ANVENDTE SVEISEMETODER - Materialteknologi

Sveiseforbindelser (lectures notes)ANVENDTE SVEISEMETODERDe vanlige sveisemetodene:SVEISEMETODERSMELTE- ANDRE MOTSTANDS-SVEISING METODER SVEISINGKaldtrykks- Punkt-GAS- LYSBUE- sveising sveisingSVEISING SVEISINGEksplosjons- Sømsveisingsveisingpulver MIG TIG Friksjons- BrendstuksveisingSveisingElektro- Ultralyd HøyfrekvensgasinduksjonElektronstråleLaserFigur .Sveisemetoder generelt.Henning Johansen © side 1

Sveiseforbindelser (lectures notes)SVEISEANGIVELSER PÅ TEGNINGERNorsk Standard, NS 1421, viser hvordan sveiser skal angis med symboler på tegninger.Eksepler på bruk av grunnsymboler etter NS 1421:Figur.I figuren er:1: pillinje2: henvisningslinjer:2a: referanselinje (hellinje)2b: identifiseringslinje (stiplet linje)3: sveisesymbolTabell.Henning Johansen © side 2

Sveiseforbindelser (lectures notes)RIKTIG FUGETYPENS 472 foreskriver fugeformer for konstruksjonsstålogNS 473 for aluminiumTabell.Fugeformer for konstruksjonsstål.Henning Johansen © side 3

Sveiseforbindelser (lectures notes)SPENNINGSFORDELING I SVEISEFORBINDELSERFiguren viser hvordan kraftstrømmen går i noensveiseforbindelser.Forbindelse : Kraftflyt : Spenningsfordeling i snitt A:Vi kan danne oss et bilde av spenningsforløpet ved åtegne tenkte kraftlinjer (som ved å tenke væskersstrømning i rør).Figur.Henning Johansen © side 4

Sveiseforbindelser (lectures notes)Figurene under viser spenningsfordeling og kraftlinjer i noen sveiseforbindelserFigur.Kilsveis.a) spenningsfordelingen. s = strekkspenning og b = bøyespenningb) kraftlinjerFigur.Spenningsfordeling og kraftlinjer langs kilsveis.Henning Johansen © side 5

Sveiseforbindelser (lectures notes)SVEISESPENNINGEREtter sveising vil det opptre restspenninger i konstruksjonsdetaljen.Figuren under viser restspenninger etter buttsveis mellom to ikkeinnspente plater.a) Buttsvis i frittliggende plateb) Fordeling av lengdespenningene x over bredden y-yc) Fordeling av tverrspenningene y over lengden x-xkurve 1: For ikke-innspente platerkurve 2: For innspente platerDet er viktig å tenke på hvor sveisene plasseres i en konstruksjon.Plasser sveisene der hvor spenningene er lave, hvis mulig.Figur.Typisk fordeling av restspenninger i ikke-innspente plater med buttsveis.Figur.Plassering av sveiser i dampbeholder med jevnt fordelt indre trykk.Henning Johansen © side 6

Sveiseforbindelser (lectures notes)SVEISBARHET OG SVEISESIKKERHETSveisbarhetEt materiale er godt sveisbart når det kan sveises med vanlige metoder og tilsettmaterialer på en enkel måte uten spesielle ekstra tiltak for å oppnå ettilfredsstillende resultat.o Sveisen skal være uten sveisefeil av betydningo Sveisen, sveisemetallet og den varmepåvirkete sone av grunnmaterialet, skal ha egenskaper som er minst like gode som grunnmaterialetSveisbarheten er avhengig av:◦ Grunnmaterialets egenskaper◦ Anvendt sveisemetode◦ Materialdimensjoner - sier bare noe om grunnmaterialet◦ Sveisebetingelser◦ Konstruksjonsutforming◦ Aktuelle driftsforhold for den sveiste konstruksjonenSveisesikkerhetGir uttrykk for driftssikkerheten til sveist stålkonstruksjon.De alvorligste defekter eller feil som en sveiseoperasjon kan føre til i sveisen eller i varmepåvirket sone,og som kan tilbakeføres til grunnmaterialets egenskaper er:▫ Varmsprekker▫ Kaldsprekker- omfatter hele den sveiste konstruksjonen▫ Inneslutninger▫ Forringelse av grunnmaterialets egenskaper i overgangssonenSveisesikkerhetsbegrepet skjelner mellom tre typer feil:1. Mindre, opprinnelige sprekker (rotfeil, kratersprekker, kantsår osv.)2. Utmattingssprekker (kommer ofte fra de samme sveisefeil som nevnt over)3. Sprøbrudd - mest alvorlige brudd i sveiste konstruksjonerForutsetningene for at et sprøbrudd kan oppstå (forenklet):▪ fleraksiale spenninger- forekommer i nesten alle konstruksjoner▪ begynnelsessprekk▪ sprøtt materiale - viktigste variabel. De fleste standarder løser dette med krav til valg av materialkvalitetsgrupper eller pålitelighetsklasserHenning Johansen © side 7

Sveiseforbindelser (lectures notes)EN KONSTRUKSJON BEREGNES ETTER 2 OMSTENDIGHETER:1) LASTOMSTENDIGHETENEBelastning eller påkjenning. Denne er gitt igjennom konstruksjonens hensikt.Eksempel, Kranbro hvor last er egenvekt og kranlast.Henning Johansen © side 8

Sveiseforbindelser (lectures notes)2) HVA KONSTRUKSJONEN TÅLERHvordan den kan oppføre seg før den ikke lenger kan sies å fylle sin funksjon.a) Kranlasten blir så storat kranen brytersammen.BRUDDGRENSETILSTANDENb) Ved noe mindre lastbøyer kranbroen segså mye at løpekattenikke kjører ordentligpå den, men søkermot midten på broen.BRUKSGRENSETILSTANDENc) Når kranbroen bøyerseg ned, forandrerkranen sporvidde.Kransene påkranhjulene liggerda mot skinnene oggjør at kranen gårfor tregt.Figur.Grensetilstander.a) Brudd.b) Driftsteknisk uheldig deformasjon.c) Slitasjemessig og driftsmessig uønsket deformasjon.Henning Johansen © side 9

Sveiseforbindelser (lectures notes)ELASTISKE BEREGNINGSMETODER- forutsetter at konstruksjonen er i elastisk tilstandBEREGNINGSMETODERGRENSETILSTANDERBRUDDGRENSETILSTANDENDEFINERT kapasitet.FASTLEGGES i relasjon til faren for:- brudd- store elastiske forskyvninger- tøyninger som kan sammenlignes med bruddBasert på maksimale laster. Bruddgrenselaster.Dimensjonerende last:F F γF = last som virkerγf= lastfaktor - avhenger av lasttype (NS3490)= 1,5 for dominerende nyttelast= 1,05 for andre nyttelaster= 1,2 for egenlastMaksimal elastisk bæreevne.Dimensjonerende spenning:j opptr.2x 2y fy σ F= flytegrensen til materialetγMxy 3d2xyfdf σdf= materialfaktor (= 1,1 for grunnmateriale og buttsveiser)(γ M for sveiseforbindelser, se butt- og kilsveis)σopptredende f ( σ )ddyMBRUKSGRENSETILSTANDENDEFINERT grense som ikke skal overskrides ved forutsatt bruk.FASTLEGGES i relasjon til faren for uakseptable:- forskyvninger - tøyninger- spenninger - nedbøyninger- o.l.Basert på tillatte, virkelige opptredende laster. Brukslaster.F = last som virkerTillatt spenning.j opptrDimensjonerende last:F d FTillatt spenning:2 22 σx y xy 3xy σtillnσF= flytegrense til materialetnF= sikkerhetskoeffisient (avhengig av konstruksjonens- ogbelastningens art, n F = 1,5 – 2,5 vanligvis)σ σopptredendetillFFHenning Johansen © side 10

Sveiseforbindelser (lectures notes)SVEISTE KONSTRUKSJONER GENERELTSom lastbærende sveiser benyttes:■ Buttsveis (med full eller delvis gjennomsveising)□ K-sveis (med full eller delvis gjennomsveising)● KilsveisFigur.Buttsveiser, kilsveiser og K-sveiser.Henning Johansen © side 11

Sveiseforbindelser (lectures notes)■ BUTTSVEISGENERELT:kapasiteten av en buttsveis med full gjennomsveising = kapasiteten av den svakeste av de platene som inngår i forbindelsenSveisens kapasitet påvises ved spenningene: σelleroptr.dim.j f dσ2x σ2y σxσy 3τ2xyfγyMhvor: optr. = opptredende spenning dim. = dimensjonerende spenningf y = F = flytegrense for forbindelsens svakeste del M = materialfaktor = 1,1 som for grunnmaterialeForutsetning: Det benyttes elektrode som gir sveisavsett som har flytegrense og bruddfasthet som ikke underskrider grunnmaterialets verdier.Buttsveis med delvis innsveising dimensjoneres som kilsveis.a-målet settes til: a = a nom. 2mmFigur.Buttsveiser med delvis gjennomsveising.Henning Johansen © side 12

Sveiseforbindelser (lectures notes)□ K-SVEISER (T-buttsveiser) som består av delvis gjennomsveiste buttsveiser forsterket med kilsveis.Kan dimensjoneres som buttsveis med full gjennomsveising.Forutsetter:- nominelt a-mål, a nom. ≥ t steg- usveist gap c nom. ≤ 0,2tc nom. = 3mm maksimumHvis disse forutsetningene ikke er tilstede:Dimensjonering som for kilsveis med a = a nom. – 2mmFigur.Fuger for K-sveiser (T-buttsveiser).Henning Johansen © side 13

Sveiseforbindelser (lectures notes)Buttskjøt og T-skjøtButtskjøt T-skjøtRFtFRtFFigur.Butt- og T-skjøt.- Normalspenning:- Skjærspenning:σ FA sRA sFtlRt lHvor A s = sveisetverrsnittl = lengdet = tykkelse sveis/plateHenning Johansen © side 14

Sveiseforbindelser (lectures notes)● KILSVEISKilsveis genereltSveisesnitt (skravert areal a · l):l Spenningskomponenter:aFigur.Sveisesnitt a·l. Normalspenninger: - normalt på sveiseretningenSkjærspenninger: - parallell med lengderetningen Spenningene antas jevnt fordelt over sveisens rotmål a.Jevnførende spenning (generelt) etter deviasjonshypotesen:jσ2x σ2y σxσy 3τ2xyJevnførende spenning for kilsveis:2 22j σ σll σσll 3τ 32llHenning Johansen © side 15

Sveiseforbindelser (lectures notes)Figur.Laster og resulterende spenningskomponenter.Henning Johansen © side 16

Sveiseforbindelser (lectures notes)Kilsveis etter maksimal elastisk spenningstilstand (bruddgrensetilstanden)Sveisens kapasitet pr. lengdeenhet kan beregnes etter metode a) eller b):Metode a)Beregner spenningskomponentene på basis av opptredende krefter pr. lengdeenhet sveis. Spenningskomponenter defineres etter figuren under:Sveisens kapasitet påvises ved spenningene:ogf2 2 2uopptr. j σ 3τ 3τ d.(vi setter = 0) ll γ βM Wσ fuγMhvor:f u = B = bruddfastheten for forbindelsens svakeste del W = korrelasjonsfaktor avhengig av grunnmaterialets nominelle bruddfasthetetter tabell under. M = materialfaktor = 1,25 for kilsveis.Tar hensyn til evt. kapasitetsreduksjon forårsaket av korrosjon ellermekanisk nedbrytning.Figur.Spenningskomponenter i kilsveisen.Spenningene antas jevnt fordelt over sveisens rotmål a.Tabell.Bruddfasthet f u og Korrelasjonsfaktor W .Henning Johansen © side 17

Sveiseforbindelser (lectures notes)Metode b)Beregner sveisens kapasitet pr. lengdeenhet, uavhengig av kraftens retning i forhold til sveisens orientering:Kapasitet pr. lengdeenhet:F f a N/mmW, d W, dFhvor:a = sveisens a (rot) -målf W,d = sveisens dimensjonerende skjærspenningdfu 1fW, d τd 3 γMw 3hvor:τ d = dimensjonerende skjærspenningf u = bruddfastheten, B , for forbindelsens svakeste del W = korrelasjonsfaktor= materialfaktor (= 1,25 for kilsveis) Mal 1l 2αFigur.l 3Henning Johansen © side 18

Sveiseforbindelser (lectures notes)Sveisesømmens geometrikilsveisens nominelle a-mål,a nom. = høyden av den største trekant som kan innskrives i kilsveisens tverrsnittgenerelt : a min. = 3mmved automatisk pulversveising : a = 1.2a nom. for a ≤ 10mma = a nom. + 2mm for a > 10mmFigur.Definisjon av a-mål for kilsveiser.Sveisens lengde ved lastoverføring skal være l ≥ 40mmeller l ≥ 6aa nom.aFigur.Automatisk pulversveising gir ekstra innsveising.Henning Johansen © side 19

Sveiseforbindelser (lectures notes)Sveiseforbindelser utsatt for strekk / trykkEksempel 1Buttsveis med full gjennomsveisingFGitt:- materiale S235 (St37)- f = 1,5- M = 1,1b=100F=100kNFigur 14.1t=15KONTROLLER SVEISEN!Løsning:Opptredende normalspenning:Fγ3f 100101,5σopptr. tb15100σ 100N/mm2opptr.Dimensjonerende normalspenning:fy 235σ f 213,6N/mm2d d γ 1,1Mσopptr. σd100 < 213,6 OK!Henning Johansen © side 20

Sveiseforbindelser (lectures notes)Eksempel 2 Kilsveis, langsgåendeFF70lF506 F/28 F/26Figur 14.2Gitt:- manuell buesveising- materiale S355- Msv =1,25 Mst =1,1- f =1,5- sveisene like sterkesom stengeneBESTEM: LStenger:F γfσ AA=? A 1 = 708 = 560mm 2 minst, dimensjonerendeA 2 = 2506 = 600mm 2F γf σ A1fysetter σ σdγF γA1ffγyM stM stA1 fy 560 355 F 120480Nγ γ 1,5 1.1fM stHenning Johansen © side 21

45 0 aSveiseforbindelser (lectures notes)Sveis:σσjjσ2 3τFγ34Afs2 3τ2llFγ34alf3τ2llmaks. 6a maks. = 6sin45 0 = 4,25mmvelger a = 4mmσj opptr. dγMsvfuβWsetterσopptr. dFγ34alfγfu Msv βWF4alf3 γu fMsv βW l 3 f Msv4a fuW F3 1,51,250,9 120480 43,2mm4 4 510Velger l = 50mmHenning Johansen © side 22

Sveiseforbindelser (lectures notes)Eksempel 3 Kilsveis, tversgåendeFF1060FFGitt:- sveisene er like sterkesom stengene- det sveises med manuellbuesveising- materiale er S235- M-stengene = 1,1- M-sveisene = 1,25Stenger:Figur 14.3BESTEM:a) Sveisens a-målb) Kraften Fσ opptr. oγf FAsetter: Opptredende spenning = dimensjonerende spenning, σo σd fd ff FyA MA f F fyM60 10 235 85.455N85,4kN1,5 1,1Henning Johansen © side 23

Sveiseforbindelser (lectures notes)Sveis: 45 045 0 = når vinkel = 45 0 (vanligvis)0 1 σσ τ sin 45 σ 2 σ2 2σ τ 12γf F2Asσjσ2 3τ22 3τll02 3τ242 2 212f F2 Asσjγf F2 As σopptr. oSetter: Opptredende spenning = dimensjonerende spenning,σoσdfdγf F2 AsγMfuβW AsMW 2 fuf F 1,250,8 1.585,4102 3603 251,6mm2 a AsL251,6 4,2mm60Velger a = 5mmHenning Johansen © side 24

Sveiseforbindelser (lectures notes)Eksempel 4Kilsveis, belastet i en skrå retninga170F12045 016Gitt:- manuell buesveising- materiale S355-F = 150kN- M =1,25 f =1,5BESTEM:Sveisens a-målFigur 14.4Sveisens kapasitet pr. lengdeenhet kan beregnes uavhengig av kraftens retning i forhold til sveisens orientering.FW, d fW,d aN/mmSveisens dimensjonerende skjærspenning:ff1510u2W, d τd 261,7N/mmγMw 3 1,25 0,9 31f FFW, d fW,d alsvγf F a l fsvW,d31,5 15010 2,5mm2 170 261,7Velger a = 3mmHenning Johansen © side 25

Sveiseforbindelser (lectures notes)Sveiseforbindelser utsatt for bøyningEksempel 5Bjelke sveist fast i en vegg med kilsveis.Bøyespenning :σbMIbx sveis yhvor:M b = bøyemomentI x = flate treghetsmomenty = avstandSkjærspenning p.g.a. bøying:τbT SI bxsveisshvor:T = skjærkraftS = statisk moment av flatenutenfor beregningsplanetb = bredden av beregningsplanetHenning Johansen © side 26

Sveiseforbindelser (lectures notes)Fordelingen av b og b vises til venstre i figuren under. b = ‖≈Figur 15.1 Bjelke sveis fast i vegg med kilsveis.Figuren viser at skjærspenningen b blir omtrent like stor over hele høyden h og at den er liten i overkant og underkant. Vi kan derfor forenkleberegningene ved å anta at hele skjærkraften tas opp av de vertikale sveisene og at den fordeler seg jevnt over h. Belastningen F ligger parallelt medskjærkraften T, så den tilsvarer:τ ll F2a h(se figuren) b er vanligvis liten. Unntak er for veldig korte bjelker, da blir b (M b ) liten og b blir stor i forhold. Da bør vi beregne b etter gitte ligning.Henning Johansen © side 27

Sveiseforbindelser (lectures notes)Gitt:- F = 6.250N- b = 10mm h = 100mm L = 300mm a = 4mm Kontroller flattstål og sveis.- materiale S235- manuell buesveisingFLATTSTÅL:3M F L 1,5 6250 3002813 10NmmbfIxb h12310 100123 833103mm4σbmaks.MIxbh22813103833103100 168,9N/mm22τ γf F 1,5 6250 9,4N/mm 2b h 101002σj σbmaks. 3τ2168,9222 39,4169,7N/mmOpptredende spenning ≤ dimensjonerende spenningσopptr. σj fdfγyM235 1,1213,6N/mm2169,7 < 213,6 OK!Henning Johansen © side 28

Sveiseforbindelser (lectures notes)SVEIS:Vi må kontrollere snitt A og B i figuren.IxsveisIx sveis1121123 3b 2ah 2a b h 333 410 24100 2410100 1056 10mmSnitt A:MσbAIxbsveis h 281310 a 2 10561033100 4 2 143,8N/mm2‖ = 0σjσ2 τ22 3τll0σ2 3τ2 b0 bσ45 0 τ σ sin 45b b b b b245 0σσj4τ2b 2σb22σb2 σbσjA2 143,8203,6N / mm2Henning Johansen © side 29

Sveiseforbindelser (lectures notes)Henning Johansen © side 30Snitt B:233xbbN/mm133,221001010561028132hIMσsveisA2bbbN/mm94,22133,22στσ2fllN/mm11,71004262501,5ha2Fγτ2222ll22BjN/mm189,411,7394,243ττσσbbKontroll:WMudopptr.jjβγfσσσσA.maks3600,81,25360,6203 OK!ogMubγf2σσ A 2881,25360101,72143,8 OK! ‖

Sveiseforbindelser (lectures notes)Sveiseforbindelser utsatt for vridning- Forbindelser med sirkulære tverrsnitt:Vrispenning:Ipsveisπ32τvd 2aMI4vp sveis d4rhvor:M v = vridemomentI p = polart flate treghetsmomentr = radius, avstand til beregningspunktForenkling:3πdIp sveis agyldig når d >> a4Figur 16.1 Ringformet kilsveis utsatt for vridning.Henning Johansen © side 31

Sveiseforbindelser (lectures notes)Ved innfesting av "kasseprofiler", anvendes:MvBredts formel: τv2AoaHvor:A o = Areal innskrevet av sveisens rot uavhengig av kasseprofilets form.Eksempel:Rektangulært tverrsnittFigur 16.2 Rektangulært tverrsnitt. A o = bh i Bredts formel.τvMhv gyldig når 0,5 22bh abHenning Johansen © side 32

Sveiseforbindelser (lectures notes)OPPSUMMERING Dimensjonerende last: Fd F fF = last som virkerγf= lastfaktor = 1,5 for dominerende nyttelast= 1,05 for andre nyttelaster= 1,2 for egenlastButtsveis og grunnmaterialeOpptredende spenning Dimensjonerende spenning σσ2x σ2y σxσyoptr. 3τ2xyfγdim.yMf y = F = flytegrense for forbindelsens svakeste del M = materialfaktor = 1,1 som for grunnmaterialeKilsveisSpenningskomponenter:Normalspenninger: settes = 0 - normalt på sveiseretningenSkjærspenninger: - parallell med lengderetningen Spenningene antas jevnt fordelt oversveisens rotmål a-mål:Opptredende spenning Dimensjonerende spenning σogσ 3τoptr. 3dim.f2 2 2u (vi setter = 0)γMW fγuM f u = B = bruddfastheten for forbindelsens svakeste del (fra tabell) W = korrelasjonsfaktor avhengig av grunnmaterialets nominelle bruddfasthet (fra tabell) M = materialfaktor = 1,25 for kilsveisHenning Johansen © side 33