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 wy­trzymałościowe 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 cm²,

a - grubość obliczeniowa spoiny w cm²,

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.

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:

• dla spoin czołowych

przy rozciąganiu z = 0,8,

przy zginaniu z = 0,9,

przy ścinaniu z = 0,65,

• dla spoin pachwinowych (niezależnie od rodzaju obciążenia) 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.

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.

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.

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 wytrzymałoś­ciowych w zależności od wartości wyznaczonych sił F₁ i F₂

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.

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).

---