חיבור ריתוך פילה: התנגדות לפי EN 1993-1-8 §4

ריתוך פילה (fillet weld) הוא טכניקת החיבור הנפוצה ביותר במבני פלדה מרותכים בישראל ובעולם. הריתוך יוצר גוש מטלי משולש בצורת משולש ישר-זווית בין שני לוחות פלדה הפונים זה לזה בזווית 90 מעלות, תוך מילוי הפינה בחומר מילוי (filler metal) שהותך על ידי קשת חשמלית. היתרון של ריתוך פילה הוא שאינו דורש הכנה מיוחדת של הקצוות (אין צורך לחרוט או לשפץ את הלוחות), ההרכבה פשוטה, והחיבור יכול להיות נקי וחזק כאשר הוא מבוצע היטב. החיסרון הוא שהחוזק של הריתוך תלוי באיכות הביצוע במידה רבה, והחלשה יחסית של האזור המושפע חום (Heat Affected Zone, HAZ) במתכת הבסיס סביב הריתוך. הפרמטר הגיאומטרי החשוב ביותר של ריתוך פילה הוא עובי הגרון a (throat thickness), המוגדר כמרחק הקצר ביותר מקצה השורש של הריתוך אל פני הגרון. עבור ריתוך פילה שווה-רגל עם אורך רגל s, עובי הגרון הוא a = 0.707·s , כי זה המרחק אל נקודת האמצע של ההיפוטנוזה במשולש ישר-זווית. הנוסחאות של EN 1993-1-8 §4 מחשבות את התנגדות הריתוך על בסיס עובי הגרון הזה, לא על בסיס אורך הרגל הנומינלי. הבדלה חשובה זו מסבירה למה הכפלה של אורך הרגל מ-4 מ"מ ל-8 מ"מ מכפילה את הקיבולת פעמיים אלא רק פעם ואחת (a גדל פי 2, אבל L_w לא השתנה). ה-HAZ הוא אזור של כ-2–5 מ"מ סביב הריתוך שעבר מחזור חום מהיר (חימום מעל 900°C ואז קירור מהיר) ושינה מטלורגית את המבנה הגרעיני של הפלדה. בפלדות S235 ו-S275 ה-HAZ שומר על חוזק דומה למתכת הבסיס. בפלדות S355 וS460 ה-HAZ עלול להיות אזור של חולשה יחסית אם הריתוך בוצע במסגרת לא מבוקרת — קור מדי מהיר עלול ליצור מבנה מרטנסיטי שביר, חימום מדי איטי עלול ליצור גרעין גדול בעל חוזק מופחת. לכן ריתוך של פלדות חזקות דורש שליטה בכימיית האלקטרודה, בטכניקת הריתוך, ולעיתים גם בחימום מוקדם של הלוח (preheat ל-100–150°C).

שיטת החישוב הפשוטה של EN 1993-1-8 §4.5.3.3 מניחה את כל המתחים בריתוך פילה כמתחי גזירה שווים ומשתמשת בנוסחה אחת לכל כיווני העומס. שלב 1: חוזק הגזירה התכנוני של הריתוך f_vw,d = f_u / (√3 · β_w · γ_M2) , כאשר f_u הוא חוזק המשיכה של לוח הבסיס (S235: 360, S275: 430, S355: 490, S460: 540 MPa), β_w הוא מקדם קורלציה התלוי בדרגת הפלדה, ו-γ_M2 = 1.25 הוא מקדם הבטיחות. שלב 2: התנגדות הריתוך למ"מ אורך F_w,Rd = f_vw,d · a , היחידות של F_w,Rd הן N/mm או kN/mm. שלב 3: התנגדות כוללת F_total = F_w,Rd · L_w · n , כאשר L_w הוא אורך הריתוך ו-n הוא מספר הריתוכים (למשל n=2 בריתוך דו-צדדי). מקדם הקורלציה β_w תלוי בדרגת הפלדה של לוח הבסיס, לא בחומר המילוי עצמו: S235 β_w=0.80; S275 β_w=0.85; S355 β_w=0.90; S460 β_w=1.00. ככל ש-β_w גדול, חוזק הגזירה המותר של הריתוך קטן. הסיבה היא שה-HAZ וההתנהגות של פלדה חזקה תחת ריתוך פחות צפויים, ולכן נדרש מקדם בטיחות גדול יותר. זו הסיבה שריתוך S460 אינו נותן יתרון כלכלי פשוט — הגידול בחוזק של הפלדה מתקזז על ידי הגידול של β_w. המחשבון מציע אוטומטית את ערכי β_w בטווח הבחירה של דרגת הפלדה, מחשב את f_vw,d, את עובי הגרון a = 0.707·s, ואת F_w,Rd ל-mm ואת הקיבולת הכוללת לאורך המלא של הריתוך. חשוב: הנוסחה הפשוטה מניחה תפר ריתוך מקיף את כל הקצה (fully developed fillet weld) ללא פגמים. חלק בלתי מרותך (intermittent fillet weld) דורש חישוב מנחה לפי אורך מרותך אמיתי בלבד, ופגמים של פחות מ-3 מ"מ קבועים אינם מסוכנים בחיבורים סטטיים אבל פוסלים חיבורים דינמיים.

פרויקט מסגרת פלדה במתחם תעשייה באשקלון: ריתוך פילה בין גלה אופקית לעמוד אנכי, אורך רגל s=6 מ"מ, אורך ריתוך L_w=200 מ"מ, פלדת לוח S355 (f_u=490 MPa, β_w=0.90), ריתוך דו-צדדי n=2. הזנה למחשבון: legLength=6, weldLength=200, plateGrade='S355', numberOfWelds=2. חישוב: a = 0.707·6 = 4.24 mm; f_vw,d = 490 / (√3·0.90·1.25) = 490 / 1.949 = 251.4 MPa; F_w,Rd למ"מ = 251.4·4.24 = 1066 N/mm = 1.066 kN/mm; F_total = 1.066·200·2 = 426 kN. הקיבולת הכוללת של החיבור היא 426 קילו-ניוטון, לעומת כ-426/2 = 213 kN לריתוך חד-צדדי. השוואה עם פלדה חלשה יותר, S235 (f_u=360, β_w=0.80): f_vw,d = 360 / (√3·0.80·1.25) = 360 / 1.732 = 207.8 MPa; F_w,Rd = 207.8·4.24 = 881 N/mm; F_total = 881·200·2 = 352 kN. למרות ש-β_w קטן יותר, החוזק f_u נמוך יותר, והתוצאה הכוללת פחות מ-S355. במקרה זה המעבר מ-S235 ל-S355 מעניק שיפור של 21% בקיבולת הריתוך — יתרון שמצדיק את הפרש המחיר של הפלדה. מה קורה אם נגדיל את s מ-6 ל-8? a יגדל ל-0.707·8 = 5.66 mm (יחס של 33%), ו-F_total יגדל באותו יחס ל-567 kN ב-S355. אבל יש מגבלה: s מקסימלי תלוי בעובי הלוח הדק יותר t_min. לפי EN 1993-1-8, s ≤ 0.7·t_min כדי להימנע מעיוות תרמי של הלוח ומפגיעה במתכת הבסיס. לוח 10 מ"מ לא יכול לקבל יותר מריתוך s=7 בבטחה מלאה.

הנוסחה הפשוטה של EN 1993-1-8 §4.5.3.3 תקפה לטווח סטנדרטי של גיאומטריות ריתוך. ראשית, יש מגבלת אורך: ריתוך פילה ארוך מאוד (L_w > 150·a) סובל מחלוקת מתח לא אחידה לאורכו, עם ריכוזי מתח בקצוות. במקרה זה יש להפחית את הקיבולת עם מקדם β_Lw,1 = 1.2 − 0.2·L_w/(150·a) אם הריתוך עובר כוח לאורכו (כגון בתפרי אורך), או להשתמש במקדם β_Lw,2 לכוחות רוחביים. המחשבון אינו מפעיל את המקדם הזה אוטומטית, ולרוב הריתוכים במבני פלדה רגילים (L_w עד 500 מ"מ) הוא לא רלוונטי. שנית, הנוסחה מניחה שהפינה בין שני הלוחות קרובה ל-90 מעלות. עבור זוויות שונות (40° עד 120°) יש להתאים את חישוב עובי הגרון הגיאומטרי. זוויות מתחת ל-60° או מעל 120° מקבלות טיפול מיוחד בהתאם ל-§4.3.2. המחשבון תקף לזווית 90° בלבד, הסיטואציה הנפוצה ביותר. שלישית, איכות הביצוע: הנוסחה מניחה ריתוך מלא וחד-מושך, ללא pores (פגמים נקבוביים), inclusions (מכילים זרים), undercut (חיתוך יתר של מתכת הבסיס), או lack of fusion (חוסר התמזגות). בפועל ריתוך ידני באתר עם אלקטרודה מצופה (SMAW) לרוב סובל מפגמים קלים הניתנים לסיבולת; ריתוך אוטומטי במפעל (SAW, GMAW) באיכות גבוהה יותר. קלאס איכות הבדיקה נקבע לפי EN ISO 5817: קלאס B ("high") נדרש לפרויקטים מבניים קריטיים עם עומסי עייפות; קלאס C ("intermediate") מספיק לרוב החיבורים הסטטיים; קלאס D ("moderate") מתאים רק לאלמנטים משניים. תחום תקף של המחשבון: s בין 3 ל-20 מ"מ, L_w בין 20 ל-2000 מ"מ, פלדות S235 עד S460, ריתוך פילה שווה-רגל בזווית 90°. לחיבורים חריגים (ריתוך butt, ריתוך משולב, ריתוך קיתר מלא) יש לעבור לחישוב מלא לפי EN 1993-1-8 §4.3 ואילך. כלים משלימים: מחשבון חיבור ברגים (EC6) להשוואה מהירה בין חיבור מרותך לחיבור מברג, ומחשבון לוחית בסיס (EC8) לתכנון הריתוך שבין העמוד ללוחית הבסיס.