Podstawy Projektowania Inżynierskiego

Podstawy Projektowania Inżynierskiego

Połączenia spawane

Połączenia spawane

Prowadzący:

Prowadzący:

dr inż. Piotr Chwastyk

dr inż. Piotr Chwastyk

e

e

-

-

mail

mail

:

:

[e-mail]

[e-mail]

www.chwastyk.po.opole.pl

www.chwastyk.po.opole.pl

P o l i t e c h n i k a O p o l s k a

P o l i t e c h n i k a O p o l s k a

Wydział Zarządzania i Inżynierii Produkcji

Wydział Zarządzania i Inżynierii Produkcji

Instytut Inżynierii Produkcji

Instytut Inżynierii Produkcji

Połączenia spawane – nr 2

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Obszar wtopienia spoiny

Wiadomości ogólne

Wiadomości ogólne

Połączenia spawane powstają w wyniku nadtopienia brzegów topionych części i

wprowadzenia stopionego materiału dodatkowego (spoiwa) w miejscu łączenia; materiały
te po ostygnięciu tworzą spoinę – wiążącą część w jedną całość.

Połączenie to wykorzystuje zjawisko kohezji (spójność międzycząsteczkowa), w

miejscu podziału powierzchnia ulega zanikowi – połączenie nierozłączne - bezpośrednie.

Jako spoiwo używa się metalu tego samego rodzaju, co metal spawany, np. Przy

spawaniu stali o małej zawartości węgla spoiwem powinna być również stal o małej
zawartości węgla, przy spawaniu żeliwa – żeliwo, przy spawaniu mosiądzu – mosiądz.

Połączenia spawane – nr 3

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Zalety:

• pozwalają na dowolne ustawienie łączonych ścianek, nie wprowadzając

elementów pomocniczych;

• nie osłabiają przekrojów otworami na nity, śruby itp.;
• nie wymagają dodatkowych zabiegów w celu uzyskania szczelności

łączenia;

• wymagają mniej robocizny, mniejszego wyposażenia, mniejsza

powierzchnia warsztatu.

• koszt spawania jest niski np. w stosunku do nitowania o ok. 25%;
• mniejsze zużycie materiałów np. o ok. 10% w stosunku do nitowania;
• konstrukcje spawane są lżejsze i tańsze od konstrukcji odlewanych czy

odkuwanych, a oszczędność materiałów w porównaniu do nich wynosi
od 30 do 60%

Wady:

• wysoka temperatura – naprężenia, zmiany strukturalne i deformacja

kształtu.

• brak możliwości demontażu łączonych elementów

Zalety i wady połączeń spawanych

Zalety i wady połączeń spawanych

Połączenia spawane – nr 4

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

W zależności od źródła ciepła rozróżniamy spawanie:
gazowe – coraz mniejszy zakres stosowania. Temperatura uzyskiwana -
3200

°C. Płomień uzyskujemy – acetylen + tlen, w stosunku 1 ÷ 1,2, g = 1,5 ÷

2 mm – bez dodatkowego metalu. Wprowadzenie dodatkowego metalu:
przedmioty grubsze + możliwość spawania metali różniących się składem
chemicznym.
łukowe – powstanie łuku przez zetknięcie biegunów na skutek wielkich
oporów prądu występujących w miejscu styku dwóch biegunów. Miejsca te
silnie się nagrzewają. Wywołuje to emisję elektronów polegającą na
wypromieniowywaniu swobodnych elektronów z powierzchni metalu, które
zderzają się z cząsteczkami i atomami powietrza, jonizują je, przy czym
powietrze staje się przewodnikiem elektryczności. Zjonizowane cząsteczki z
ładunkiem ujemnym poruszają się w kierunku anody bombardując i oddając
zasób posiadanej energii, przy czym biegun rozgrzewa się bardzo silnie.
Podobnie dzieje się z cząsteczkami z ładunkiem dodatnim, które bombardują
katodę. Temperatura na biegunach zależy od rodzaju prądu (np. prąd
zmienny

≈ 6000°C).Najczęściej stosowane ze względu na szybkie

nagrzewanie się części, obejmuje mniejszą powierzchnię niż przy gazowym.

Rodzaje spawania

Rodzaje spawania

Połączenia spawane – nr 5

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Rodzaje spawania łukowego:

• elektrodą stapiającą się lub niestapiającą się;
• jedną lub dwiema elektrodami, w strumieniu argonu lub helu;
• łukiem bezpośrednim lub pośrednim;
• prądem zmiennym lub stałym;
• łukiem otwartym z ochroną żużlową lub gazową;
• z metalem dodatkowym lub bez;
• ręczne, automatyczne lub półautomatyczne.

Stosowane są bardziej nowoczesne rodzaje spawania:

• spawanie atomowe;
• spawanie plazmowe;
• spawanie elektronowe;
• spawanie laserowe;
• spawanie gorącym powietrzem tworzyw termoplastycznych.

Rodzaje spawania

Rodzaje spawania

Połączenia spawane – nr 6

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Projektując konstrukcję spawaną należy przestrzegać następujące ogólne zasady:
1. Części konstrukcji spawanych staramy się wykonywać z profili znormalizowanych

dążąc do zmniejszenia zastosowanych typowymiarów.

2. Wymiary powierzchni nie wymagających obróbki należy dobrać tak, aby części

wykonać z profili znormalizowanych bez stosowania dodatkowej obróbki.

3. Należy dążyć do zmniejszenia ilości spoin oraz liczby części składowych.

Promienie gięcia nie mogą być zbyt małe.

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Połączenia spawane – nr 7

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

4. Części wykonane z blach powinny mieć krawędzie prostoliniowe. Dobierając

kształt części nie należy naśladować kształtów części wykonanych inną technologią

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Połączenia spawane – nr 8

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

5. Należy unikać ostrych zakończeń części.

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Połączenia spawane – nr 9

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

6. Suma momentów przekroju spoin względem środka ciężkości przekroju konstrukcji

spawanej winna być jak najmniejsza. Osiągać to możemy poprzez stosowanie
symetrycznego rozkładu spoin (rys. a), bądź odpowiedniego doboru długości lub
przekroju spoin (rys. b).

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Połączenia spawane – nr 10

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

7. Wzajemne położenie części spawanych nie powinno utrudniać spawania. Należy

zapewnić widoczność miejsca spawania, swobodny dostęp elektrody oraz w miarę
możliwości, dolną pozycję spawania (zapewniającą najwyższą jakość spoiny)

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Połączenia spawane – nr 11

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

8. Projektując połączenie części profilowanych należy między innymi przeanalizować

możliwe rodzaje wzajemnego ustawienia elementów zwracając uwagę na
technologiczność przygotowania elementów do spawania oraz długości spoin
połączenia. Typowe połączenie profili stosowanych w konstrukcji ram przedstawia
rysunek.

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Zasady projektowania konstrukcji spawanych

Połączenia spawane – nr 12

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Rozróżniamy:

• spoiny nośne (mocne);
• spoiny szczelne;
• spoiny złączne (szczepne).

Rodzaje spoin i ich oznaczenie

Rodzaje spoin i ich oznaczenie

Połączenia spawane – nr 13

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Rodzaje spoin i ich oznaczenie

Rodzaje spoin i ich oznaczenie

Połączenia spawane – nr 14

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Rodzaje spoin i ich oznaczenie

Rodzaje spoin i ich oznaczenie

Połączenia spawane – nr 15

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Rodzaje szwów i połączeń spawanych: a, b, c) połączenia czołowe, d

÷

h) połączenia

pachwinowe; rodzaje szwów: 1 – poprzeczny, 2 – skośny, 3 – wzdłużny, 4 – przerywany, 5 –
przerywany przestawny

Rodzaje szwów

Rodzaje szwów

Połączenia spawane – nr 16

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Obliczenia sprowadzamy do obliczeń wytrzymałości spoiny – która to
jest najsłabszym miejscem połączenia. Mniejsza wytrzymałość spoiny
spowodowana jest

• nieciągłością struktury;
• naprężeniami spawalniczymi, które sumują się z naprężeniami od sił

zewnętrznych.

Naprężenia dopuszczalne:

k

′ = z ⋅ k

gdzie:

k

′ - naprężenia dopuszczalne dla spoiny (k′

r

, k

′

rj

, k

′

rc

)

z – współczynnik wytrzymałości spoiny (jakość spoiny)
k – naprężenia dopuszczalne dla materiału części łączonych (k

r

, k

rj

, k

rc

)

Obliczanie spoin

Obliczanie spoin

Połączenia spawane – nr 17

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Wyżej wymienione informacje wykorzystujemy do obliczeń przybliżonych.
Obliczenia dokładne współwarunkują z takimi czynnikami jak: rodzaj spoiny,

wytrzymałość materiału (im większe R

m

tym mniejsze z), rodzaj obciążenia (statyczne,

dynamiczne) oraz sposobu kontrolowania jakości spoiny.

Obliczanie spoin

Obliczanie spoin

Połączenia spawane – nr 18

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

r

r

k

s

F

'

≤

=

σ

• na rozciąganie lub ściskanie

W zależności od rodzaju obciążenia spoiny czołowe oblicza się:

gdzie:

F – siła [N],
S – przekrój obliczeniowy spoiny (S = a

⋅ l) [m

2

],

k

′

r

, k

′

c

– odpowiednie naprężenia dopuszczalne

na rozciąganie i ściskanie dla spoin [MPa].

c

c

k

s

F

'

≤

=

σ

lub

Początek i koniec długości spoiny, czyli tzw. kratery, są najsłabszymi miejscami w
spoinie, zatem uwzględniając długość dwóch kraterów, przyjmuje się l

rz

= b = l + 2a

lub l = b – 2a

Obliczanie spoin czołowych

Obliczanie spoin czołowych

Połączenia spawane – nr 19

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

• na ścinanie

t

t

k

s

F

'

≤

=

τ

gdzie:

F – siła [N],
S – przekrój obliczeniowy spoiny (S = a

⋅ l) [m

2

],

k

′

t

– naprężenia dopuszczalne na ścinanie dla spoin [MPa].

Obliczanie spoin czołowych

Obliczanie spoin czołowych

Połączenia spawane – nr 20

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

g

x

g

g

k

W

M

'

≤

=

σ

• na zginanie

gdzie:

M

g

– moment zginający [Nm],

W

x

– osiowy wskaźnik przekroju spoiny [m

3

],

k

′

g

– naprężenia dopuszczalne na zginanie dla spoin [MPa].

6

2

g

b

W

x

⋅

=

Obliczanie spoin czołowych

Obliczanie spoin czołowych

Połączenia spawane – nr 21

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Spoiny pachwinowe obliczamy umownie na ścinanie w najmniejszym
przekroju spoiny, dla obciążeń rozciągających, ściskających i
ścinających stosujemy wzór:

t

t

k

s

F

'

≤

=

τ

Obliczeniowa grubość spoiny

a = h

⋅ cos 45° ≈ 0,7h

gdy

h = g

⇒ a = g ⋅ cos 45° ⇒ a = 0,7 ⋅ g

Obliczanie spoin pachwinowych

Obliczanie spoin pachwinowych

Połączenia spawane – nr 22

Połączenia spawane

Połączenia spawane

dr inż. Piotr Chwastyk

Spoina przenosi moment zginający

]

[

15

3

mm

a

≤

≤

g

x

g

g

k

W

M

'

≤

=

σ

6

2

l

a

W

x

⋅

=

gdzie:

M

g

– moment zginający [Nm],

W

x

– osiowy wskaźnik przekroju spoiny [m

3

],

k

′

g

– naprężenia dopuszczalne na zginanie dla spoin [MPa].

Obliczanie spoin pachwinowych

Obliczanie spoin pachwinowych