Podstawy Konstrukcji Maszyn
Wykład 13
Połączenia spawane
Dr in\
. Jacek Czarnigowski
Połączenia w konstrukcji maszyn
Połączenia
Rozłączne Nierozłączne
Pośrednie
Kształtowe:
Nitowe
- wpustowe,
- klinowe,
- kołkowe
Kształtowe: Spawane
Bezpośrednie
- wielokątne, Zgrzewane
- wielowypustowe, Klejone
- śrubowe.
1
Połączenia spawane
Złącze spawane jest połączeniem
materiałów powstałym przez ich
miejscowe stopienie.
Występuje w procesie łączenia metali
(głównie stali) oraz tworzyw
sztucznych.
Połączenia spawane
Obszary spoiny
Spoina
Strefa częściowego przetopu
Strefa przegrzania o strukturze gruboziarnistej
Strefa przegrzania o strukturze drobnoziarnistej
Strefa rekrystalizacji
Materiał rodzimy
2
Połączenia spawane
Elementy spoiny
1 - spoina
6  lico spoiny
2  stopiony materiał rodzimy
7  grań spoiny
3  głębokość wtopienia
8  brzeg spoiny
4  strefa wpływu ciepła
5  materiał rodzimy
Połączenia spawane
Wady i zalety
Zalety:
- A
atwość i szybkość wykonania
- Prosta konstrukcja: brak elementów dodatkowych, mała masa
- Mo\
liwość pełnej automatyzacji
Wady:
- Problemy ze spawaniem niektórych materiałów
- Dodatkowe naprę\
enia i odkształcenia
- Konieczna wykwalifikowana kadra
- Konieczne specjalistyczne urządzenia
3
Połączenia spawane
Spawalność
Spawalność to, podatność materiału do tworzenia się złącz spawalniczych
spełniających wymogi konstrukcyjne i technologiczne bez wykonywania
dodatkowych zabiegów.
W przypadku metali \
elaznych (stale, staliwa, \
eliwa) spawalność zale\
y od
zawartości węgla. Materiał jest dobrze spawalny gdy C<0.25%.
W przypadku metali kolorowych oraz tworzyw sztucznych głównym czynnikiem
jest podatność na utlenianie w wysokich temperaturach. Stąd większość tych
materiałów jest trudno spawalna i wymaga osłony gazowej.
Połączenia spawane
Rodzaje spoin
Ze względu na przeznaczenie:
Nośne Pomocnicze
 przenoszą obcią\
enia  nie przenoszą obcią\
enia
Szczepne Napawane Uszczelniające
4
Połączenia spawane
Rodzaje spoin
Ze względu na sposób wykonania:
Ciągłe Przerywane
Połączenia spawane
Rodzaje spoin
Ze względu na konstrukcję:
Pachwinowa Brzegowa Otworowa
Czołowe
5
Połączenia spawane
Rodzaje spoin czołowych
Ze względu na kształt przygotowanych elementów do spawania:
Jednostronne (stosowane do spawania elementów cienkich < 10mm):
Typ V Typ U
Typ I Typ � V
Typ Y Typ � Y Typ � U
Połączenia spawane
Rodzaje spoin czołowych
Ze względu na kształt przygotowanych elementów do spawania:
Dwustronne (stosowane do spawania elementów grubych > 10mm):
Typ 2 U
Typ X
Typ K
6
Połączenia spawane
Rodzaje spoin pachwinowych
Wklęsłe
Wypukłe
Płaskie
Połączenia spawane
Rodzaje spoin brzegowych
Krawędziowa
Grzbietowe
7
Połączenia spawane
Rodzaje spoin otworowych
Liniowa
Punktowa
Otworowa
Połączenia spawane
Metody spawania:
Spawanie gazowe
y
ródłem ciepła do przetopienia elementów jest płomień spalania acetylenu
(temperatura do 3200�C). Konieczne jest dostarczanie dodatkowego spoiwa.
8
Połączenia spawane
Metody spawania:
Spawanie elektryczne
y
ródłem ciepła jest łuk elektryczny (temperatura do 3500�C). Spoiwo mo\
e
stanowić element elektrody lub być dostarczane dodatkowo.
Spawanie łukiem swobodnym
Spawanie łukiem krytym
Spawanie w osłonie gazowej
Połączenia spawane
Metody spawania:
Spawanie łukiem swobodnym  łuk jarzy się miedzy elementem a
elektrodą. Często stosuje się elektrody otulone.
9
Połączenia spawane
Metody spawania:
Spawanie łukiem krytym  łuk jarzy się między elementem a elektrodą ale
jest  schowany pod warstwą topnika.
Połączenia spawane
Metody spawania:
Spawanie w osłonie gazowej  łuk jarzy się między elementem a elektrodą w
osłonie gazów wypływających z dyszy. Elektroda nie zawsze jest spoiwem.
TIG  elektroda wolframowa gaz
obojętny (Argon)
MAG  elektroda ze spoiny gaz MIG  elektroda ze spoiny gaz
aktywny (CO2) obojętny (Argon)
10
Połączenia spawane
Metody spawania:
Spawanie plazmowe  łuk jarzy się między dwoma elektrodami w celu
utworzenia plazmy która w osłonie gazów wypływających z dyszy rozgrzewa
elementy łączone. Spoiwo jest dostarczane oddzielnie.
Połączenia spawane
Metody spawania:
Spawanie elektro\
u\
lowe  łuk jarzy się między elektrodą a elementem
łączonym tylko na początku spawania. Potem elektroda zanurzana jest w jeziorku
stopionego metalu a przepływ prądu grzeje ten obszar  rezystancyjnie .
Przeznaczone dla łączenia pionowych grubych elementów.
11
Połączenia spawane
Metody spawania:
Spawanie laserowe  podobne do spawania plazmowego. y
ródłem ciepła jest
promień lasera. Spawanie odbywa się w osłonie gazu obojętnego (Argon).
Połączenia spawane
Metody spawania:
Spawanie elektronowe  energię dostarcza skoncentrowana wiązka
elektronów. Mo\
na wykonać głębokie i wąskie spoiny (20:1) z szybkością
20m/min. Spawanie odbywa się w pró\
ni co eliminuje zanieczyszczenie jeziorka
spawalniczego.
12
Połączenia spawane
Wady spoin
1  brak przetopu grani
2  brak wtopienia spoiwa w metal rodzimy
3  nawis wynikający z nieprzetopienia krawędzi metalu
4  wyciek stopiwa po stronie grani
9  wtrącenia \
u\
lowe
5  podtopienie w formie karbu
10,11  pęknięcia
6  kratery na powierzchni spoiny
7,8  pęcherze gazowe
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach
W spoinach występuje spiętrzenie naprę\
eń wynikające z:
Karbu mechanicznego (lokalna zmiana kształtu przedmiotu)
Karbu strukturalnego (lokalna zmiana struktury materiału)
Wad spawalniczych
Dodatkowe naprę\
enia spawalnicze
13
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach czołowych
Spoina czołowa pracuje tak jak materiał rodzimy
Rozciąganie, ściskanie
Q
Q
�c'= d" kc '
� '= d" kr '
r
F
F
Pole spoiny = polu przekroju elementów łączonych
14
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach czołowych
Zginanie
M
g
� '= d" kg '
g
Wx
Wskaz
nik przekroju = wskaz
nikowi
przekroju elementów łączonych
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach czołowych
Ścinanie
T
�t '= d" kt '
F
Pole przekroju = pole przekroju
elementów łączonych
15
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach czołowych
Skręcanie
M
s
�s '= d" ks '
Wo
Wskaz
nik przekroju = wskaz
nik
przekroju elementów łączonych
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach czołowych
Naprę\
enia zastępcze
Obliczane są z hipotezy Hubera
� '= � '2 +3�"� '2 d" kx '
z w w
1
� '= �"� '2 +� '2 d" kx '
z w w
3
Wypadkowe Wypadkowe Naprę\
enia dopuszczalne
naprę\
enia naprę\
enia na przewa\
ające
normalne styczne obcią\
enie
16
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach pachwinowych
Spoina czołowa pracuje tylko na ścinanie
Naprę\
enia styczne !!!!
Q
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach pachwinowych
Rozciąganie, ściskanie
Q
Q
�c '= d" kt '
� '= d" kt '
r
F
F
Pole spoiny = pole obrysu przedmiotu  grubość  ramki = a
17
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach pachwinowych
Zginanie
M
g
� '= d" kt '
g
Wx
Wskaz
nik spoiny = wskaz
nik obrysu przedmiotu  grubość  ramki = a
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach pachwinowych
Ścinanie
Q
�t '= d" kt '
F
Pole spoiny = pole obrysu przedmiotu  grubość  ramki = a
18
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach pachwinowych
Skręcanie
M
s
�s '= d" kt '
Wo
Wskaz
nik spoiny = wskaz
nik obrysu przedmiotu  grubość  ramki = a
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach pachwinowych
Naprę\
enia wypadkowe = wypadkowa geometryczna naprę\
eń
� '= � '2 +� '2 +� '2 d" kt '
z x y z
Zawsze naprę\
enia na ścianie
19
Połączenia spawane
Naprę\
enia w spoinach pachwinowych
Wymiary spoin pachwinowych:
Spoina częściowa:
Spoina dookolna:
Wymiary
zewnętrzne
przedmiotu
Pasek o długości l
a
i szerokości a
Kratery (niedokładnie wykonana spoina)
h = (0,5 � 0,75)�"a
Połączenia spawane
Naprę\
enia dopuszczalne
Spoina powinna być wykonana tym samym materiałem co łączone elementy.
Naprę\
enia dopuszczalne obliczane są na podstawie wytrzymałości
materiału rodzimego.
Obcią\
enia stałe:
kx '= s �" kr
Rozciąganie
s = 0,8
Ściskanie, zginanie
s =1,0
Ścinanie, skręcanie
s = 0,6
20
Połączenia spawane
Naprę\
enia dopuszczalne
Obcią\
enia zmienne:
kx '= m �" s �" kr
m  współczynnik wpływu zmienności
1
m =
�ł �ł
Re Re
�ł �ł
� �" + 0,5 - R �"�ł � �" - 0,5�ł
2�" Zrc 2�" Zrc łł
�ł
�  współczynnik działania karbu
R  współczynnik amplitudy cyklu
Przykład 14.1
Połączenia spawane
Obliczyć naprę\
enia maksymalne w spoinach konstrukcji przedstawionej na rysunku:
D = 30 mm
PN = 12 kN
d = 22 mm
PT = 2 kN
a = 4 mm
kr = 200 MPa
b = 75 mm
l = 150 mm
21
Przykład 14.1
Połączenia spawane
Spoina czołowa
Siła PT
Siła PN
d = 22
D = 30
Ścinanie
Zginanie
Rozciąganie
PN PN 4�" PN
� '= = =
r
2 2
A Ą �"(D2 - d ) Ą �"(D2 - d )
4
4�"12000
�r '=
Ą �"(302 - 222)= 36,72 MPa
Przykład 14.1
Połączenia spawane
Spoina czołowa
Siła PT
Siła PN
d = 22
D = 30
Ścinanie
Zginanie
Rozciąganie
M
PT �"b 32�" D �" PT �"b
g
� '= = =
g 4 4
Wx Ą �"(D4 - d ) Ą �"(D4 - d )
32�" D
32�"30�"2000�"75
� '= = 79,61 MPa
g
Ą �"(304 - 224)
22
Przykład 14.1
Połączenia spawane
Spoina czołowa
Siła PT
Siła PN
d = 22
D = 30
Ścinanie
Zginanie
Rozciąganie
PT PT 4�" PT
�t '= = =
2 2
A Ą �"(D2 - d ) Ą �"(D2 - d )
4
4�" 2000
�t '=
Ą �"(302 - 222)= 6,12 MPa
Przykład 14.1
Połączenia spawane
Spoina czołowa
Siła PT
Naprę\
enie
Siła PN
maksymalne
d = 22
D = 30
Rozciąganie Ścinanie
Zginanie
� '= 79,61 MPa �t '= 6,12 MPa
� '= 36,72 MPa
g
r
Naprę\
enie przewa\
ające
2 2
� '= (� '+� ') + 3�"�t '2 = (36,72 + 79,61) + 3�"6,122
z r g
=116,81 MPa < kg' = kr = 200 MPa
23
Przykład 14.1
Połączenia spawane
Spoina pachwinowa
Siła PT
Siła PN
D = 30
D +2a = 38
Ścinanie
Zginanie
Rozciąganie
PN PN 4�" PN
�r '= = =
2 2
A
Ą �"[(D + 2 �"a) - D2] Ą �"[(D + 2�"a) - D2]
4
4�"12000
�r '= = 28,09 MPa
Ą �"(382 - 302)
Przykład 14.1
Połączenia spawane
Spoina pachwinowa
Siła PT
Siła PN
D = 30
D +2a = 38
Ścinanie
Zginanie
Rozciąganie
M
PT �"l 32�"(D + 2�"a)�" PT �"l
g
� '= = =
g 4 4
Wx
Ą �"[(D + 2�" a) - D4] Ą �"[(D + 2�"a) - D4]
32�"(D + 2�" a)
32�"38�" 2000�"150
� '= = 91,06 MPa
g
Ą �"(384 - 304)
24
Przykład 14.1
Połączenia spawane
Spoina pachwinowa
Siła PT
Siła PN
D = 30
D +2a = 38
Ścinanie
Zginanie
Rozciąganie
PT PT 4�" PT
�t '= = =
2 2
A
Ą �"[(D + 2�"a) - D2] Ą �"[(D + 2�" a) - D2]
4
4�" 2000
�t '= = 4,68 MPa
Ą �"(382 - 302)
Przykład 14.1
Połączenia spawane
Spoina czołowa
Siła PT
Naprę\
enie
Siła PN
maksymalne
D = 30
D +2a = 38
Rozciąganie Ścinanie
Zginanie
� '= 91,06 MPa �t '= 4,68 MPa
�r '= 28,09 MPa
g
2 2
� '= (� '+� ') +�t '2 = (28,09 + 91,06) + 4,682
z r g
=119,24 MPa < kt' = 0,6�" kr = 120 MPa
25