POŁĄCZENIA SPAWANE

Zalety:

• łatwość kształtowania przestrzeni konstrukcyjnej,

• ekonomiczne uzasadnienie w przypadku produkcji jednostkowej,

• łatwość i ekonomiczność stosowania spawania w przypadku ustrojów wielkogabarytowych,

• często jedyna możliwość naprawy lub regeneracji części lub zespołów,

• duża trwałość.

Wady:

• stosunkowo niska wytrzymałość przy obciążeniach zmiennych,

• wysokie wymagania odnośnie do kwalifikacji spawaczy, zwłaszcza przy wykonywaniu spoin dużej klasy,

• występowanie odkształceń spawalniczych,

• poważne zagrożenia w zakresie BHP.

Czynniki wpływające na spiętrzenie naprężeń w spoinie:

• konstrukcyjne - spiętrzenie naprężeń wywołane występowaniem karbów (nieciągłości kształtu), węzłów spawalniczych oraz wpływem sztywności elementów spawanych.

• technologiczne - procesy termiczne towarzyszące kształtowaniu złącza spawanego wywołują powstawanie tzw. naprężeń spawalniczych lub naprężeń własnych.

• struktura złącza i wady wykonania - procesy metalurgiczne topnienia i krzepnięcia spoiny wywołują szereg przemian strukturalnych w spoinie i w materiale rodzimym. Przemiany strukturalne mogą być przyczyną powstawania mikronaprężeń, w wyniku których mogą powstać szczeliny i mikropęknięcia będące mikrokarbami. Wykonaniu spoiny wszystkimi znanymi metodami towarzyszy zawsze możliwość wystąpienia wad zewnętrznych lub wewnętrznych.

Spoiny pachwinowe:

Przy spawaniu spoiną pachwinową jednostronną przyjmuje się a≤0.7·g, a przy spawaniu spoiną dwustronną a≤0.5·g, gdzie g - grubość cieńszego ze spawanych elementów.

Obliczanie naprężeń nominalnych:

• do wyznaczenia przekroju i wskaźnika spoiny przyjmuje się wysokość trójkąta spoiny,

• oblicza się zawsze na ścinanie bez względu na charakter obciążeń,

• naprężenia zastępcze wyznacza się sumując geometrycznie naprężenia składowe,

• materiał spoiny traktuje się jako izotropowy podlegający prawu Hooke'a przyjmując, że naprężenia są proporcjonalne do hipotetycznych odkształceń.

Dla wyznaczenia powierzchni spoiny przyjmuje się wysokość trójkąta spoiny „a”, natomiast dla wyznaczenia wskaźników spoiny dokonuje się hipotetycznego obrotu płaszczyzny wyznaczonej przez wysokość trójkąta spoiny do płaszczyzny złącza.

, gdzie:
,
,

F_sp=a·(l-2·a)

l=l+2·a - długość odcinka spoiny należy powiększyć o 2·a ze względu na występowanie na początku i końcu spoiny tzw. kraterów.

Spoiny czołowe:

Obliczanie naprężeń nominalnych:

• naprężenia normalne składa się ze stycznymi stosując hipotezę Hubera.

• materiał spoiny traktuje się jako izotropowy podlegający prawu Hooke'a przyjmując, że naprężenia są proporcjonalne do hipotetycznych odkształceń.

, gdzie:
,
,
,

Naprężenia dopuszczalne:

k'=z·z₀·k - dla obciążeń statycznych,

k'=z·z_a·k_z - dla obciążeń zmiennych,

gdzie:

k' - naprężenia dopuszczalne dla spoiny,

z - współczynnik jakości spoiny (z=0.5 dla spoin normalnych, z=1 dla spoin mocnych),

z₀ - współczynnik rodzaju obciążenia i kształtu spoiny dla obciążeń stałych,

Rodzaj spoiny	Rodzaj obciążenia	z0
czołowa	rozciąganie	0,75
		ściskanie	0,85
		zginanie	0,80
		ścinanie	0,65
pachwinowa	wszystkie	0,65

z_a=1/β - współczynnik rodzaju obciążenia i kształtu spoiny dla obciążeń zmiennych (wartość określa się dla konkretnej liczby ℵ=б_m/б_a),

k=R_e/x - normalne naprężenia dopuszczalne materiału spawanego,

k_z=Z_r/x - normalne naprężenia dopuszczalne materiału spawanego dla danego cyklu obciążenia,

Z_r - trwała wytrzymałość zmęczeniowa przy rozrywaniu,

x - współczynnik bezpieczeństwa (2÷3).

Zasada optymalizacji stanu obciążeń:

Siła zewnętrzna Q jest równoważona przez siły P₁ i P₂ w spoinach. Siły te są proporcjonalne do długości spoin l₁ i l₂. Zachowując warunek statycznej równowagi momentów od sił w spoinach względem środka ciężkości kształtownika eliminuje się dodatkowy moment skręcający.

F₁+F₂=F_min

F₁·e₁=F₂·e₂ ⇒ l₁·a·e₁=l₂·a·e₂

Zasada optymalizacji stanu naprężeń:

Sprowadza się ona do eliminacji spiętrzenia naprężeń wynikającego z warunków konstrukcyjnych i technologicznych.

• spoina czołowa jest lepsza od pachwinowej,

• złącze doczołowe jest lepsze od innego rodzaju złącza,

• spoinę jako źródło spiętrzenia naprężeń należy sytuować poza obszarami spiętrzenia naprężeń wynikającymi z geometrii lub sztywności łączonych elementów,

• należy unikać węzłów o znacznej ilości spoin,

• należy minimalizować efekt odkształceń termicznych (zamiast spoiny ciągłej - przerywana).

ZASADY KONSTRUKCJI

• zasada optymalnego stanu obciążeń

• zasada optymalnego stanu naprężeń i nacisków

• zasada optymalnych procesów technologicznych

Kryteria optymalizacji

• kryterium małego ciężaru

• kryterium małych gabarytów

• kryterium małych kosztów wytwarzania

• kryterium technologiczności

• kryterium niezawodności

• kryterium trwałości

Zasada optymalnego stanu obciążenia

• unikanie bądź minimalizacja sił i momentów dodatkowych:

- zamknięty najmniejszy łańcuch sił

- uelastycznienie

• minimalizacja obciążeń głównych:

- podział obciążenia

- uelastycznienie

• unikanie i minimalizacja obciążeń gnących i skręcających:

- symetryzacja

- minimalizacja ramienia zginania lub skręcania

- minimalizacja zginania przez samonastawność (łączniki gwintowe)

• minimalizacja amplitudy obciążenia zmiennego:

- zmniejszenie obciążenia głównego

- zwiększenie dokładności wykonania

- podział obciążenia

Obciążenia główne są to obciążenia elementu w maszynie niezbędne dla prawidłowego działania elementu i maszyny (wynikające z funkcji elementu w maszynie).

Obciążenia dodatkowe są to obciążenia nie związane z funkcją elementu w maszynie, powstające w efekcie błędów konstrukcyjnych, błędów wykonania i montażu, bądź też czynników niemożliwych do przewidzenia lub uniknięcia.

Optymalny stan obciążenia w maszynie (lub elemencie), to taki stan, w którym nie ma obciążeń dodatkowych, a obciążenia główne istnieją w postaci stałych obciążeń rozciągających.

Zasada optymalizacji stanu naprężeń i nacisków

• zapewnienie równomiernego rozkładu naprężeń

- poprawianie rozkładu nacisków połączeń gwintowych poprzez zmianę stosunków sztywnościowych

- poprawianie rozkładu naprężeń gnących i skręcających poprzez stosowanie racjonalnych przekrojów

- stosowanie przekrojów asymetrycznych

- poprawianie rozkładu naprężeń poprzez wywołanie naprężenia wstępnego w przekrojach elementu

(wywołanie naprężeń wstępnych przez przeciążenie)

- poprawianie rozkładu naprężeń poprzez minimalizacje działania karbu (minimalizacja spiętrzenia naprężeń)

β=η_k⋅(α_k−1)+βp

• zwiększenie dokładności obliczeń wytrzymałościowych i sztywnościowych

(współczynnik bezpieczeństwa x bliższy 1)

Stan naprężeń i nacisków jest tym bardziej optymalny, im są one bardziej równomiernie rozłożone na przekroju i powierzchni styku, im są mniej zmienne w czasie i im ich wartości rzeczywiste są bliższe (ale nie większe) wartościom naprężeń i nacisków granicznych.

---