevust 2x. • Külgõmblustega keevisliidet iseloomustab eriti suur pingete kontsentratsioon ja eriti väike väsimuspiir. Külgõmblusega keevisliite väsimuspiir sõltub palju ka liite konstruktsioonist. Nii näiteks suurendab otsõmbluse lisamine väsimuspiiri 1,5x. See seletub jõujoonte ratsionaalsema asetusega keevisliite ristlõikes. Poolkumerad väljalõiked külgõmbluse otste lähedal vähendavad pingete kontsentratsiooni ja suurendavad väsimuspiir 40...50%. Külgõmbluse mehaaniline töötlemine olulist efekti ei anna. Vastakliide • Vastakliite väsimustugevus sõltub läbikeevituse sügavusest. • a - Ettetöötlemata servadega ja täieliku läbikeevituse puudumise korral on k2=2,5 ... 4,0 • b - Servade eeltöötlemine ja sügavama läbikeevituse korral k2=1,1 ... 1,7 • c - Õmbluse mehaanilise töötlemise ja täieliku läbikeevituse korral on k2=1. • Täsinurkse sõlmpleki lisamisel (Sele a) põkkõmbluse kasutamisega väheneb väsimuspiir 2...3,7x. Sõlmpleki sujuva kuju või üleminekukoha mehaanilise töötlemise korral (Sele b,c) väheneb väsimuspiir 1,6...1,9x. • Sele d kujutatud lapi keevitamisel väheneb konstruktsioonielemendi väsimuspiir 1,7...2x, vastakliitega lisaelemendi korral (Sele e,f) 1,3...1,5x. • Jääkpingete olemasolu mõjutab pingetsükli asümeetrilisust ja koos sellega piirpingete amplituudväärtust. Keevisõmbluse tsoonis tekivad jääk-tõmbepinged, mille väärtus ulatub mõnel juhul materjali voolamispiirini. Kui väliskoormusest tingitud pinged muutuvad sümmeetrilise tsükli järgi siis summaarsed pinged muutuvad asümeetrilise tsükli kohaselt, kusjuures keskmised pinged võrduvad jääkpingetega. • Jääk tõmbepinged vähendavad liite väsimustugevust 20...50%. • Keevisliidete lõõmutamine ja noolutamine, mida kasutatakse mõnikord jääkpingete vähendamiseks, avaldab kahesugust mõju. Jääkpingete vähenemine suurendab väsimustugevust, kuid samaaegne õmbluselähedase tsooni tugevuse vähenemine on vastupidise mõjuga. Lõpptulemus sõltub mitmetest asjaoludest ja ei ole ilma katsetuseta määratav. • Suurte jääk-tõmbepingetega keevisliidete väsimuspiir praktiliselt ei muutu, kui kasutatava metalli tõmbetugevus kasvab. Legeerteraste kasutamine on seetõttu õigustatud ainult pingetsükli suure asümeetria korral, kui määravaks saavad peamiselt staatilised pinged. • Väsimustugevust tõstetakse mitmel pindtugevdamise moodusel, näit töödeldes toodet haavlite, rullide, pneumovasarate vms-ga. Pinna kalestamine võib tõsta keevisliidete väsimuspiiri 2 ja enam korda. Keevisõmbluse pinna töötlemisel pneumovasaraga ei kasva väsimuspiir üle 30...50%. • Suurt pingete kontsentratsiooni tekitab ka õmbluse läbikeevutamata jätmine. Kui läbikeevitamata jääb 50% siis kt=23 (0,5...1mm kaugusel läbikeevitamata kohast on tegelikud pinged 5,5...8x kõrgemad nominaalsetest). Kui läbikeevitamata jääb 6...7% siis kt=4 (0,5...1mm kaugusel läbikeevitamata kohast on tegelikud pinged 1,7...2x kõrgemad nominaalsetest). • 20...30% ulatuses läbikeevitamata ristlõike korral on täheldatud 2...3x väsimustugevuse langust. Eriti ohtlik on kui selline koht satub jääk-tõmbepingete piirkonda. Vahelduval koormusel töötavates keevisliidetes on läbikeevitamata kohad lubamatud. Keeviskonstruktsioonide ratsionaalne projekteerimine • Hoida kokku metalli • Rakendada tüüplahendusi mis võimaldab kasutada tegemisel voolkoostamist • Suurtel dünaamilistel koormustel, agressiivses keskkonnas või madalatel temperatuuridel töötavate konstruktsioonide töökindlust ja vastupidavust tõstetakse erivõtetega. Keevisõmbluste hulka minimeeritakse, paigutades nii, et ei tekiks kuhjumisi. Madalatel temperatuuridel töötavaid ja paksuseinalisi konstruktsioone töödeldakse termiliselt. Keeviskonstruktsioonide ratsionaalne projekteerimine • Pöörata tähelepanu tehnoloogilisusele. Suurte toodete puhul viia miinimumi montaažiõmbluste maht. Kasutatakse rohkem põkk-, punkt- ja joonkontaktkeevitust. • Kasutada tänapäevaseid tugevusarvutuse meetodeid, mis arvestavad keevituse termilist mõju õmbluselähedasele metallile, pingekontsentraatorite mõju keevisliite väsimustugevusele ja töökindlusele, üldiste ja kohalike jääkdeformatsioonide mõju ning võimalusi nende kõrvaldamiseks. Keeviskonstruktsioonide ratsionaalne projekteerimine • Keeviskonstruktsioonide tugevuse tõstmiseks kasutatakse üldist või kohalikku termotöötlust, kasulike jääkpingete tekitamist termiliste meetoditega, õhukseseinaliste konstruktsioonide puhul keevisõmbluste valtsimist, keevisõmbluse mehaanilist töötlemist jne. • Valmistamisel kasutada koosterakiseid ja muid tehnoloogilisi seadmeid, mis vähendavad koostamise töömahukust ja suurendavad täpsust. Materjali valik • Materjalidel on erinevad omadused. Vajalik vähendada massi, selleks peaks kasutama suure tõmbetugevusega materjale. Need on aga tundlikud pingekontsentraatorite suhtes. Osa vähelegeeritud teraseid on halvasti keevitatavad ja nõuavad täpset kinnipidamist tehnoloogiast. Osa materjale töötab hästi üheteljelise tõmbe korral, kuid halvasti keerulises pingeolukorras. Osad materjalid (süsinikuvaesed keevterased) on heade omadustega toatemperatuuril, kuid kaotavad need madalatel temperatuuridel. • Materjali valiku puhul on vaja arvestada head vastupidamist haprale purunemisele staatilisel koormusel madalatel temperatuuridel. Tehnoloogia ratsionaalne projekteerimine • • paigalduskohal on töötingimused ja automaatkeevituse kasutamise võimalused halvemad kui tehases. Suured tooted tuleb jagada võimalikult suurteks veokõlbulikeks osadeks, mida on võimalik valmistada tehases ja sellega viia miinimumini keevistööd paigaldusel Õmbluste ligipääsetavuse ja kontrollitavuse seiskohalt on otstarbekas koostada toode alasõlmede ja sõlmede kaupa, liites need järgemööda suuremateks koostudeks. Selline kooste- ja keevistööde vaheldumine kergendab suure tootlikkusega seadmete kasutamist, võib aga üksikute sõlmede väikese jäikuse korral suurendada keevitusdeformatsioone. Nende vähendamise seisukohalt on sageli otstarbekas koostada kogu toode ühekorraga. Tehnoloogia ratsionaalne projekteerimine • • • Keevistööd moodustavad tavaliselt kogu tooet töömahukusest 30%. Seega võib suurt tootlikkust saavutada ainult kogu tootmisprotsessi ülevaatamisega. Tehnoloogiiste rakiste projekteerimise ja valmistamise vajadust tuleb alati põhjendada majanduslike arvutustega, arvestades tootmismahtu. Keevitatud toote vajalik kuju ja mõõtmetäpsus tuleb kindlustada keevitusprotsessi ratsionaalse projekteerimisega ja õgvendusega üksikute sõlmede valmistamise käigus. Valmis toote õgvendamine on tavaliselt ülimalt töömaukas operatsioon. Tehnoloogia ratsionaalne projekteerimine • Termotöötlemine pärast keevitamist teeb tehnoloogilise protsessi märgatavalt keerukamaks, eriti seeriatootmisel. Selle operatsiooni vajalikkust tuleb alati väga põhjalikult kaaluda. Ratsionaalsed keeviskonstruktsioonid Vaheseinte keevitamine Keevisõmblused on kitsast vahest välja viidud Distantstorude keevitamine Keevisõmblused on viidud lehtede välispinnale Ratsionaalsed keeviskonstruktsioonid Jahutussärgi keevitamine Keevisõmblused on viidud silindri äärikust eemale Ääriku keevitamine otsakule Äärik on viidud seinast kaugemale Keevisõmblused on viidud ääriku otspinnale Ratsionaalsed keeviskonstruktsioonid Silindri ühendamine diafragmaga Üks õmblus tehakse kaarkeevitusega