POŁĄCZENIA SPAWANE

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Spawalność materiału zależy nie tylko od samego spawanego
tworzywa, lecz związana jest z szeregiem innych czynników
wynikających z przyjętej technologii spawania oraz rozwiązania
konstrukcyjnego. Spośród wielu definicji spawalności wybrać
można tę, według której jest to miara zdolności do tworzenia
połączeń za pomocą spawania, które spełniałyby stawiane im z
góry wymagania.

Określenie spawalności i budowa
spoiny

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

W wyniku spawania uzyskuje się połączenie, w którym wyróżnić
można trzy obszary pokazane na rys.:
1. spoinę (przetopiony metal o strukturze odlewu),
2. strefę wpływu ciepła (materiał łączony o zmienionej strukturze
na skutek oddziaływania cieplnego)
3. materiał podstawowy zwany też rodzimym (o strukturze nie
ulegającej mianom pod wpływem spawania).

Określenie spawalności i budowa
spoiny

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Szerokość  i  własności  strefy  wpływu  ciepła  zależą  od  rodzaju
materiału  podstawowego  i  spoiwa,  wymiarów  (szczególnie
grubości)  spawanego  elementu,  a  także  od  warunków  spawania.
Zmiany

struktury

powodują

zróżnicowanie

własności

mechanicznych połączenia. Niekiedy niejednorodności struktury i
własności mechanicznych mogą być tak duże, że złącze w stanie
surowym  po  spawaniu)  jest  nieprzydatne  do  eksploatacji;
wówczas  wymagana  jest  odpowiednia  obróbka  cieplna.
Szczególnie niebezpieczny — w przypadku elementów spawanych
pracujących  przy  obciążeniach  udarowych  i  zmiennych  —  jest
znaczny  wzrost  twardości  w  strefie  wpływu  ciepła  powodujący
tzw. karb strukturalny. Ponadto procesy cieplne i zmiany struktury
są  przyczyną  pojawienia  się  naprężeń  własnych,  które  niekiedy
istotnie pogarszają własności eksploatacyjne połączenia, a nawet
doprowadzają do powstania pęknięć.

Określenie spawalności i budowa
spoiny

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Spoina  czołowa  ograniczona  jest  linią  wtopienia  w  materiał
rodzimy  oraz  licem  i  granią.  Linia  wtopienia  powstaje  w  wyniku
częściowego  roztopienia  brzegów  materiału  podstawowego  i
przemieszania go z płynnym spoiwem. Prawidłowo ukształtowane
lico  spoiny  winno  być  lekko  wypukłe;  wypukłość  lica  wystająca
ponad  grubość  blachy  nazywa  się  nadlewem,  a  jego  krawędź  —
brzegiem lica spoiny.
Od strony grani spoina powinna być lekko pogrubiona i łagodnie
przechodzić  w  powierzchnię  łączonych  elementów.  Unika  się  w
ten sposób spiętrzenia naprężeń wywołanego obecnością karbów.
Z tego samego względu lico spoiny pachwinowej nie powinno być
wypukłe.

Określenie spawalności i budowa
spoiny

Budowa spoiny: a)
czołowej,
b) pachwinowej

1 — lico, 2 — brzeg lica
spoiny, 3 — linia
wtopienia,
4 — grań

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Istnieje szereg metod spawania stosowanych w budowie maszyn,
z których najważniejsze sklasyfikowane zostały na diagramie oraz
pokrótce scharakteryzowane poniżej.

Charakterystyka podstawowych metod
spawania

Klasyfikacja
podstawowych metod
spawania stosowanych
w budowie maszyn

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Spawanie elektryczne. Przy spawaniu elektrycznym źródłem ciepła może
być  łuk  elektryczny  (spawanie  łukowe),  rezystancja  (spawanie  żużlowe),
energia  wiązki  elektronów  (spawanie  elektronowe)  bądź  energia  świetlna
(spawanie laserowe).
Spawanie  łukowe  polega  na  jarzeniu  się  łuku  elektrycznego  pomiędzy
elektrodą  a  brzegami  łączonych  elementów.  Elektrody  mogą  być  topliwe  i
wówczas  dostarczają  one  spoiwa,  lub  nietopliwe,  wtedy  zachodzi
konieczność  dodawania  spoiwa.  Spawanie elektrodami topliwymi może  być
ręczne, łukiem krytym, w stru mieniu gazów ochronnych obojętnych (metoda
MIG  —  skrót  od  angielskich  słów:  Metal  Inert  Gas)  lub  aktywnych  (metoda
MAG  —  Metal  Active  Gas).  Przy  spawaniu  elektrodami  nietopliwymi  stosuje
się  gaz  ochronny  obojętny  (metoda  TIG  —  Tungsten  Inert  Gas)  bądź
zjonizowany (spawanie plazmowe).
Spawanie  łukowe  ma  szereg  zalet,  do  których  zaliczyć  należy:  możliwość
zastosowania  tych  samych  urządzeń  zarówno  do  spawania  stali,  staliwa,
żeliwa,  jak  i  metali  nieżelaznych,  możliwość  wykonywania  spoin  we
wszystkich  pozycjach  i  w  miejscach  trudno  dostępnych,  mniejsze
wymagania  odnośnie  do  przygotowania  krawędzi  łączonych  elementów.  Z
kolei  najważniejsze  wady  tej  metody  spawania,  to:  mała  wydajność,
zależność  jakości  połączeń  od  kwalifikacji  i  sumienności  spawacza,  trudne
warunki pracy spawacza (toksyczne gazy, oślepiające działanie łuku).

Charakterystyka podstawowych metod
spawania

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Spawanie w osłonie gazowej cechuje możliwość wykonywania spoin
we wszystkich pozycjach, znaczna wydajność i możliwość
mechanizacji procesu oraz małe odkształ cenia i naprężenia
spawalnicze. Ta metoda spawania stosowana jest nie tylko do
łączenia stali węglowych, lecz także stali stopowych, aluminium i
miedzi.
Spawanie elektrożużlowe polega na bezłukowym stapianiu.się drutu
elektrodowego w ciekłym żużlu. Łączenie elementów wykonywane
jest w pozycji pionowej lub do niej zbliżonej, a spoina powstaje za
jednym przejściem od dołu do góry. Ten sposób spawania znajduje
zastosowanie przede wszystkim do łączenia elementów o
znacznych grubościach (do 2000 mm) w ciężkich konstrukcjach ze
stali węglowych oraz nisko- i średniostopowych.

Charakterystyka podstawowych metod
spawania

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Spawanie elektronowe polega na wytworzeniu w próżni strumień
elektronów i przyspieszeniu ich pod wpływem wysokiego napięcia.
Energia kinetyczna elektronów zderzających się ze spawanym
materiałem zamieniona zostaje na ciepło Dzięki zogniskowaniu
elektronów w wąską wiązkę, uzyskuje się wielką koncentrację
ciepła umożliwiającą łączenie materiałów o wysokiej temperaturze
topnienia (wolfram, molibden, tytan itp.) lub metali o bardzo
różnych właściwościach, jak np. miedzi stalą, aluminium z tytanem.
Spoiny wykonywane tym sposobem mogą być bard; wąskie a
równocześnie głębokie (stosunek szerokości do głębokości dochodzi
do 1:25). Nie ma potrzeby ukosowania krawędzi i stosowania
materiałów dodatkowych Grubość łączonych elementów sięga 200
mm w przypadku stali i 300 mm dla aluminium. Minimalny skurcz i
odkształcenia spawalnicze pozwalają na wytwarzanie części
maszyn z elementów obrabianych na gotowo przed spawaniem.

Charakterystyka podstawowych metod
spawania

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Spawanie elektronowe polega na wytworzeniu w próżni strumień elektronów

i  przyspieszeniu  ich  pod  wpływem  wysokiego  napięcia.  Energia  kinetyczna
elektronów  zderzających  się  ze  spawanym  materiałem  zamieniona  zostaje
na  ciepło  Dzięki  zogniskowaniu  elektronów  w  wąską  wiązkę,  uzyskuje  się
wielką  koncentrację  ciepła  umożliwiającą  łączenie  materiałów  o  wysokiej
temperaturze  topnienia  (wolfram,  molibden, tytan  itp.)  lub  metali o bardzo
różnych właściwościach, jak np. miedzi stalą, aluminium z tytanem. Spoiny
wykonywane

tym

sposobem

mogą

być

bard;

wąskie

a  równocześnie  głębokie  (stosunek  szerokości  do  głębokości  dochodzi  do
1:25).  Nie  ma  potrzeby  ukosowania  krawędzi  i  stosowania  materiałów
dodatkowych  Grubość  łączonych  elementów  sięga  200  mm  w  przypadku
stali i 300 mm dla aluminium. Minimalny skurcz i odkształcenia spawalnicze
pozwalają  na  wytwarzanie  części  maszyn  z  elementów  obrabianych  na
gotowo

przed

spawaniem.

Przy spawaniu laserowym źródłem ciepła jest promień laserowy. Ty
sposobem można wykonywać zarówno spoiny punktowe, jak i ciągłe łączące
cienkie

folie

elementy

o grubości dochodzącej do kilkunastu milimetrów. Spawanie laserowe nie
wymaga próżni, a zastosowanie luster bądź światłowodów pozwala na
układane

spoin

w miejscach trudno dostępnych.

Charakterystyka podstawowych metod
spawania

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Spawanie gazowe. Spawanie gazowe polega na stapianiu spoiwa
i brzegów łączonego materiału w płomieniu acetylenowo-tlenowym.
Spoiny  cienkich  blach  n  wymagają  dodatku  spoiwa.  Spawanie
gazowe  stosowane  jest  głównie  podczas  remontów  i  montażu
(możliwość  układania  spoin  we  wszystkich  pozycjach)  do
wykonywania  złączy  o  niewielkich  grubościach.  Metodą  tą  spawać
można  stal  żeliwo  oraz  stopy  aluminium,  miedzi  i  niklu.  Spawanie
gazowe

znajduje

zastosowanie

także

przy

łączeniu

termoutwardzalnych tworzyw sztucznych.

Charakterystyka podstawowych metod
spawania

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Stal.
W budowie maszyn stosowane są przede wszystkim stale węglowe
konstrukcyjne zwykłej (wg PN-88/H-84020) i wyższej jakości (wg
PN-75/H-84019) oraz stale konstrukcyjne o podwyższonej
wytrzymałości (wg PN-86/H-84018). Spawalno stali uzależniona jest
głównie

zawartości

węgla

i  pierwiastków  stopowych.  Dobrze  spawalne,  a  więc  nie
wymagające żadnych dodatkowych zabiegów technologicznych, są
te  stale,  w  których  zawartość  węgla  nie  przekracza  około  0,25%,
bądź  dla  których  równoważnik  węgla  Ce  określony  wzorem
(zawartość poszczególnych pierwiastków należy wstawić w %):

nie  jest  wyższy  od  około  0,40%.  W  przeciwnym  przypadku
spawalność  stali  jest  ograniczona,  co  oznacza  konieczność
zastosowania  specjalnej  technologii  spawania  (w  szczególności
wstępnego

podgrzewania

materiału

i niekiedy obróbki cieplnej po spawaniu).

Uwagi o spawalności maszynowych tworzyw
konstrukcyjnych

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Stal.

Wśród  stali  węglowych  zwykłej  jakości  cztery  podstawowe  gatunki:  StOS,
St2S,  St3S,  St4S  należą  do  stali  łatwo  spawalnych,  co  sygnalizuje  litera  S
(przy  czym  na  konstrukcje  bardziej  odpowiedzialne  zaleca  się  odmiany
uspokojone  i  półuspokojone).  Pozostałe  gatunki  tej  grupy  stali,  a  więc  St5,
St6,

St7

zalicza

się

stali

o ograniczonej spawalności z uwagi na podwyższoną zawartość węgla.
W podobny sposób podzielić można stale węglowe wyższej jakości. Niektóre
gatunki,  jak  np.  10,  15,  20  są  dobrze  spawalne;  inne,  np.  25,  35,  45,  55
należą  do  trudniej  spawalnych,  o  czym  decyduje  podwyższona  zawartość
węgla i obecność dodatków stopowych, głównie manganu. Rozważane stale
spawa się w praktyce budowy maszyn do zawartości węgla równej 0,6%.
Stale  konstrukcyjne  o  podwyższonej  wytrzymałości  zawdzięczają  swe
własności  zwiększonej  zawartości  manganu,  krzemu  oraz  obecności
mikrododatków  stopowych  (Nb,  V),  mimo  że  zawartość  węgla  ograniczona
jest do 0,2%. Stale te mają na ogół ograniczoną spawalność, szczególnie w
przypadku większych grubości.

Uwagi o spawalności maszynowych tworzyw
konstrukcyjnych

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Staliwo.
Staliwa konstrukcyjne dzieli się na dwie zasadnicze grupy: węglowe (wg PN-
85/H-83152) i stopowe, zawierające takie dodatki stopowe, jak mangan,
chrom, nikiel itd. (wg PN-87/H-83156). Ponadto spotkać się można ze
staliwami

konstruk cyjnymi

o specjalnym przeznaczeniu, np. odpornymi na ścieranie lub na korozję.
Spawalność staliwa, podobnie jak stali, uzależniona jest przede wszystkim
od zawartości węgla i składników stopowych. Najłatwiej spawalne są staliwa
węglowe
o zawartości węgla do 0,25%, a więc gatunki L400 i L450; spawalność
innych staliw
jest ograniczona.

Żeliwo.
Żeliwa należą do tworzyw cechujących się złą spawalnością, a niektóre ich
gatunki nie są w ogóle spawalne. Stosunkowo najlepiej spawalne jest żeliwo
sferoidalne

(węgiel

w  postaci  kulkowej),  ale  pod  warunkiem  stosowania  odpowied nich,  dość
skomplikowanych  zabiegów  przed  i  po  spawaniu.  Najczęściej  spawanie
żeliwa  sprowadza  się  do  napraw  uszkodzeń  eksploatacyjnych  bądź  do
usuwania wad
w produkcji odlewów.

Uwagi o spawalności maszynowych tworzyw
konstrukcyjnych

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Aluminium i jego stopy.
Obok gatunków aluminium różniących się stopniem czystości (wg
PN-79/H-82160) dobrze spawalne są niektóre stopy przeznaczone
do przeróbki plastycznej, tj. typu Al-Mg, Al-Mn, Al-Zn-Mg. Natomiast
spawalność stopów typu Al-Mg-Si jest ograniczona. Charakterystykę
i przeznaczenie omawianych stopów podaje norma PN-79/H-88026.
Należy zaznaczyć, że proces spawania spowodować może obniżenie
wytrzymałości

złączy

aluminium

i  jego  stopów  w  tych  przypadkach,  gdy  materiał  podstawowy
poddany  był  specjalnym  zabiegom  techno logicznym  podnoszącym
jego  własności  mechaniczne  (materiał  w  stanie  półtwardym  lub
utwardzonym  wydzieleniowo).  Wtedy  bowiem  pod  wpływem
temperatury  zachodzi  proces  wyżarzania  rekry  stali  żującego,  co
powoduje,  że  własności  wy trzymałościowe  połączenia  odpowiadają
własnościom  materiału  podstawowego  w  stanie  miękkim.  W  celu
uniknięcia

tych

ujemnych

wpływów

opracowane

zostały

wspomniane stopy Al-Zn-Mg, które po upływie pewnego czasu po
spawaniu odzyskują wytrzymałość bliską wyjściowej.

Uwagi o spawalności maszynowych tworzyw
konstrukcyjnych

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Miedź i jej stopy.
Spośród gatunków czystej miedzi do spawania nadaje się wyłącznie
miedź  odtleniona  o  minimalnej  zawartości  wodoru.  Wodór  i  tlen
powodują bowiem znaczne osłabienie wytrzymałości złącza w strefie
przy  spoinowej.  Ponadto  płynna  miedź  ma  dużą  zdolność  do
pochłaniania  i  rozpusz czania  gazów,  co  jest  przyczyną  porowatości
obniżającej wytrzymałość spoiny. Znacznie wyższy, w porównaniu ze
stalą,  skurcz  objętościowy  miedzi  prowadzi  dc  znacznych
odkształceń i naprężeń spawalniczych oraz do pękania złączy.
Oprócz czystej miedzi spawa się również jej stopy, a więc mosiądze
(Cu-Zn)  miedzionikle  (Cu-Ni)  i  brązy  (Cu-Sn).  Spawalność  tych
stopów  zależy  od  ich  składu  —  niektóre  z  nich  są  bardzo  trudno
spawalne,

nawet

w ogóle niespawalne.

Uwagi o spawalności maszynowych tworzyw
konstrukcyjnych

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wiadomości wstępne

Tworzywa sztuczne.
Do spawania nadają się wyłącznie tworzywa termoplastyczne
które pod wpływem ogrzania stają się plastyczne, a po ochłodzeniu
wracają  do  stanu  sztywnego.      Do      termoplastów      produkcji
krajowej   stosowanych  najczęściej  na konstrukcje spawane należą:
polichlorek winylu, poliamid, polietylen i polistyren.
Należy zaznaczyć, że w zależności od rodzaju łączonego tworzywa,
przeznaczenia  konstrukcji  i  przyjętej  metody  spawania  konieczne
jest  zastosowanie  odpowiedniego  spoiwa,  czyli  tzw.  materiału
dodatkowego. Przy doborze tego materiału powinny być zachowane
następujące podstawowe zasady:
- zbliżone składy chemiczne materia łączonego i spoiwa,
- własności mechaniczne spoiwa co najmniej równe własnościom
materiału rodzimego.

Uwagi o spawalności maszynowych tworzyw
konstrukcyjnych

POŁĄCZENIA SPAWANE

Połączenia spawane z uwagi na kształt podzielić można na
następujące zasadni rodzaje:

- doczołowe

- kątowe

- przylgowe.

Klasyfikacja połączeń spawanych i rodzaje spoin

POŁĄCZENIA SPAWANE

W połączeniach doczołowych elementy konstrukcyjne zestawione są
w jednej płaszczyźnie. Złącza kątowe powstają najczęściej w wyniku
prostopadłego  zestawienia  łączonych  elementów.  W  szczególności
wyróżnić  tu  można  połączenia:  teowe,  krzyżowe  i  narożne  —
wszystkie  te  złącza  uzyskać  można  zarówno  za  pomocą  spoin
pachwinowych,  jak  i  niektórych  odmian  spoin  czołowych  oraz  spoin
otworowych.  Wśród  połączeń  przylgowych  najczęściej  stosowane  są
złącza  zakład kowe  i  nakładkowe  wykonane  za  pomocą  spoin
pachwinowych  lub  otworowych  oraz  właściwe  złącza  przylgowe  ze
spoinami brzeżnymi lub grzbietowymi.
Na  podstawie  przytoczonej  klasyfikacji,  wyróżnić  można  kilka
zasadniczych rodzajów spoin:

-czołowe

-pachwinowe

-otworowe

-brzeżne

-grzbietowe.

Klasyfikacja połączeń spawanych i rodzaje spoin

POŁĄCZENIA SPAWANE

Spoiny czołowe wyróżniają się spośród innych rodzajów spoin
wysoką wytrzymałością przy obciążeniach stałych i zmiennych. W
przypadku

poprawnie

wykonanych

spoin

czołowych

ich

wytrzymałość  przy  obciążeniach  statycznych  jest  taka  sama,  jak
materiału rodzimego; podobny rezultat osiągnąć można często przy
obciążeniach  zmiennych,  gdy  za  pomocą  obróbki  mechanicznej
usunie się nadlewy lica i grani. Odpowiednie przygotowanie brzegów
do  spawania  (tzw.  ukosowanie)  umożliwia  łączenie  elementów  o
znacznym  zakresie  grubości.  Zastosowanie  specjalnych  technologii,
jak  spawanie  elektronowe  lub  elektrożużlowe  pozwala  na
wykonywanie  spoin  o  niekonwencjonalnych  kształtach  bądź
znacznych  rozmiarach,  jak  to  przykładowo  pokazano  na  rysunkach.
Spoiny  czołowe  charakteryzuje  łatwość  kontroli  ich  jakości
wszystkimi metodami nieniszczącymi.

Klasyfikacja połączeń spawanych i rodzaje spoin

POŁĄCZENIA SPAWANE

Spoinami pachwinowymi łączy się nieukosowane ścianki elementów
w złączach kątowych i przylgowych; dzięki temu spoiny te są łatwe
do wykonania. Z drugiej jednak strony ich wytrzymałość, szczególnie
przy obciążeniach zmiennych, jest znacznie niższa od wytrzymałości
spoin  czołowych.  Pole  przekroju  spoiny  pach winowej  rośnie  z
kwadratem jej grubości. Duża ilość stopiwa konieczna z tego powodu
przy  grubszych  spoinach  jest  przyczyną  znacznych  odkształceń
kątowych  połączeń.  Kontrola  nieniszcząca  spoin  pachwinowych  jest
znacznie utrudniona ze względu na złożoną geometrię złącza.

Spoiny  otworowe  powstają  przez  wypełnienie  spoiwem  otworu
wykonanego  w  jednym  z  elementów  połączenia.  Spoin  tych  nie
należy  stosować  w  połączeniach  silnie  obciążonych,  zwłaszcza
zmiennie;  są  natomiast  przydatne  w  przypadku  łączenia  zakładek
lub nakładek o dużej powierzchni. Kontrola jakości spoin otworowych
jest trudna.

Klasyfikacja połączeń spawanych i rodzaje spoin

POŁĄCZENIA SPAWANE

Spoiny  brzeżne  powstają  w  wyniku  przetopienia,  bez  dodawania
spoiwa,  odpowiednio  wywiniętych  brzegów  blach.  Stosuje  się  je  do
łączenia  cienkich  elementów  (o  grubości  do  2  mm)  i  nie  są  one,  z
pewnymi wyjątkami, przeznaczone do przenoszenia obciążeń.

Spoiny grzbietowe są odmianą niepełnych spoin czołowych w
złączach

przylgowych

łączyć

mogą

elementy

zarówno

nieukosowane,

jak

i ukosowane. Spoiny te stosuje się najczęściej do łączenia blach
celem zwiększenia ich grubości. Nie przenoszą one zasadniczych
obciążeń i z tego powodu nie podlegają obliczeniom.

Ponadto, przy użyciu specjalnych technologii (np. laser, wiązka
elektronów), wykonywać można spoiny bezotworowe, punktowe i
liniowe. Uzyskuje się je przez przetopienie jednej blachy i wtopienie
w blachę ułożoną pod spodem .

Klasyfikacja połączeń spawanych i rodzaje spoin

POŁĄCZENIA SPAWANE

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

Proces spawania charakteryzuje się miejscowym nagrzewaniem
łączonych elemen tów. Materiał otaczający miejsce spawania
ogranicza swobodę odkształceń w tej strefie, prowadząc do naprężeń
wyrażających się wzorem:

gdzie E — moduł Younga, a — współczynnik liniowej rozszerzalności
cieplnej, A, — różnica temperatur między nagrzaną i chłodną strefą
materiału.

Wielkości E i a, podobnie jak granica plastyczności Re i inne własności
wytrzymałościowe materiału, silnie zależą od temperatury, przy czym
dla stali iloczyn Ea przyjąć można za stały. Zatem naprężenia rosną
liniowo wraz

z  temperaturą.  Łatwo  obliczyć,  że  dla
różnicy  temperatur  A;  przekraczającej
nieco 100°C naprężenia w stali osiągają
wartość  granicy  plastyczności.  Przy
spawana  temperatury  są  dużo  wyższe,
skutkiem

czego

połączeniach

spawanych

powstają

znaczne

odkształcenia plastyczne. Dodatkowe
naprężenia mogą być spowodowane
zmianami

objętościowymi

towarzyszącymi przemianom fazowym
metalu.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

Powstawanie  naprężeń  własnych  w  procesie  spawania  wyjaśnić
można  najprościej,  analizując  rysunek  przedstawiający  połączenie
dwu  blach  spoiną  czołową.  Gdyby  blachę  i  spoinę  potraktować  jako
oddzielne  elementy,  po  zakończonym  spawaniu  spoina  stygnąc,
uległaby  skróceniu,  blachy  zaś  zachowałyby  swą  pierwotną  długość.
W  rzeczywistości,  te  trzy  elementy  stanowią  całość  i  muszą  mieć
jednakową długość. Spełnienie tego warunku wiąże się z powstaniem
naprężeń  wynikających  stąd,  że  spoina  ulegnie  wydłużeniu  wzdłuż
swej  osi,  blachy  zaś  skróceniu.  Zatem  w  spoinie  i  w  jej  najbliższym
otoczeniu powstają znaczne naprężenia rozciągające, zaś w blachach
— ściskające. Oczywiście siły rozciągające spoinę muszą równoważyć
się z siłami ściskającymi łączone elementy.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

Obok  naprężeń  wzdłużnych  powstają  także  naprężenia  w  kierunku
poprzecznym  do  osi  spoiny.  Mechanizm  powstawania  tych  naprężeń
jest  następujący.  Skutkiem  nagrzewania  pasa  blachy  przy  krawędzi,
wzdłuż  której  układana  jest  spoina,  blacha  ta  ulega  przegięciu  jak
pokazano  na  rys.  Wydłużenie  nagrzewanego  pasa  jest  jednak
ograniczone  sztywnością  zimnej  części  blachy,  wobec  czego  w  pasie
tym  powstają  naprężenia  ściskające  prowadzące  do  spęczenia
materiału. W miarę stygnięcia spęczony materiał zaczyna się kurczyć,
powodując  odwrotne  przegięcie  arkusza  blachy.  Spawane  doczołowo
blachy,  silnie  uprzednio  szczepione,  stygnąc  usiłują  się  zatem
odkształcić  tak,  jak  pokazano  na  rys.  Odkształceniom  tym
przeciwdziała z kolei ułożona spoina, co powoduje naprężenia, których
charakter  przedstawiono  na  rys.  W  środkowej  części  złącza  powstają
naprężenia rozciągające, na końcach zaś — ściskające.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

Po  ułożeniu  spoiny  stopiwo  wraz  ze  strefą  przyległego  do  niej
materiału  rodzimego,  ulegając  ochłodzeniu  zmniejsza  swą  objętość,
co  prowadzi  do  zmiany  kształtu  i  wymiarów  połączenia  spawanego.
Najistotniejszy  wpływ  na  odkształcenie  złącza  wywierają:  skurcz
wzdłużny  (w  kierunku  osi  spoiny)  i  skurcz  poprzeczny  (w  kierunku
szerokości  spoiny).  Skurcz  wzdłużny  powoduje  skrócenie  wzdłużne
złącza,  a  jeśli  spoina  układana  jest  poza  płaszczyzną  obojętną
przekroju  —  wygięcie  wzdłużne.  Skurcz  poprzeczny  jest  przyczyną
skrócenia poprzecznego, a jeśli nie jest on równomierny na grubości
spoiny  (większy  od  strony  lica,  mniejszy  od  grani),  powstają
dodatkowo wygięcia kątowe. W elementach cienkościennych skurcze
powodują  lokalną  utratę  stateczności  w  postaci  wybrzuszeń  i
zwichrowań.

Skurcz
objętościowy
spoin

POŁĄCZENIA SPAWANE

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

Skrócenia  wzdłużne  i  poprzeczne  nie  stanowią  istotniejszego
problemu,  gdyż  ich  skutki  można  usunąć  przez  stosowanie
odpowiednich  naddatków  przy  trasowaniu  elementów.  Wartość
skurczu  podłużnego  zależy  od  stosunku  przekroju  poprzecznego
spoiny do przekroju złącza; w połączeniach ze stali wartość ta wynosi
przeciętnie  0,1  ~  0,3  mm  na  1  m  spoiny.  Skrócenie  poprzeczne
zwiększa  się  ze  wzrostem  objętości  ułożonego  stopiwa  i  wynosi
1-4  mm.  Zatem  w  obydwu  przypadkach  skrócenia  połączeń  ze
spoinami  czołowymi  zależą  przede  wszystkim  od  sposobu
przygotowania  krawędzi  elementów  do  spawania.  Z  kolei  kąt
wygięcia związany jest z grubością łączonych blach, kształtem rowka,
liczbą i sposobem układania ściegów oraz metodą spawania.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

Zasadniczą przyczyną utraty stateczności płaskich elementów
konstrukcyjnych na skutek spawania są naprężenia ściskające,
będące reakcją na naprężenia rozciągające w obszarze spoiny.

Dodatkowo do utraty stateczności przyczyniać się mogą wygięcia
kątowe
i wzdłużne.

Skłonność do wybrzuszeń i zwichrowań wzrasta ze zmniejszaniem
grubości łączonych elementów.

Charakterystyczne jest, że kształtu i wielkości omawianych
deformacji nie da się w zasadzie z góry przewidzieć, gdyż dla danego
elementu spawanego istnieje szereg końcowych postaci odkształceń.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

Ponieważ  zasadniczy  wpływ  na  wielkość  odkształceń  wywiera  ilość
ciepła  pochłonięta  przez  łączone  elementy  w  procesie  spawania,  z
tego  względu  konstrukcja  winna  charakteryzować  się  możliwie  jak
najmniejszą  liczbą  spoin.  Złącza  spawane  nie  powinny  mieć
wymiarów

większych

niż

wynika

z obliczeń wytrzymałościowych bądź wymagań konstrukcyjnych.

Istotne jest także staranne przygotowanie krawędzi spawanych
elemen tów w celu dobrego ich dopasowania.

Zmniejszenie  wielkości  odkształceń  osiąga  się  także  przez
odpowiednią  technologię  spawania,  przede  wszystkim  przez
stosowanie  metod  spawania  o  dużej  efektywności  (większej  ilości
ciepła  wprowadzonej  do  materiału  w  jednostce  czasu,  jak  np.
spawanie  łukiem  krytym,  elektronowe,  laserowe),  spawanie
obustronne  z  odpowiednią  kolejnością  układania  poszczególnych
warstw  oraz  przez  nadawanie  odkształceń  wstępnych  łączonym
elementom.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Badania jakości połączeń spawanych

W przypadku niewłaściwej

technologii (np. źle dobrane

parametry, nieodpowied nie

przygotowanie elementów do

spawania) i techniki spawania

(np. niskie kwalifikacje

spawacza) w połączeniu

spawanym powstać może

szereg wad ob niżających

niekiedy znacznie własności

wytrzymałościowe złącza.

Najważniejsze wady połączeń

spawanych wraz z krótkim ich

opisem ujęto w tabeli.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Badania jakości połączeń spawanych

Badania jakości połączeń spawanych podzielić można na dwie
grupy: badania niszczące i badania nieniszczące.

Badania  niszczące  obejmują  przede  wszystkim  wyznaczenie
własności  mechanicznych  złączy  oraz  badania  metalograficzne
spoin.  Do  badań  własności  mechanicznych  zalicza  się  próby
rozciągania,  zginania,  udarności,  łamania  i  twardości.  Mają  one
m.in.  za  cel  stwierdzenie  zgodności  cech  wytrzymałościowych
połączeń  z  wymaganiami  norm,  przepisów  oraz  dokumentacji
technicznej,  jak  również  służą  do  kontroli  kwalifikacji  spawaczy
i oceny zastosowanych metod lub technologii spawania. Za pomocą
badań  metalograficznych  określić  można  między  innymi  makro-  i
mikrostrukturę  spoiny  oraz  wykryć  wady  kształtu  i  wady
wewnętrzne połączenia.

Badania  nieniszczące  grupują  szereg  sposobów  wykrywania  wad
spoin  w  celu  określenia  jakości  złącza,  a  w  konsekwencji  przyjęcia
odpowiedniej  wartości  naprężeń  dopuszczalnych.  Znajomość  zasad
badań  nieniszczących  jest  podstawą  do  skon struowania  połączenia
w sposób umożliwiający przeprowadzenie założonej metody kontroli.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wytrzymałość połączeń spawanych

Wytrzymałość połączeń przy obciążeniach statycznych
Połączenia  doczołowe  poddane  statycznej  próbie  rozciągania
ulegają  zniszczeniu  przeważnie  w  materiale  rodzimym,  z  dala  od
spoiny  (rys.  2.21).  Warunkiem  takiego  sposobu  pękania  złącza  jest
poprawne  wykonanie  spoiny  i  właściwy  dobór  dodat kowych
materiałów  do  spawania.  Niemniej  jednak,  obecność  wad  spoin,
oczywiście  w  określonych  granicach,  nie  obniża  istotnie  statycznej
wytrzymałości  połączenia.  Tłumaczy  się  to  tym,  że  zazwyczaj
własności  wytrzymałościowe  spoiwa  są  wyższe  niż  materiału
rodzimego, a ponadto nadlew spoiny powiększa przekrój złącza.

Typowe zniszczenie

stalowego połączenia

spawanego przy

obciążeniu statycznym

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wytrzymałość połączeń spawanych

Przy obliczaniu wytrzymałości połączeń ze spoinami pachwinowymi
przyjmuje  się  upraszczające  założenie,  że  spoiny  w  tych  złączach
pracują na ścinanie niezależnie od rodzaju działającego obciążenia.
Przekrojem  obliczeniowym  spoiny  pachwinowej  jest  przekrój
graniowy  poprowadzony  przez  wysokość  trójkąta  spoiny,  choć  w
rzeczywistości  linia  przełomu  jest  często  nieregularna,  a  czasem
ścięcie następuje wzdłuż linii wtopienia do materiału rodzimego.
Określenie wytrzymałości statycznej połączeń spawanych ze stopów
aluminium  napotyka  na  trudności  wynikające  przede  wszystkim  ze
znacznego  zróżnicowania  własności  wytrzymałościowych  samego
materiału  podstawowego  w  zależności  od  stanu  jego  obróbki  i  ich
zmian pod wpływem procesu spawania.
Ogólnie,  wytrzymałość  połączenia  jest  na  ogół  niższa  od
wytrzymałości materiału podstawowego.
Wytrzymałość połączeń spawanych z tworzyw sztucznych zależy od
kwalifikacji  spawacza  i  staranności  przygotowania  krawędzi
łączonych elementów.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wytrzymałość połączeń spawanych

Wytrzymałość połączeń przy obciążeniach zmiennych
Połączenia

spawane

są

elementami

konstrukcyjnymi

charakteryzującymi  się  nagłymi    zmianami      przekroju
prowadzącymi      do    spiętrzenia      naprężeń.      Zmiany  przekroju
spowodowane być mogą rozwiązaniem konstrukcyjnym złącza bądź
wadliwym  wykonaniem  spoiny.  Koncentracja  naprężeń  obniża
zmęczeniowe  własno ści  połączeń;  obszary  spiętrzenia  naprężeń  są
potencjalnymi  miejscami  zarodkowania  (ogniskami)  pęknięć
zmęczeniowych,  które  w  przeciwieństwie  do  złączy  obciążonych
statycznie rozwijają się bez odkształceń plastycznych.

Typowy złom

zmęczeniowy połączenia

spawanego:

1 – ognisko pęknięcia

(podtopienie na brzegu

lica) 2 — strefa

zmęczeniowa

3 — strefa resztkowa

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wytrzymałość połączeń spawanych

Miarą wpływu spiętrzenia naprężeń na wytrzymałość zmęczeniową
połączeń spawanych jest współczynnik działania karbu:

gdzie Zgł, i Zk oznaczają odpowiednio wytrzymałość zmęczeniową
próbki gładkiej (z materiału rodzimego) i próbki z karbem
(połączenia spawanego).

Jak wiadomo, współczynnik działania karbu uzależniony jest od
geometrii karbu i wrażliwości materiału na działanie karbu. Wpływ
geometrii karbu ujmuje współczynnik kształtu:

Działanie karbu wywołane kształtem połączenia lub wadami
spawania może by częściowo złagodzone przez odpowiednią
obróbkę mechaniczną

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wytrzymałość połączeń spawanych

Na  rysunku  a  przedstawiono  frezowanie  brzegu  lica  spoiny
pachwinowej
w celu usunięcia podstopień. Z kolei na rys. b, c pokazano czołowe
spoiny  wzdłużne  łączące  element  nośny  z  dodatkową  blachą
obrobione  przez  zaokrąglenie  naroży  lub  przez  przewier cenie
otworów    na    końcach    spoin.      Wreszcie    na    rysunku    d
przedstawione  obróbkę  kraterów  nośnych  spoin  pachwinowych  i
krawędzi blach węzłowych.
Wymienione

zabiegi

podwyższają

trwałą

wytrzymałość

zmęczeniową od kilkunastu do 100%. Natomiast usunięcie
nadlewów w poprzecznych nośnych spoinach czołowych (rys. e)
powoduje, że wytrzymałość zmęczeniowa złącza porównywalna jest
z wytrzymałością materiału podstawowego.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wymiary obliczeniowe spoin

Grubość obliczeniową (nominalną) s spoiny czołowej przyjmuje się
równą grubości gmin cieńszego z łączonych elementów czyli:

W przypadku spoin niepełnych nie obejmujących całej grubości
elementu, których stosowanie możliwe jest tylko w uzasadnionych
przypadkach, przyjmuje się ich rzeczywistą grubość.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

W  połączeniach  przenoszących  obciążenia  należy  w  miarę
możliwości stosować spoiny czołowe, a nie pachwinowe. Połączenia
czołowe  charakteryzują  się,  szczególnie  przy  obciążeniach
zmiennych, większą wytrzymałością.
Najlepszym  rozwiązaniem  są  obustronne  złącza  czołowe.  Spoiny
jednostronne  powinny  być  dostępne  z  obydwu  stron  dla
umożliwienia podpawania grani.
Nie  należy  stosować  spoin  grubszych  niż  wynika  to  z  obliczeń
wytrzymałoś ciowych.
Jakkolwiek  to  ostatnie  stwierdzenie  odnosi  się  także  do  długości
spoin, należy pamiętać, że w zbyt krótkich spoinach nierównomierny
rozkład  naprężeń  (spiętrzenia)  doprowadzić  może  do  zniszczenia
połączenia.
Liczba spoin winna być jak najmniejsza, a rozwiązanie konstrukcyjne
połączeń  -  jak  najprostsze,  bez  pośrednich  elementów,  łatwe  do
wykonania.  Dla  zmniejszenia  liczby  spoin  celowe  jest  stosowanie
operacji  gięcia  na  zimno  oraz  wykorzystanie  materiału  w  jego
pierwotnej postaci, unikając dodatkowego cięcia i spawania.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

W  obliczeniach  połączeń  spawanych  konstrukcji  maszynowych
stosowana  jest  szeroko  metoda  naprężeń  dopuszczalnych.  W
literaturze  krajowej  spotkać  można  dwa  sposoby  obliczania
naprężeń  dopuszczalnych  k'st  dla  spoiny  przy  obciążeniach
statycznych.  Według  jednego  z  nich  naprężenia  te  wylicza  się  ze
wzoru:

w którym
z — współczynnik jakości spoiny
z0 — współczynnik statycznej wytrzymałości spoiny
kr — naprężenia dopuszczalne na rozciąganie dla materiału
podstawowego połączenia.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Współczynnik  jakości  z  spoiny  zależy  od  wielu  czynników,  a  w  tym
od  kwalifikacji  spawacza,  metody  spawania,  warunków  w  jakich
wykonywane  są  prace  spawalnicze,  ewentualnego  zastosowania
obróbki  cieplnej  połączenia  czy  przeprowadzenia  kontroli  jakości
spoin.

Dla

spoin

jakości

sprawdzonej

badaniami

wytrzymałościowymi lub nieniszczącymi przyjmuje się współczynnik
z = 0,8 -=- 1 (z — I pod warunkiem pełnych badań radiograficznych
lub ultradźwiękowych). Natomiast wówczas, gdy nie ma możliwości
zagwarantowania  wysokiej  jakości  spoin,  wartość  tego  współ
czynnika  należy  obniżyć,  niekiedy  nawet  do  0,5.  Ten  ostatni
przypadek  może  mieć  miejsce,  np.  przy  wykonywaniu  spoin
montażowych  w  miejscach  trudno  dostępnych  lub  w  pozycjach
przymusowych.
Większa wartość współczynnika jakości winna cechować spoiny
narażone na znaczne obciążenia statyczne lub zmienne o dużej
amplitudzie, mniejsza — połączenia mniej ważne przy obciążeniach
przeważająco statycznych lub zmiennych o niewielkich amplitudach.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Współczynnik statycznej wytrzymałości spoiny uzależniony jest od
rodzaju
spoiny oraz sposobu obciążenia złącza i wynosi:
- dla spoin czołowych rozciąganych, ściskanych, zginanych z0 = 1;
- dla spoin czołowych ścinanych z0 = 0,8;

-dla spoin pachwinowych niezależnie od sposobu obciążenia z0 —
0,8.

-Należy zauważyć, że nie ma jednolitego poglądu na wartości
współczynnika
statycznej wytrzymałości spoiny. Spotkać się można, szczególnie w
starszej literaturze, z mniejszymi wartościami z0 niż podane
powyżej.

W przypadku złączy stalowych naprężenia dopuszczalne kr na
rozciąganie dla materiału podstawowego ustala się przy założeniu
współczynnika bezpieczeństwa xe 1,5 - 1,7 ze wzoru:
(Re oznacza granicę plastyczności)

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Inny sposób obliczania naprężeń dopuszczalnych k’st dla spoiny
polega na zastąpieniu iloczynu współczynników z i z0
współczynnikiem s.
Wówczas:

przy czym w przypadku stali (w nawiasach wartości dla aluminium):
dla spoin czołowych przy ściskaniu osiowym i przy zginaniu s = 1 (s
= 1),
dla spoin czołowych przy rozciąganiu osiowym i przy zginaniu s =
0,8

(s = 0,7 - 0,9)
w

przypadku

kontroli

spoin

metodą

radiograficzną

lub

ultradźwiękową s = 1 (s = 0,9).
dla spoin czołowych przy ścinaniu s = 0,6 (s ~ 0,6),
dla spoin pachwinowych niezależnie od sposobu obciążenia s = 0,65
(s - 0,6).

I  w  tym  przypadku  należy  pamiętać  o  zmniejszeniu  wartości
współczynnika
s  wówczas,  gdy  warunki  spawania  są  utrudnione  (np.  o  10%  dla
zgrubnie  kontrolowanych  spoin  montażowych,  o  25%  dla  spoin
pułapowych
i w miejscach trudno dostępnych).

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

W przypadku obciążeń zmiennych naprężenia dopuszczalne dla
spoiny wyliczyć można ze wzoru:

w którym:
z — współczynnik jakości spoiny jak we wzorze,
za — współczynnik zmęczeniowej wytrzymałości spoiny,
k’ — naprężenia dopuszczalne dla materiału podstawowego przy
danym obciążeniu zmiennym.

Współczynnik za jest odwrotnością współczynnika działania karbu
βk i jego wartości dla typowych rozwiązań konstrukcyjnych połączeń
i sposobów obciążenia podano w tablicy.

Należy zauważyć, że podane w tej tablicy wartości współczyn nika za
odnoszą się do złączy ze stali miękkiej i o podwyższonej
wytrzymałości. Dla stali wysoko wytrzymałościowych, bardziej
wrażliwych na działanie karbu, wartości za należy zmniejszyć.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Współczynniki

zmęczeniowej

wytrzymałości za

spoiny

W przypadku obciążeń
złożonych,

np.

rozciągania-ściskania

zginania lub zginania i
ścinania,

wartość

dobiera

się

dla

przeważającego
obciążenia wywołującego
naprężenia normalne

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Naprężenie  dopuszczalne  km  przy  obciążeniach  zmiennych  oblicza
się  na  podstawie  wytrzymałości  zmęczeniowej  Z,  przyjmując
współczynnik  bezpieczeństwa  xz=  1,5  -  3  (średnio  2,  a  większe
wartości  przy  obciążeniach  o  charakterze  udarowym  bądź
wyznaczonych

sposób

przybliżony),

czyli:

Konstrukcje  maszyn,  ze  względu  na  charakter  ich  pracy,  podlegają
zazwyczaj  działaniu  obciążeń  zmiennych  Fzm  sumujących    się    z
obciążeniami    stałymi  Fst,  pochodzącymi  np.  od  ciężaru  własnego
konstrukcji.

Sposób  oddziaływania  obciążeń  zmiennych  (np.  powolny  przyrost
obciążenia  lub  nagły  udar)  uwzględnia  się  poprzez  współczynnik
dynamiczny  φ.  Zatem  warunek  wytrzymałości  zapisać  można
następująco:

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Połączenia ze spoinami czołowymi. Naprężenia w spoinach
czołowych oblicza się, tak jak naprężenia w materiale rodzimym.
Dla połączeń rozciąganych lub ściskanych siłą F działającą
prostopadle do osi spoiny, warunek wytrzymałości ma postać

                                                   przy czym As oznacza obliczeniowy
                                                                                               .
                                       przekrój spoiny.

Obciążenie
osiowe
połączenia ze
spoiną czołową

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Jeśli spoina znajduje się w pręcie ulegającym wyboczeniu, to efekt
ten uwzględnić można np. przez wprowadzenie do mianownika
wzoru współczynnika zmniejszającego β, którego wartość zależy od
rodzaju materiału i smukłości pręta. Odrębne sprawdzanie spoin w
prętach podlegających wyboczeniu jest zbędne, gdy k'c = kc (kc —
naprężenia

dopuszczalne

ściskanie

dla

materiału

podstawowego).
Spoiny czołowe w elementach zginanych w jednej płaszczyźnie
momentem
Mg oblicza się ze wzoru:

przy czym Wg oznacza wskaźnik wytrzymałości na zginanie
przekroju spoiny.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

W przypadku spoiny niepełnej należy uwzględnić jej rzeczywistą
grubość, skąd:

W spoinach elementów zginanych w dwu płaszczyznach
momentami Mgx i Mgy naprężenia są równe:

przy czym Wx, Wy oznaczają odpowiednio wskaźniki
wytrzymałości przekroju spoiny na zginanie względem osi x i y.

Warunek bezpieczeństwa na ścinanie siłą T ma postać:

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Naprężenia skręcające w spoinach czołowych przenoszących
moment skręcający Ms oblicza się ze wzoru:

Wskaźnik wytrzymałości przekroju spoiny na skręcanie wynosi:
dla przekroju kołowego pełnego:

dla przekroju kołowego drążonego:

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

dla pełnego przekroju prostokątnego, gdy b > h według wzoru
przybliżonego:

dla przekroju prostokątnego drążonego:

gdzie A0 = (b+s1)(h+s2), smin = min(s1,s2)
Wzór ten odnieść także można do cienkościennego przekroju
rurowego:
dla otwartych przekrojów walcowanych:

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

W przypadku zginania ze ścinaniem musi być spełniony warunek
wytrzymałości złożonej wynikający z hipotezy Hubera:

Natomiast w przypadku połączenia środnika belki dwuteowej,
naprężenia składowe oblicza się następująco:

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Ponadto sprawdzić należy maksymalne naprężenia zginające.
Styk  czołowy  przekroju  skrzynkowego  przenoszący  momenty
zginające
i  siły  poprzeczne  w  dwu  płaszczyznach  sprawdza  się,  obliczając
maksymalne naprężenia zginające na krawędziach przekroju.
Ponadto uwzględnia się naprężenia ścinające przy założeniu, że siły
poprzeczne  przenoszone  są  tylko  przez  ścianki  równoległe  do
kierunku działania tych sił:

wówczas naprężenia zastępcze:

gdzie:

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Połączenia ze spoinami pachwinowymi.

Połączenia  ze  spoinami  pachwinowymi  oblicza  się  przy  założeniu,
że  w  spoinach  tych,  bez  względu  na  sposób  obciążenia,  powstają
zawsze naprężenia styczne.
Nie  uwzględnia  się  również  nierównomiernego  rozkładu  naprężeń
na długości spoiny.

Połączenia obciążone siłą osiową projektuje się według wzoru:

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

W złączach elementów o niesymetrycznym przekroju (np.
kątowników), spoiny należy rozmieścić, tak aby ich środek ciężkości
pokrywał się ze środkiem ciężkości łączonego elementu.

Spełnienie tego warunku prowadzi do następującego związku na
pola przekrojów As1 i As2 spoin ułożonych wzdłuż obu krawędzi
kątownika:

Gdy grubości obydwu spoin są jednakowe, tj. a1 = a2 = a, wzór
przybiera postać:

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Jeśli uwzględni się, że l= l1+l2, to ostatecznie:

W przypadku gdy obok spoin podłużnych występuje spoina
poprzeczna, rozmieszczenie spoin winno odpowiadać warunkowi:

W  tym  miejscu  należy  jeszcze  zwrócić  uwagę  na  zagadnienie
współpracy pachwinowych spoin podłużnych i poprzecznych.
Na skutek różnicy wydłużeń spoin obydwu rodzajów ich obciążenie
nie  jest  równomierne.  Nierównomierność  rozkładu  naprężeń  rośnie
ze  wzrostem  stosunku  długości  spoiny  podłużnej  do  poprzecznej;
gdy  stosunek  ten  przekracza  wartość  1,5  –  2,  wówczas  spoina
poprzeczna praktycznie nie przenosi obciążeń.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Wskazówki konstrukcyjne do projektowania
połączeń spawanych

Przy zginaniu warunek bezpieczeństwa zapisać można w postaci:

przy czym wskaźnik Wg oblicza się z kładu przekroju
obliczeniowego spoin na płaszczyznę styku łączonych elementów.

W ciągłych spoinach pachwinowych o grubości a łączących pas ze
środnikiem belki powstają pod wpływem sił poprzecznych T
działających na belkę naprężenia wyrażające się wzorem:

w którym
Sx — moment statyczny przekroju pasa,
Jx — moment bezwładność całego przekroju.
Stąd wyznaczyć można wymaganą grubość spoiny.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Obliczanie połączeń spawanych metodą stanów
granicznych

Konstrukcje  stalowe,  takie  jak  np.  hale  przemysłowe,  jezdnie
podsuwnicowe,  mosty  suwnic,  projektuje  się  w  oparciu  o  metodę
stanów granicznych.
W  myśl  normy  PN-80/B-03200  warunek  wytrzymałości  —  zwany  w
tej  metodzie  stanem  granicznym  nośności  —  ma  dla  prostych
przypadków obciążenia, takich jak rozciąganie, ścinanie, zginanie w
jednej płaszczyźnie, ogólną postać:

przy czym
Fobl — uogólnione obciążenie obliczeniowe,
Rs — wytrzymałość obliczeniowa spoiny.
Obciążenia  obliczeniowe  określa  się  jako  sumę  iloczynów  tzw.
obciążeń charakterystycznych i odpowiednich współczynników.
Te  ostatnie  uwzględniają  dynamiczny  charakter  obciążenia  oraz
prawdopodobieństwo wystąpienia obciążeń bardziej niekorzystnych
od  obciążeń  charakterystycznych  bądź  równoczesnego  działania
kilku obciążeń o maksymalnych wartościach.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Obliczanie połączeń spawanych metodą stanów
granicznych

Wytrzymałość obliczeniowa Rs spoiny jest iloczynem wytrzymałości
obliczeniowej R stali i współczynnika s:

Wytrzymałość  R  dla  najczęściej  stosowanych  w  budownictwie
gatunków  stali  podaje  wymieniona  norma;  wytrzymałość  tę
otrzymuje  się  z  podzielenia  minimalnej  gwarantowanej  granicy
plastyczności Re przez współczynnik materiałowy γs (dla stali o Re
≤  355  MPa  wynosi  on  1,15).  Z  kolei  współczynnik  s  określa  się  w
zależności  od  rodzaju  spoiny  i  naprężenia,  granicy  plastyczności
stali oraz jakości złącza.

W  przypadku  konieczności  uwzględnienia  wpływu  zmęczenia
materiału  wartość  wytrzymałości  obliczeniowej  R  mnoży  się  przez
współczynnik  zmęczeniowy  mzm.  Wartość  tego  współczynnika
uzależniona jest od rodzaju materiału, rozwiązania konstrukcyjnego
węzła  i  przewidywanej  jego  trwałości  oraz  charakterystyki  cyklu
zmęczeniowego.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Zastosowanie mechaniki pękania do oceny wytrzymałości połączeń
spawanych

Mechanika pękania znajduje obecnie szerokie zastosowanie do
oceny własności wytrzymałościowych połączeń spawanych.

Metody mechaniki pękania umożliwiają uwzględnienie wpływu wad
na wytrzymałość złączy.

Ponieważ  niektórych  wad,  takich  jak  np.  podtopień  na  brzegu  lica
nie  można  praktycznie  uniknąć  w  procesie  spawania,  dlatego
tradycyjna  tendencja  do  naprawiania  wykrytych  defektów  spoin
ustępuje  nowej  koncepcji,  w  myśl  której  wady  nie  doprowadzające
do  zniszczenia  połączenia  w  założonych  warunkach  eksploatacji
konstrukcji  mogą  być  tolerowane  (koncepcja  ta  nosi  angielską
nazwę  fitness  for  purpose,  co  przetłumaczyć  można  jako
dostosowanie do potrzeb).

POŁĄCZENIA SPAWANE

Zastosowanie mechaniki pękania do oceny wytrzymałości połączeń
spawanych

Podstawowym parametrem liniowo-sprężystej mechaniki pękania
jest współczynnik intensywności naprężeń K określający stan
naprężenia

σij,

w małej, w porównaniu z długością pęknięcia, odległości r od
wierzchołka pęknięcia w następujący sposób:

Współczynnik K wyraża się najczęściej w postaci:

gdzie:
u — naprężenia z dala od pęknięcia,
a — długość pęknięcia,
M — współczynnik poprawkowy zależny od geometrii elementu,
sposobu obciążenia i kształtu pęknięcia.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Zastosowanie mechaniki pękania do oceny wytrzymałości połączeń
spawanych

Dla  pęknięć  w  połączeniach  spawanych  rozwiązania  na
współczynnik  intensyw ności  naprężeń  otrzymuje  się  zazwyczaj  w
sposób  przybliżony  przy  zastosowaniu  metody  elementów
skończonych. Podyktowane jest to złożoną na ogół geometrią tych
połączeń, uniemożliwiającą zastosowanie rozwiązań ścisłych.

Katastrofalny

wzrost

pęknięcia

następuje

wówczas,

gdy

współczynnik K osiąga krytyczną wartość zwaną odpornością na
pękanie, oznaczaną symbolem Kc.

Odporność na pękanie jest stałą materiałową, którą wyznacza się
doświadczalnie

POŁĄCZENIA SPAWANE

Zastosowanie mechaniki pękania do oceny wytrzymałości połączeń
spawanych

Liczne    badania    doświadczalne    wykazały,      że    w    danym
materiale
  i danym środowisku pęknięcia zmęczeniowe o różnych wymiarach
i kształcie, rozwijające w elementach o odmiennej geometrii, mają
tę  samą  prędkość  wzrostu  na  jeden  cykl  obciążenia  (da/dN),  jeżeli
charakteryzują  się  one  tym  samym  zakresem  współczynnika
intensywności naprężeń:

gdzie:
Kmax i Kmin są wartościami współczynnika K przy maksymalnym
i minimalnym naprężeniu cyklu zmęczeniowego.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Zastosowanie mechaniki pękania do oceny wytrzymałości połączeń
spawanych

Typową zależność między da/dN i AK obserwowaną w metalach
zilustrowano na wykresie.

Środkowa część krzywej

propagacji pęknięcia

zmęczeniowego,

najważniejsza z

praktycznego punktu

widzenia, jest

prostoliniowa, gdy

wykres wykonany jest

we współrzędnych

podwójnie

logarytmicznych.

POŁĄCZENIA SPAWANE

Zastosowanie mechaniki pękania do oceny wytrzymałości połączeń
spawanych

Równanie krzywej propagacji w tym, środkowym, zakresie wyrazić
można zgodnie z propozycją Parisa jako:

gdzie C i m są stałymi wartościami, które wyznacza się
doświadczalnie.

Jeżeli współczynnik intensywności naprężeń wyrażony jest w
postaci równania, to w wyniku obustronnego całkowania otrzymuje
się:

gdzie:
a1 — początkowa głębokość pęknięcia,
a2 — końcowa głębokość pęknięcia,
∆σ — zakres naprężeń cyklu zmęczeniowego,
N — liczba cykli zmian obciążenia, po której głębokość pęknięcia
wzrośnie od a1 do a2.

Document Outline