LAHDEN ALUEEN KEHITTÄMISYHTIÖ. Suunnittelun merkitys tuotantokustannuksiin hitsauksessa

Transkriptio

1 Engineering and Technical Services since 1973 LAHDEN ALUEEN KEHITTÄMISYHTIÖ Suunnittelun merkitys tuotantokustannuksiin hitsauksessa Dipl. Ins. Juha Kemppi CTS Engtec Oy CTS Engtec Oy Kaikukatu 7, P.O. Box 193, FI Kouvola, Finland Tel.: +358 (0) , Fax: +358 (0)

2 Suunnittelijan vaikutusmahdollisuudet tuotannon kustannuksiin 100 Kustannuksiin vaikuttaminen (materiaali, valmistus) Oman toiminnan kustannukset % Suunnittelutuntien aiheuttamat kustannukset 36% 40% 20 20% 18% 6% 7% 3% 0 Tuotekehittely Suunnittelu Työn esivalmistelu Valmistus Osto Materiaalitoiminnot Hallinto Myynti Kustannuksiin vaikuttaminen ja kustannusten muodostuminen konepajan eri osastoilla

3 Liitosten jako tyyppeihin Teräsrakenteiden toteuttaminen Hitsausliitokset jaetaan eri tyyppeihin. Suunnittelijan ja valmistajan on syytä tunnistaa liitostyypit ja niiden päätoiminto. Liitosten mitoituskriteerit ja laatuvaatimukset riippuvat selkeästi päätoiminnosta. Voimaliitos Kiinnitysliitos Sideliitos Varusteluliitos

4 Voimaliitos-liitoksen päätoiminto Kuva 1 sisältää esimerkkejä voimaliitoksista. Niiden tarkoituksena on välittää rakenneosassa vaikuttava Voima tai momentti seuraavaan rakenneosaan. Voimaliitoksille on ominaista, että ne suunnitellaan usein yhtä lujiksi Kuin heikompi liitettävistä rakenneosista. Vaikuttavaan voimaan nähden poikittainen päittäishitsi, kuva 1, tehdään aina täysin läpihitsattuna laatuna, jolloin se on vähintään yhtä luja kuin perusaine. Päätoiminto liitos välttämätön, jotta rakenne pysyisi koossa (voimavuo rasittaa) liitos kytkee sarjaan liitettävät rakenneosat kuormana primaarinen veto/puristus tai leikkaus

5 Voimaliitos Staattinen maksimikuorma yleensä mitoitettava, tehdään tasalujaksi ympäröivän rakenteen kanssa Palkkirakenteissa lyhyehköjä hitsejä Voimaliitoksia on rakenteissa ehkä noin % Tämän päivän trendi on ylimitoittaa hitsit voimahitseiksi ja aiheuttaa kustannuksia valmistukseen, oikominen, hitsausjännitykset

6 Voimaliitos Kuva 1. Tyypillisiä voimaliitoksia a) I-Palkin laippojen ja uuman jatkoshitsit b) Palkin liitos pilariin c) Nostokorvake d) Paineastian ja vaipan hitsisaumat

7 Kiinnitysliitos Valta-osa hitseistä on kiinnityshitsejä, jotka voidaan hitsata kevyemmin. Rasituksena on kaulahitsin leikkausvoima Päätoiminto Tarvitaan estämään rakenneosia liukumasta toistensa suhteen Kuormana leikkaus Mitoitetaan staattisen kuormituksen perusteella (staattinen momentti) Pitkiä hitsejä, pienet a-mitat. Kiinnitysliitoksilla kootaan profiileja Puolivalmisteet, esimerkiksi hitsatut levypalkit. Kaulahitsit mitoitetaan usein tasalujana kiinnitysliitoksena, koska tulevaa käyttöä ei tunneta Tällaisissa kiinnityshitseissä voidaan saavuttaa huomattavia säästöjä, jos ne mitoitetaan laskelmiin perustuen, niin kuin usein varmaan tapahtuu. Kiinnityshitsit ovat usein hyvin pitkiä, joten kustannus-säästö saattaa olla merkittävä

8 Kiinnitysliitos Kiinnitysliitos a) Uuman ja laipan kaulahitsit b) Uuman L-rauta jäykisteen kiinnityshitsi c) Kylmämuovatuista osista kootun profiilin kiinnityshitsit a) Oikean puoleinen kuva näyttää profiilin osien liukumisen toistensa suhteen, jos kiinnityshitsiä ei ole

9 Sideliitos Sideliitoksille ei ole olemassa yhtä selviä lujuusopin avulla määräytyviä mitoitus-perusteita kuin voima- ja kiinnitysliitoksille. Kuva esittää tyypillistä sideliitostapausta. Niiden tarkoituksena on sitoa rinnakkaiset osat toisiinsa siten, etteivät ne pääse nurjahtamaan erillisinä. Tällaisen liitoksen mitoituskuormana käytetään tavallisesti voimaa, joka on suunnitteluohjeen määräämä % osien puristuskuormituksesta. Tällainen sivuttainen voima syntyy osien oletetusta muotopoikkeamasta. Niinpä kuvan puristussauvassa aiheuttaa alkutaipuma sauvaan leikkausvoiman Q, joka vuorostaan aikaansaa sidelevyjen liitoksiin mm. taivutusmomentteja. Levyn lommahduksen poikittaiset jäykisteet kuten poikkileikkausta muodossa pitävät väliseinät ovat usein sideliitoksia. Sen sijaan pituussuuntaiset jäykisteet toimivat mukana uuman ja laipan staattisissa arvoissa ja ovat näin ollen kiinnitysliitoksia.

10 Sideliitos Päätoiminto Tarvitaan vain sekundaaristen rasitusten vuoksi ( alkutaipumat, stabilius) Kuormituksena veto/puristus tai leikkaus Mitoittava voima on epämääräinen( 2 % puristusosan kuormasta) Väsyttävä kuorma on otettava muotoilussa huomioon

11 Sideliitos Tyypillisiä sideliitoksia Sidelevyin koottu puristussauva ja siihen kohdistusva poikittaiskuorma V ja sen sidelevyyn aiheuttama momentti M Kotelopalkin puristuslaipan ja pitkittäisjäykisteiden sideliitos poikittaiseen väliseinään tai poikittaisjäykisteisiin.

12 Varusteluliitos Suunniteltavaan rakenneosaan tulee usein myös sellaisia hitsejä, jotka eivät ole lainkaan tarpeellisia rakenneosan oman toiminnan tai lujuuden kannalta. Näillä ns. varusteluhitseillä liitetään esim. kaapelien ja putkien kiinnikkeitä, tikkaita, kaiteita, ym. varusteita. Staattisesti kuormitetussa rakenneosassa ei näistä hitseistä ole haittaa, kunhan ne tehdään hyvää konepaja-käytäntöä noudattaen ja täyttävät mm. korroosiosuojauksen asettamat vaatimukset. Väsyttävästi kuormitetuissa rakenteissa on voimaa kantamattomien varusteluhitsien laadun oltava yhtä hyvä kuin muidenkin hitsien. Ilman valvontaa ne saattaisivat tulla liian pieniksi perusaineen paksuuteen nähden ja seurauksena voisi olla esim. päätekuopan halkeama. Rasitettuihin kohtiin ei ole syytä myöskään sallia yksipuolisia poikittaisia pienahitsejä, joiden juuren puoli on alttiimpi väsymiselle kuin ympärikiertävän pienan tai kaksoispienahitsin juuri. Näistä syistä olisi toivottavaa, että kaikki varusteluhitsitkin laatuvaatimuksineen esitettäisiin väsyttävästi kuormitetun rakenteen työpiirustuksissa.

13 Varusteluliitos Päätoiminto Tarvitaan varusteiden kiinnittämiseksi ( hydrauliikka, sähkö, eristeet) Kuormana veto/puristus tai leikkaus Lämmöntuonti usein mitoittava Väsymismitoituksen kannalta sijoittelu on tärkeä Ruuviliitos, pantakiinnitys tai liimaus on usein parempi vaihtoehto

14 Varusteluliitos Tyypillisiä varusteluliitoksia

15 Yhteenveto liitostyypin valinnasta Yhteenveto Oleellista on, että liitoksen laatu osataan vaatia siellä missä se on rakenteen käytön kannalta tärkeää Liitosten toimintatapa on osattava tunnistaa, Voimaliitos, kiinnitysliitos, sideliitos tai varusteluliitos Näin voidaan välttää turha ylimitoitus Kaikki hitsit eivät ole voimaliitoksia ja tasalujia

16 Hitsausliitosten ylimitoituksesta Hitsausliitosten ylimitoitus Tämän päivän trendi on käyttää tasalujaa mitoitusta Suunnittelija ovat oppineet mikä on turvallinen tasaluja mitoitus Se johtaa ylisuuriin a-mittoihin ja muodonmuutoksiin sekä hitsausjänniyksiin Hitsien mitoitus lämmöntuonnin mukaisesti Liian vähän lämpöä >> kylmähalkeiluvaara ja haurasmikrorakenne( etenkin varusteluhitsit ja silloitus sekä nuorrutusteräkset) Liian paljon lämpöä >>kuumahalkeiluvaara, rakeenkasvu ja lujuuden menetys ( etenkin lujat teräkset)

17 Hitsauksen aiheuttamat muodon muutokset Hitsin jäähtymisestä johtuva puristava voima F = C x Aw C on vakio Aw on yksipalkohitsin sulana ollut pinta-ala Ylisuuret hitsit siirtävät kustannukset tuotannolle Suunnittelussa säästetty kustannus tulee moninkertaisena tuotannolle

18 Hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset Hitsauksen muodonmuutokset

19 Hitsausmuodonmuutokset Hitsauksen muodonmuutokset Poikittaiset ja pitkittäiset muodonmuutokset

20 Ylimitoituksesta a-mitta kohdalleen, sillä ylimitoitus Aiheuttaa lisäkustannuksia ( lisäaineet ja työ) Aiheuttaa ylimääräisiä muodonmuutoksia Aiheuttaa metallurgisia heikennyksiä( kerralla hitsattava liian iso palko on huono, tuo liikaa lämpöä, ei a-mitan koko sinänsä) Ylimitoituspienahitseissä on suhteessa a- mitan toiseen potenssiin ( V= a x a )

21 Pienahitsin kustannus (a): Ylimitoitus pienahitseissä

22 Pienahitsin kustannus Perussääntö Jos levyn paksuus on 1/ tuumaa, kannattaa seevata Pienahitsin ja V-railon kustannukset