POLTECHNIKA GDAC
SKA
Wydział Mechaniczny
Katedra Technologii Materiałów Maszynowych i
Spawalnictwa
Projektowanie i Konstruowanie
Temat EWE 3.2
Podstawy projektowania spoin
Materiały pomocnicze dla studiów podyplomowych EWE III
Opracował : dr inż. Wojciech Kiełczyński
Gdańsk 2005
Politechnika
Kurs Europejskiego Inżyniera Spawalnika (EWE)
Gdańska
KTMMiSp
Konstrukcja i Projektowanie
Postawy projektowania spoin 3.2
ZALECENIA PROJEKTOWE
I. Wymiary i rozmieszczenie spoin
Konstrukcja powinna spełniać kryteria wytrzymałości i sztywności.
Przewymiarowanie konstrukcji spawanej jest marnotrawstwem materiału,
zwiększa koszty produkcji i transportu.
1. Utrzymując wielkość i liczbę spoin na minimalnym poziomie redukuje się
obszar i wielkość odkształceń i naprężeń pozostających obniżając koszty
zwiÄ…zane z prostowaniem i z zabiegami zwiÄ…zanymi ze zmniejszeniem
naprężeń.
2. Równe i gładkie lico spoiny jest ważne, ale tylko w tych miejscach gdzie jest
one eksponowane. Należy wyspecyfikować te spoiny, których wygląd jest
istotny np. z punktu widzenia estetyki.
3. Poprawne zastosowanie usztywnień może zwiększyć sztywność konstrukcji
przy minimalnym wzroście ciężaru konstrukcji.
4. Należy określić minimalny wymiar wysokości spoin pachwinowych, dlatego
iż
zwiększenie ich wysokości powoduje wzrost w kwadracie, pola powierzchni
przekroju poprzecznego spoiny.
5. Przy zachowaniu tej samej wytrzymałości znacznie tańsze jest wykonanie
dłuższych
i ciągłych spoin pachwinowych o mniejszej wysokości w porównaniu z
wysokimi, krótkimi spoinami przerywanymi.
6. WykorzystujÄ…c zalety spawania automatycznego, korzystna jest zamiana
kilku krótkich
spoin na jedną ciągłą spoinę.
7. Usztywnienia i przesłony nie wymagają ciągłych i długich spoin. Należy
dążyć do
redukcji wysokości i długości spoin.
II. Kontrola odkształceń
Odkształcenia są efektem wielu czynników, na które wpływ ma zarówno
konstruktor jak i wykonawca. Poniższe uwagi powinny być brane pod uwagę
również na etapie projektowania.
1. Możliwość zastosowania spawania automatycznego, wysokowydajnych
metod i spawania
wysokimi energiami liniowymi sprzyja zmniejszeniu odkształceń.
Politechnika
Kurs Europejskiego Inżyniera Spawalnika (EWE)
Gdańska
KTMMiSp
Konstrukcja i Projektowanie
Postawy projektowania spoin 3.2
2. Zalecane jest stosowanie spoin o minimalnym polu poprzecznym
wykonywanych jak
najmniejszą liczbą ściegów.
3. Spoiny powinny być wykonywane w kierunku nieutwierdzonych części
spawanych
elementów.
4. Należy dążyć do takich rozwiązań, aby spoiny sytuowane były symetrycznie
względem osi obojętnej spawanego elementu.
5. Połączenia, które mogą wywołać największy skurcz w czasie studzenia
spoiny powinny być wykonywane w pierwszej kolejności.
III. PrzyrzÄ…dy, uchwyty i pozycjonery
Zastosowanie oprzyrządowania ma na celu skrócenie czasu wytwarzania i
uzyskania założonych tolerancji wymiarowych. Przy planowaniu zespołów i
podzespołów konstrukcji konstruktor powinien decydować o tym, czy przyrząd
w sposób nieskomplikowany
wspomaga operacje łączenia i sczepiania, czy też proces spawania będzie
prowadzony głównie w przyrządach. Podane niżej uwagi wyjaśniają tą
problematykÄ™.
1. Przyrządy powinny zapewniać niezbędną sztywność i jednoznaczne
usytuowanie elementów spawanych w celu zachowania wymiarów
końcowych.
2. Oprzyrządowanie winno stwarzać warunki łatwego dostępu do
wykonywanych spoin, oraz szybkiego mocowania i zdejmowania
konstrukcji.
3. Przyrządy powinny zapewniać możliwość realizacji wstępnego
przeciwugięcia elementów przed spawaniem.
4. Pozycjonery spawalnicze maksymalizujÄ… liczbÄ™ spoin wykonywanych w
pozycji podolnej i umożliwiają stosowanie wysokowydajnych metod
spawania.
5. Naprawy wadliwych spoin są łatwiejsze w wykonaniu w podzespołach.
Politechnika
Kurs Europejskiego Inżyniera Spawalnika (EWE)
Gdańska
KTMMiSp
Konstrukcja i Projektowanie
Postawy projektowania spoin 3.2
IV. Wygląd zewnętrzny spoin i kontrola połączeń
Konstruktor ma pewien wpływ na koszty operacji czyszczenia i kontroli.
Powinien zdawać sobie sprawę z praktycznych uwarunkowań wykonawcy i ich
wpływu na te koszty.
1. W większości wypadków akceptowany jest wygląd połączeń spawanych w
stanie w jakim zostały wykonane. Nie należy stosować zabiegu szlifowania
powierzchni lica lub grani, oraz spłaszczania lica, chyba że są istotne ku
temu powody (np. przepisy towarzystw klasyfikacyjnych ). Zabieg
szlifowania jest bardzo kosztowny i niejednokrotnie koszty szlifowania sÄ…
wyższe od kosztów spawania.
2. Czas oczyszczania powierzchni, głównie z rozprysków, może być skrócony
poprzez stosowanie technik i metod spawania takich jak np. spawanie
automatyczne lub MIG/MAG synergicznymi żródłami prądu, gdzie proces
spawania nie powoduje rozprysków lub bardzo niewielki rozprysk. W
niektórych wypadkach niewielkie zmniejszenie prędkości spawania lub prądu
w stosunku do stosowanych w praktyce może zmniejszyć ilość niezgodności
spawalniczych (wad), co obniża koszty napraw i powtórnej kontroli.
3. Kontrola połączeń powinna również obejmować sprawdzenie wymiarów
spoin. Przewymiarowanie jest kosztowne i niepotrzebnie zwiększa
odkształcenia.
4. Nadmierna drobiazgowość kontroli połączeń spawanych lub zbyt szeroki jej
zakres zwiększa koszty.
Politechnika
Kurs Europejskiego Inżyniera Spawalnika (EWE)
Gdańska
KTMMiSp
Konstrukcja i Projektowanie
Postawy projektowania spoin 3.2
Wybór rodzaju spoiny
a) spoiny czołowe.
Rodzaj obciążenia konstrukcji spawanej decyduje o wyborze kształtu
połączenia. Połączenie elementów za pomocą spoiny powinno zapewniać
optymalny rozkład naprężeń pozostających oraz nie powinno być miejscem
koncentracji naprężeń (szczególnie w przypadku obciążeń zmiennych).
Istnieje wiele rodzajów połączeń doczołowych. Sposób przygotowania
krawędzi oraz wymiary rowka podane są w normach przedmiotowych.
Najkorzystniejszym rodzajem połączenia jest spoina I. Połączenie tego
rodzaju spoiną jest najbardziej ekonomiczne, przy zagwarantowaniu żądanej
wytrzymałości. Ograniczeniem jest grubość łączonych elementów oraz
rodzaj metody spawania. Grubsze elementy wymagają ukosowania brzegów.
Z punktu widzenia minimalizacji odkształceń i naprężeń pozostających oraz
kosztów wykonania spoiny objętość spoiny powinna być jak najmniejsza.
Ważnym kryterium wytrzymałościowym spoiny jest zagwarantowanie
odpowiedniego wtopienia spoiny w materiał rodzimy, gdyż połączenia
spawane zwykle są projektowane tak, aby posiadały wytrzymałość równą
wytrzymałości materiału spawanego. Spełnienie tego postulatu wymaga
uzyskania pełnego przetopu w całym przekroju spoiny. Z tego punktu
widzenia ukosowanie na V czasami nie spełnia tego kryterium, chyba że
zastosowana jest podkładka zapewniająca wtopienie lub dodatkowy zabieg
polegajÄ…cy na podpawaniu grani.
W konstrukcjach, w których obciążenie spoin jest niewielkie i z reguły
statyczne, dopuszcza się stosowanie spoin czołowych z częściowym
przetopieniem. W takim wypadku przy obciążeniu rozciągającym lub
ścinającym dopuszczalne naprężenie dla spoin stalowych jest ograniczone do
30% nominalnych naprężeń dopuszczalnych dla spoiny z pełnym
przetopieniem. Przy obecności naprężeń rozciągających i ściskających
równoległych do osi spoiny, naprężenie dopuszczalne dla spoin z niepełnym
wtopieniem jest takie same jak dla spoin z pełnym przetopem. Wymiarem
obliczeniowym spoin czołowych jest oprócz jej długości wysokość spoiny
równa grubości materiału podstawowego, lub rzeczywista głębokość
wtopienia dla spoin z niepełnym przetopem.
b) spoiny pachwinowe.
Jeśli w konstrukcji dopuszcza się spoiny pachwinowe to są one często
stosowane, głównie z powodu szybkiego i prostego przygotowania brzegów,
oraz Å‚atwego sczepiania. Wymiarem obliczeniowym spoiny pachwinowej jest
wysokość trójkąta wpisanego w przekrój poprzeczny spoiny, bowiem
przekrój obliczeniowy tego rodzaju spoiny bazuje na wysokości spoiny i jej
Politechnika
Kurs Europejskiego Inżyniera Spawalnika (EWE)
Gdańska
KTMMiSp
Konstrukcja i Projektowanie
Postawy projektowania spoin 3.2
długości. Należy zauważyć, iż rzeczywista wysokość spoiny jest większa od
teoretycznej. Jeśli zastosowane metody spawania, np. spawanie łukiem
krytym pod topnikiem, lub spawanie drutami proszkowymi gwarantujÄ…
zwiększoną w stosunku do innych metod głębokość wtopienia, wówczas
można w obliczeniach uwzględnić zwiększoną wysokość spoiny. Spoiny
pachwinowe stosowane są głównie do złączy narożnych lub teowych, oraz w
elementach konstrukcji o niewielkich obciążeniach. Konstruktor często staje
przed pytaniem czy stosować spoiny pachwinowe czy czołowe. Z jednej
strony stosowanie spoin pachwinowych jedno czy dwustronnych pozwala na
użycie większych parametrów prądowych i większej wydajności. Z drugiej
strony zastosowanie spoin czołowych pozwala zmniejszyć dwukrotnie pole
przekroju spoiny w porównaniu z przekrojem spoiny czołowej (przy
założeniu tych samych naprężeń obliczeniowych). Jednakże spoina czołowa
wymaga w wielu wypadkach ukosowania, oraz starannego wykonania spoiny
przetopowej. Ale jednocześnie z konstrukcyjnego punktu widzenia spoina
czołowa stwarza korzystniejszy układ sił przenoszących obciążenie, co ma
istotny wpływ na podwyższenie wytrzymałości zmęczeniowej. Jeśli chodzi o
koszty wykonania, to należy, dysponując dokładnymi danymi związanymi z
kosztami: przygotowania brzegów, materiałów dodatkowych, wykonania,
określić ceny wykonania 1mb spoiny pachwinowej lub czołowej. Na
podstawie doświadczeń można stwierdzić, że koszt spoin pachwinowych jest
wyższy w przypadkach, gdy łączone są elementy o dużej grubości.
Politechnika
Kurs Europejskiego Inżyniera Spawalnika (EWE)
Gdańska
KTMMiSp
Konstrukcja i Projektowanie
Postawy projektowania spoin 3.2
Rodzaje odkształceń
Politechnika
Kurs Europejskiego Inżyniera Spawalnika (EWE)
Gdańska
KTMMiSp
Konstrukcja i Projektowanie
Postawy projektowania spoin 3.2
Politechnika
Kurs Europejskiego Inżyniera Spawalnika (EWE)
Gdańska
KTMMiSp
Konstrukcja i Projektowanie
Postawy projektowania spoin 3.2
Metody pomiaru naprężeń pozostających
Metoda Temp. Zalety Wady
pomiaru stosowana
Elektryczne 4000C Dobrze znana Ogranicz. stos. w
tensometry technika pobliżu m. Spawania
oporowe
Dyfrakcja pokojowa Pomiar Duże i drogie
prom. X punktowy urzÄ…dz.,
Tensometry 10000C Przydatna do UrzÄ…dzenie
optyczno- pomiaru w wymagajÄ…ce
mech. wysokich fachowej obsługi
temp
Siatki Moire`a Temp Stos. Do Czasochłonna,wyso-
topliwości pomiaru na ka jakość
dużych pow. powierzchni
Politechnika
Kurs Europejskiego Inżyniera Spawalnika (EWE)
Gdańska
KTMMiSp
Konstrukcja i Projektowanie
Postawy projektowania spoin 3.2
Pojęcie momentu bezwładności
Przy występowaniu momentu gnącego lub skręcającego konieczne jest
wprowadzeni charakterystyk geometrycznych tzn. momentu bezwładności
Momentem bezwładności Io figury płaskiej względem ustalonego punktu O
zwanego biegunem definiuje siÄ™ jako :
y
2
I0 = Á dF
+"
dF S
F
Á
x
S`
Politechnika
Kurs Europejskiego Inżyniera Spawalnika (EWE)
Gdańska
KTMMiSp
Konstrukcja i Projektowanie
Postawy projektowania spoin 3.2
Moment bezwładności względem osi x  I , względem osi y  I ,
x y
natomiast suma Ix +Iy jest biegunowym momentem bezwładności
I =I +I
o x y
Ix = y2dF
+"
F
I = x2dF
y
+"
F
2
Ix + I =
y
+"(x + y2)dF
F
Momentem odśrodkowym lub momentem  zboczenia figury płaskiej
odniesionej do układu x, y, nazywamy sumę iloczynów z elementów dF pola
figury i obydwu współrzędnych x, wyznaczających ich położenie.
D = Ixy = xydF = Fx2
+"
F
Ix
ix =
F