7. přednáška

Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně
Ústav konstruování
KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ
strojní součásti
Přednáška 7

Svarové, lepené
a nýtové spoje
Entia non multiplicantor sunt prater
necessitatum.
GALILEO GALILEI

Obsah
Spoje svarové
• Způsoby svařování. Druhy tavných svarů.
• Stanovení napětí v tupém svaru.
• Stanovení napětí v čelním koutovém svaru.
• Výpočtový model koutového svaru.
• Výpočet svarů při základních druzích namáhání.
Spoje lepené
• Využití lepidel v jednotlivých průmyslových odvětvích.
• Druhy lepidel.
• Konstrukce lepených spojů.
• Pevnostní výpočet lepených spojů.
Spoje nýtové
• Nýtování a použití nýtových spojů
• Pevnostní výpočet konstrukčních nýtových spojů
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Svařování
Svařováním vznikají nerozebíratelná spojení místním roztavením spojovaných částí
působením tepla (např. elektrickým obloukem, plamenem, elektronovým paprskem,
laserem, termitem, slévárenské), tlaku (např. ultrazvukem) nebo obou současně (např.
elektrickým odporem, třením, indukční), a to bez použití nebo s použitím přídavného
materiálu.
Spojování působením tepla
Spojování působením tepla a tlaku
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Svařování elektrickým obloukem
Jedná se o nejpoužívanější způsob tavného svařování. Zdrojem tepla je elektrický oblouk
o teplotě až 4 000 °C, který vznikne mezi elektrodou a svařovaným materiálem. Při
svařování se používá stejnosměrného nebo střídavého proudu o napětí 10 až 70 V a
proudu 30 až 500 A. Elektrody mohou být netavné či tavné (holé, obalené).
plynová clona
kovové jádro
obal
svařovací agregát
(zdroj proudu)
držák elektrody
struska
elektroda
el. oblouk
housenka
závar
pracovní kabel
základní
materiál
kabel elektrody
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Svařování el. obloukem v ochranné atmosféře
Při tomto druhu svařování hoří elektrický oblouk v ochranné atmosféře uvnitř plynového
pláště. Jeli použito kovové tavné elektrody metoda se označuje jako GMAW (Gas Metal
Arc Welding) a podle použitého plynu se dále dělí na MAG (Metal Active Gas) v případě
oxidu uhličitého a MIG (Metal Inert Gas) v případě argonu. Jeli použito netavné
wolframové elektrody a argonu, metoda se označuje jako TIG (Tungsten Inert Gas).
Gas Metal Arc Welding
Tungsten Inert Gas
drátová elektroda
směr
svařování
kabel
plyn
přídavný kov
plyn
el. oblouk
svar
dýza
kontakt
plynová clona
wolframová
elektroda
dýza
plyn tryska
el. proud
plynová clona
závar
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Svařování plazmou
Svařování plazmou PAW (Plasma Arc Welding) je metoda velmi podobná TIG. Vznikla
jejím vývojem a zaručuje vyšší produktivitu. Svařování plazmou využívá koncentrace
tepla a dynamického účinku plazmy, což je výsledkem zúžení elektrického oblouku, který
se tvoří mezi wolframovou elektrodou a svařencem. Plazmový plyn, který proudí okolo
elektrody, se vlivem tepla oblouku prudce roztahuje, mění se v plazmu a proudí otvorem
velmi vysokou rychlostí. Sekundární plyn se využívá k vlastní ochraně tavné lázně (Ar,
Ar+H 2
). Svařování plazmou se používá pro náročné spoje v leteckém, kosmickém,
obráběcím, chemickém a ropném průmyslu.
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Svařování bodové (odporové)
Při bodovém svařování se součásti přeplátují a sevřou mezi dvě vodou chlazené elektrody,
kterými prochází elektrický proud. Roztavení a svaření nastává ve stykových plochách
obou součástí, v místě největšího přechodového odporu. Bodové svařování je rychlé a
přesné a lze jej snadno automatizovat.
pohyblivá elektroda
svařované
součásti
pevná elektroda
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Svařování třením
Svařování třením FSW (Friction Stir Welding) lze použít při spojování plechů, v poslední
době hlavně hliníkových, aniž by se dosáhlo jejich bodu tavení. Při svařování třením se
nástroj s cylindrickým ramenem a profilovaným kolíkem otáčí a pomalu se ponořuje do
místa spoje mezi dva kusy plechu nebo do desky materiálu, které se k sobě svařují natupo.
Teplo vzniklé mezi svařovacím nástrojem odolným proti opotřebení a svařencem
způsobuje, že svařenec může změknout, aniž by dosáhl bodu tavení, a tak umožní, že
nástroj přechází podél linie svaru.
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Druhy tavných svarů
Svary tupé
Tvary průřezů svarů
svar
základní materiál
tepelně ovlivněná oblast
Svary koutové přeplátovaných součástí
I nepodložený
V nepodložený
základní materiál
svar
1/2 V nepodložený V dvojstranný
tepelně ovlivněná oblast
Svary koutové skloněných součástí
U nepodložený
U dvojstranný
základní materiál
svar
tepelně ovlivněná oblast
1/2 U nepodložený 1/2 U dvojstranný
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Napětí v tupém svaru
Tupý svar namáhaný na tah
svar
místo koncentrace
napětí
Tupý svar namáhaný na smyk
svar
l
l
F
F
F
F
h
průměrné
normálové napětí
F
σ = průměrné
F
τ =
h ⋅ l
smykové napětí h ⋅ l
h
Zásady pro výpočet svarů:
• Předpokládá se, že rozložení napětí ve svaru je stejné jako v základním materiálu.
• Výpočtový průřez svaru by měl respektovat jen tu jeho část, která má plnohodnotný
průřez - převýšení nebo podložení svaru se ve výpočtu neuvažují.
• Při kombinovaném namáhání svaru se pro jeho posuzování používá redukované napětí.
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Napětí v čelním koutovém svaru
2F
h
a
h
h
F
F
x
t
F n
F S
θ
45º
90 - θ
h
F
F = F⋅sinθ
F = F⋅
cosθ
S
n
y
t h h 2 ⋅ h
= = =
sin 45 sin 90 45 sin 135 cos sin
( + −θ) ( −θ) θ + θ
t
=
h
cosθ
+ sinθ
( )
F F ⋅ sinθ cosθ + sinθ
S
F
τ = = = θ ⋅ θ + θ
A h⋅
l h⋅
l
2
( sin cos sin )
( )
F F ⋅ cosθ cosθ + sinθ
n
F
σ = = = θ + θ ⋅ θ
A h⋅
l h⋅
l
( cos 2 sin cos )
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Napětí v čelním koutovém svaru
Poloha maximálního smykového napětí
2
( θ ⋅ θ + θ)
dτ
F d sin cos sin F 2 2
= ⋅ = ⋅( cos θ − sin θ + 2 ⋅sinθ ⋅ cosθ)
= 0
dθ
h⋅
l dθ
h⋅
l
( θ θ )
cos2 + sin 2 = 0
θ = 67,5
Velikost maximálního smykového napětí
F
F
τ
max
= sinθ ⋅ cosθ + sin θ = sin67,5 ⋅ cos67,5 + sin 67,5
h⋅
l
h⋅
l
2 2
( ) ( )
τ
max
=
1, 21 ⋅ F
h⋅
l
Velikost normálového napětí v místě θ = 67,5º
F 2 F 2 0,5 ⋅ F
σ = ( cos θ + sinθ ⋅ cosθ) = ( cos 67,5 + sin 67,5 ⋅ cos67,5)
=
h⋅ l h⋅l h⋅l
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Napětí v čelním koutovém svaru
Průběh napětí podél úseků AB a BC
Průběh napětí podél úseku DB
D
C
A
B
Norris CH, Welding J. 1945
Salakian AG, Claussen GE, Welding J. 1937
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Výpočtový model čelního koutového svaru
V současné době není možné analyticky přesně spočítat rozložení napětí ve svarovém
spoji. Proto se při jeho výpočtu používá jednoduchý konzervativní model. Ten vychází z
předpokladu, že vnější zatížení je přenášeno pouze prostřednictvím smykových sil,
které působí na účinném průřezu svaru. Normálové napětí se zanedbává.
45º
a
místo stanovení
účinného průřezu
h 45º
Účinný průřez svaru
1
a= h⋅ cos45 = h⋅ ⋅ 2 0,707 ⋅h
2
a je výška největšího rovnoramenného
trojúhelníku vepsaného do průřezu svaru bez
závaru.
Smykové napětí
F
h
l
2F
F 1, 414 ⋅ F
τ = =
0,707 ⋅h⋅l
h⋅l
F
τ 1,17 ⋅τ
max
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Koutové svary – namáhané krutem
smykové napětí od posouvající síly:
smykové napětí od kroutícího momentu:
kroutící moment k těžišti
svarové skupiny
vzdálenost od těžiště svarové skupiny
k nejvzdálenějšímu místu na svaru
polární kvadratický moment průřezu
jednotkový polární kvadratický
moment průřezu, který nejdeme
v tab. 9-1 např.:
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Koutové svary – namáhané ohybem
smykové napětí od posouvající síly:
smykové napětí od ohybového momentu:
ohybový moment
vzdálenost od těžiště svarové
skupiny k nejvzdálenějšímu místu
na svaru v rovině kolmé na rovinu,
kde leží vektor ohyb. momentu
kvadratický moment průřezu
jednotkový kvadratický moment
průřezu, který nejdeme v tab. 9-2
např. pro uvedený typ svaru:
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Výpočet svarů při základních druzích namáhání
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Výpočet svarů při základních druzích namáhání
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Výpočet svarů při základních druzích namáhání
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Označení a vlastnosti elektrod pro ruční svařování
Podle American Welding Sosiety (AWS) se elektrody označují písmenem E a čtyř- nebo
pěti-místným číslem (E6013). První dvě nebo tři číslice značí přibližnou mez pevnosti Rm.
Význam poslední číslice je závislý na svařovací technice, např. značí velikost svařovacího
proudu. Předposlední číslice označuje polohu při svařování, např. vodorovné, svislé
svařování nebo svařování nad hlavou.
Mechanické vlastnosti materiálu elektrod (přídavného materiálu)
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Označení a vlastnosti elektrod pro ruční svařování
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Dovolené napětí ve svaru
Podle American Institute of Steel Construction (AISC) pro konstrukce budov se dovolené
napětí vypočítá z meze kluzu Re. Při stejném typu namáhání svaru je dovolené napětí
stejné jak pro svarový tak i základní materiál. Platí, že Re = 0,5Rm. AISC stanovuje
dovolená napětí podle typu namáhání a typu svaru takto:
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Lepení
Při lepení vznikají spojení pomocí tenké vrstvy (0,05 až 0,15 mm) přídavného materiálu
(lepidla), které při tuhnutí přilne adhezí ke spojovaným částem. Často se kombinuje
lepení s jiným typem spoje. Soudržnost lepeného spoje závisí na adhezi (přilnavosti
lepidla na povrch spojovaných součástí) a na kohezi (vlastní soudržnosti, pevnosti
lepidla).
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Využití lepidel v jednotlivých odvětvích průmyslu
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Lepené spoje v automobilovém průmyslu
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Druhy lepidel
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Konstrukce lepených spojů
Lepené spoje mají značnou únosnost při namáhání na smyk, špatně však přenášejí tah
případně tzv. loupání. Snahou je konstruovat spoj tak, aby byl zatížen jen smykem.
Součásti namáhané tahem se spojují jako přeplátované nebo se zkosením. Výhodné je také
spojovat tenké plechy lemováním a tlustší plechy pomocí spojovacích dílů s drážkami.
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Konstrukce lepených spojů
Experimenty a analytické výpočty ukázaly, že ohybové napětí na koncích spoje ve
slepovaných součástech může být několikrát vyšší než průměrné smykové napětí v těchto
součástech. To může způsobit tzv. loupání (peel).
Smykové napětí a
ohybové napětí
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Konstrukce lepených spojů
V případě loupání (peel) se volí takové konstrukční řešení aby vliv ohybového napětí na
koncích lepeného spoje byl minimální a plocha lepeného spoje byla dostatečná.
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Pevnostní výpočet lepených spojů
Při návrhu a kontrole lepeného spoje vycházíme z toho, že lepený spoj by měl mít stejnou
únosnost jako lepený díl. Pak je možné vypočítat jeden z rozměrů spoje.
σ Dt
je dovolené napětí v tahu dílce.
τ D2
je pevnost lepidla ve střihu, σ pl
je pevnost lepidla v tahu.
F τ
τ = ≤ τD
=
lb . n
sb .. σ = lb .. τ
Dt
D2
D
D
F σ
σ = ≤ σD
=
lb . n
pl
D
Dt
⇒ l = s. σ n
D
= 3÷
4
τ D
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Nýtové spoje
Nýtování probíhá nejčastěji tak, že po vložení nýtu do otvoru ve spojovaných součástech
se podepře přípěrná hlava nýtu a závěrná hlava nýtu se vytvoří roznýtováním
vyčnívajícího konce dříku za tepla nebo za studena pomocí hlavičkáře údery ručního nebo
pneumatického kladiva nebo pomocí strojního lisování. Nýtový spoj lze vytvořit i tak, že
roznýtujeme jednu součást v druhé.
Nýtování se uplatňuje v ocelových konstrukcích různých jeřábů, mostů, budov apod. Dále
se uplatňuje při výrobě kotlů, nádrží a potrubí s přetlakem, kde spoje musí kromě přenosu
zatížení splňovat i požadavek těsnosti. Často se nýtování používá při výrobě plášťů strojů.
Konstrukční a kotlové nýty mají různé tvary hlav. Pro připevnění kůže a plastů se požívají
rozvidlené nýty, tam kde je nýt přístupný jen z jedné strany se užívají nýty výbušné.
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje

Pevnostní výpočet konstrukčního nýtového spoje
Je-li působící síla větší než síla třecí dojde k posunutí spojených součástí po sobě v
rozmezí vůle mezi dříkem a dírou. Tato vůle může vzniknout buď jako důsledek výrobní
chyby nebo v důsledku velkého tlaku a omačkání zejména díry v plechu. Dřík je pak
namáhán na střih, otlačení a na ohyb. Dřík průměru d by měl zcela vyplňovat nýtovou
díru, proto uvažujeme namáhání pouze na střih a na otlačení. Dovolené tlaky jsou u
dynamického namáhání o třetinu menší.
F
F
τ = ≤ τ = (60 80) MPa
2 D
÷
π d
.. is
4
p
F
= ≤ pD
= (120 ÷ 150) MPa
tdi . .
s...počet střižných ploch (1 nebo 2)
i...počet nýtů
F
t...nejmenší tloušťka spojovaných součástí
Přednáška 7 – Svarové, lepené a nýtové spoje