3. POŁĄCZENIA SPOJENIOWE

3.1. POŁĄCZENIA SPAWANE

Spawanie polega na doprowadzeniu (przez
ogrzewanie) do nadtopienia powierzchni styku
łączonych części i wprowadzeniu dodatkowego
metalu (spoiwa) w miejsce łączenia, również w
stanie stopionym. Po skrzepnięciu metalu
otrzymujemy spoinę. Spoiwo o składzie
chemicznym zbliżonym do składu chemicznego
metalu części łączonych stosuje się w postaci drutu
spawalniczego lub elektrod. Do materiałów łatwo
spawalnych zaliczamy stale niskowęglowe (do ok.
0,25% C).

Jako spoiny nośne (przenoszące obciążenie) stosuje
się głównie spoiny czołowe i pachwinowe, dlatego
poniższe obliczenia wyt-rzymałościowe zostały
ograniczone do tych dwu rodzajów spoin.

W obliczeniach połączeń spawanych
stosujemy następujące oznaczenia:

naprężenia

dopuszczalne dla

połączeń

spawanych w

MPa.

S’- przekrój obliczeniowy spoin w cm

2

,

a - grubość obliczeniowa spoiny w cm

2

,

l - obliczeniowa długość spoiny w cm,
l

r

- rzeczywista długość spoiny (łącznie z

kraterami) w cm,
h - wysokość spoiny w cm,
z - współczynnik wytrzymałości spoiny,
zależny od rodzaju obciążenia.

'

'

'

'

'

'

'

'

'

'

'

;

;

;

;

;

;

;

to

tj

t

go

gj

g

cj

c

rc

rj

r

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

W złączu spawanym najsłabszym miejscem jest
spoina, dlatego obliczanie wytrzymałości połączeń
spawanych sprowadza się do obliczenia spoiny.
Spoiny obliczamy na podstawie ogólnych warunków
wytrzymałościowych w zależności od rodzaju
obciążenia. Do obliczeń przybliżonych wartości
naprężeń dopuszczalnych dla spoin przyjmujemy
zależności

np.

itp.

(3.1)

W zbiorze zadań przyjęto (zgodnie z danymi
podanymi w podręczniku „Części maszyn")
następujące wartości współczynnika z:

k

z

k





'

;

'

'

gj

gj

r

r

k

z

k

k

z

k









-dla spoin czołowych

przy rozciąganiu z = 0,8,
przy zginaniu z = 0,9,
przy ścinaniu z = 0,65,

- dla spoin pachwinowych (niezależnie od rodzaju
obc.) z=0,65

Uwaga:
Wytrzymałość spoiny zależy od wielu czynników, w
tym od rodzaju spoiny, wytrzymałości materiału,
rodzaju obciążenia, warunków i jakości spawania,
dokładności kontroli spoiny, położenia spoiny i
fachowości spawacza. W literaturze podane są
dokładniejsze metody obliczania naprężeń
dopuszczalnych dla spoin, zwłaszcza przy
obciążeniach zmiennych. Polegają one głównie na
przyjmowaniu różnych wartości współczynników
(np. z, z

o

, z

a

) uwzględniających wpływ podanych

czynników na wytrzymałość spoiny. W przykładach i
zadaniach będziemy stosować wyłącznie zależność
3.1, zarówno dla obciążeń statycznych, jak i
zmiennych.

Spoiny pachwinowe oblicza się zawsze na ścinanie
w przekroju niebezpiecznym (najmniejszym), nawet
jeśli występuje złożony stan naprężeń. Stosuje się
przy tym następujące wzory:

- w przypadku obciążeń rozciągających,
ściskających i
ścinających

(3.2)

- w przypadku obciążeń zginających wytrzymałość
spoiny
pachwinowej obliczamy umownie wg wzoru

(3.3)

gdzie: W

x

- wskaźnik wytrzymałości

przekroju

spoiny.

'

'

t

t

k

S

F







'

'

t

x

g

t

k

W

M







Naprężenia dopuszczalne dla spoin pachwinowych
obliczamy zgodnie z zależnością 3.1:

(3.4)

Przekrój S’ spoiny czołowej przyjmujemy równy
przekrojowi łączonych elementów; natomiast w
przypadku spoiny pachwinowej

(3.5)

gdzie

(3.6)

Grubość obliczeniową spoiny a zaokrągla się do
całych mm (z niedomiarem), przy czym należy
zachować warunek 3 mm < a < 15 mm.

;

65

,

0

;

65

,

0

;

65

,

0

'

'

'

to

to

tj

tj

t

t

k

k

k

k

k

k







l

a

S





'

h

h

a

7

,

0

45

cos









Długość spoin pachwinowych

(3.7)

Wartość 3a dodajemy ze względu na kratery, tj.
końcówki szwu spawanego, nie przenoszące
obciążenia. W przypadku czołowego spawania
blach wpływ kraterów na wytrzymałość spoiny
można pomijać, jeżeli spoinę wprowadzamy na
podkładki, które potem odcinamy.

W przeciwnym razie

(3.8)

gdzie b - szerokość pasa blachy równa długości
spoiny l.

a

l

h

l

l

rz

3

2









a

b

l

rz

2





Przy łączeniu kątowników z blachą węzłową spoiny
leżą niesymetrycznie względem linii działania siły
(linii środków ciężkości przekrojów elementu
spawanego). W celu zapewnienia jednakowych
naprężeń w obu szwach obciążenie poszczególnych
spoin obliczamy wg wzorów

lub

(3.9)

Długości spoin obliczamy z odpowiednich wzorów
wytrzymałoś-ciowych w zależności od wartości
wyznaczonych sił F

1

i F

2

b

e

F

F

2

1





b

e

F

F

1

2





3.2. POŁĄCZENIA ZGRZEWANE

Zgrzewanie polega na nagrzaniu łączonych
elementów do stanu ciastowatości i silnym ich
dociśnięciu, bez stosowania spoiwa. Zgrzewanie
umożliwia łączenie ze sobą różnych metali, a nawet
metali i materiałów niemetalowych. Stosuje się
zgrzewanie: punktowe, liniowe, garbowe i
doczołowe.

W obliczeniach wytrzymałościowych połączeń
zgrzewanych mają zastosowanie te same wzory,
według których są obliczane połączenia spawane.

Zgrzeiny punktowe należy tak projektować, aby
pracowały na ścinanie, gdyż ich wytrzymałość na
inne rodzaje naprężeń (rozciąganie, zginanie,
skręcanie) jest bardzo mała, a przy obciążeniach
zmiennych praktycznie równa się zeru.

Wartości naprężeń dopuszczalnych dla zgrzein
punktowych obliczamy wg wzoru :

(3.10)

gdzie z = 0,35 - 0,6 przy obciążeniach

statycznych.

Średnice zgrzeiny punktowej dla części stalowych
przyjmujemy w zależności od grubości zgrzewanych
blach:
dla g = 0,5 mm - d = 4 mm, analogicznie dla 1 - 5
mm, dla 1,5 - 6 mm, dla 2 - 7 mm, dla 2,5 - 8 mm
oraz dla g = 3 mm - d = 9 mm.

Przy różnych grubościach łączonych blach średnicę
zgrzeiny przyjmujemy według blachy cieńszej.

t

t

k

z

k





'

Zgrzeiny doczołowe obliczamy wytrzymałościowo
tak, jak spoiny czołowe. Wartość naprężeń
dopuszczalnych przyjmujemy w tym przypadku wg
wzoru

(3.11)

stosując

z = 0,7 - 0,85 - dla zgrzewania zwarciowego,
z = 0,8 - 0,95 - dla zgrzewania iskrowego.

W przypadku zgrzewania materiałów o różnych
własnościach wytrzymałościowych do wzoru 3.3
jako k podstawiamy wartość naprężeń
dopuszczalnych materiału o mniejszej
wytrzymałości (słabszego).

k

z

k





'