Wydział Mechaniczno-Technologiczny 16.IV.1999

Kierunek Mechanika i Budowa Maszyn

ELABORAT

POŁĄCZENIA SPAWANE

SZYMIK Tadeusz

Grupa I

Semestr IV

Na podstawie przytoczonej klasyfikacji, wyróżnić można kilka zasadniczych rodzajów spoin: czołowe, pachwinowe, otworowe, brzeżne i grzbietowe.

Spoiny czołowe wyróżniają się spośród innych rodzajów spoin wysoką wytrzymałością przy obciążeniach stałych i zmiennych. Spoiny czołowe charakteryzuje łatwość kontroli ich jakości wszystkimi metodami nieniszczącymi.

Spoinami pachwinowymi łączy się nieukosowane ścianki elementów w złączach kątowych i przylgowych; dzięki temu spoiny te są łatwe do wykonania. Pole przekroju spoiny pachwinowej rośnie z kwadratem jej grubości. 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.

Spoiny brzeżne powstają w wyniku przetopienia, bez dodawania spoiwa, odpowiednio wywiniętych brzegów blach.

Spoiny grzbietowe są odmianą niepełnych spoin czołowych w złączach przylgowych i łączyć mogą elementy zarówno nieukosowane, jak i ukosowanej.

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

σ= EαΔt,

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

Przy spawaniu temperatury są dużo wyższe, skutkiem czego w połączeniach spawanych powstają znaczne odkształcenia plastyczne. Dodatkowe naprężenia mogą być spowodowane zmianami objętościowymi towarzyszącymi przemianom fazowym metalu. Naprężenia występujące w procesie spawania to naprężenia własne, wzdłużne i w kierunku poprzecznym do osi spoiny.

Działanie karbu wywołane kształtem połączenia lub wadami spawania może być częściowo złagodzone przez odpowiednią obróbkę mechaniczną. Istotny wpływ na wytrzymałość zmęczeniową połączeń wywierają: kształt lica spoiny (wysokość nadlewu) i przestawienie, łączonych elementów. Te błędy geometryczne złączy niekiedy okazują się bardziej niebezpieczne niż wewnętrzne wady spoin.

W przypadku obciążeń zmiennych naprężenia własne mogą wpływać istotnie na wytrzymałość połączenia.

Grubość obliczeniową (nominalną) s spoiny czołowej przyjmuje się równą grubości g_nim cieńszego z łączonych elementów (rys. 1); czyli

s=g_min.

Rys. 1.Grubość obliczeniowa spoin czołowych.

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

W złączach kątowych lub teowych grubość niepełnych spoin powinna być dobrana ze wzoru:

Długość obliczeniowa spoiny l równa jest szerokości b łączonych elementów pod warunkiem wykonania jej bez kraterów końcowych. W przeciwnym razie

l = b - 2s,

Zatem pole przekroju poprzecznego spoiny czołowej

A_s = sl.

Pole przekroju, wskaźniki wytrzymałości i momenty bezwładności pełnych spoin czołowych łączących kształtowniki walcowane przyjmuje się równe wartościom odpowiadającym tym kształtownikom.

Należy zauważyć, że rozkład naprężeń w spoinach pachwinowych jest szczególnie złożony i z tego powodu określenie rzeczywistego niebezpiecznego przekroju spoiny natrafia na znaczne trudności. Dlatego w obliczeniach wytrzymałościowych połączeń ze spoinami pachwinowymi operuje się umownie przyjętą grubością obliczeniową a. Grubość ta jest równa wysokości trójkąta równoramiennego wpisanego w przekrój spoiny (rys. 2.a-f). Wyjątkowo, w przypadku spoin o nierównej długości boków, spotkać się można z zaleceniem określenia grubości a jako wysokości największego trójkąta wpisanego w przekrój spoiny (rys. 2.g).

Rys. 2.Grubość obliczeniowa spoin pachwinowych.

Przy automatycznym spawaniu lukiem krytym lub metodami równoważnymi pod względem głębokości wtopu (np. w osłonie CO₂), obliczeniową a_obl grubość spoiny przyjmować można następująco (rys. 2.3):

a_obl = 1,3 a — dla spoin jednowarstwowych,

a_obl = a+(2 mm) — dla spoin wielowarstwowych.

W połączeniach o dużym skupieniu spoin, takich jak złącze krzyżowe pokazane na rys. 2.42, zaleca się, aby grubość a spoin spełniała warunek

a ≤ 0,5g_min.

W wyniku spełnienia tego warunku unika się w rozważanych połączeniach nadmiernej koncentracji naprężeń i odkształceń.

Grubość spoin pachwinowych jednostronnych i dwustronnych nie podlegających obliczeniom wytrzymałościowym (łączących usztywienia, przepony itp.) należy przyjmować konstrukcyjnie, równą 0,2 — 0,3 grubości cieńszego z łączonych elementów, jednak nie mniej niż 2mm.

Wskaźniki wytrzymałości na zginanie i skręcanie oraz momenty bezwładności spoin pachwinowych oblicza się z ich kładu na płaszczyznę przekroju. W kładzie tym szerokością jest obliczeniowa grubość a spoiny.

Pole przekroju pełnych spoin otworowych, które oblicza się wytrzymałościowo, podobnie jak spoiny pachwinowe, jest równe polu przekroju otworu w miejscu styku łączonych elementów.

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. W miarę możliwości spoiny jednostronne należy usytuować tak, aby grań jako najsłabsze miejsce połączenia nie znajdowała się w strefie naprężeń rozciągających. W przypadku elementów poddanych obciążeniom zginającym spoina winna być ułożona jak najbliżej osi obojętnej.

Nie należy stosować spoin grubszych niż wynika to z obliczeń wytrzymałościowych.

Liczba spoin winna być jak najmniejsza, a rozwiązanie konstrukcyjne połączeń —jak najprostsze, bez pośrednich elementów, łatwe do wykonania.

Należy unikać nadmiernego skupienia spoin, gdyż powoduje to powstawanie złożonego stanu naprężeń spawalniczych o dużych ich wartościach. Przy blisko siebie leżących spoinach ich strefy wpływu ciepła wzajemnie nakładają się. Są to okoliczności sprzyjające niebezpieczeństwu powstawania pęknięć.

Spoiny ciągłe wymagane są także w konstrukcjach obciążonych dynamicznie (udarowo, zmęczeniowe), narażonych na działanie środowiska agresywnego (czynniki atmosferyczne bądź chemiczne) lub w miejscach nagłej zmiany przekroju belki lub występowania znacznych naprężeń normalnych i stycznych Natomiast zastosowanie spoin przerywanych może być celowe w konstrukcjach poddanych obciążeniom statycznym; zmniejsza się bowiem w ten sposób pracochłonność ich wykonania oraz odkształcenia spawalnicze .

Przy projektowaniu połączeń winno dążyć się do rozmieszczenia spoin tak, aby ich środek ciężkości pokrywał się ze środkiem ciężkości przekroju łączonych elementów.

Obróbka skrawaniem spoin prowadzi do odkształceń elementu skutkiem zakłócenia warunków równowagi naprężeń spawalniczych. Z tego względu spoiny obrabiać można (o ile to konieczne) dopiero po wcześniejszym przeprowadzeniu zabiegu wyżarzania odprężającego.

W połączeniach kątowych, teowych i krzyżowych grubych blach, szczególnie w przypadkach, gdy blachy przenoszą naprężenia rozciągające w kierunku ich grubości, wystąpić mogą pęknięcia lamelarne (rozwarstwienia) spowodowane segregacją wtrąceń niemetalicznych. Z tego powodu połączeń takich należy unikać, a w przypadku ich zastosowania — kształtować węzły tak, aby zmniejszyć ryzyko pęknięć oraz wykorzystywać blachy skontrolowane metodą ultradźwiękową na rozwarstwienia.

Projektując konstrukcję, należy zwrócić uwagę na możliwość zastosowania założonej metody spawania. Przy spawaniu ręcznym pochylenie elektrody w stosunku do osi spoiny winno wynosić 30 — 60°, a oddalenie elektrody od jakiejkolwiek części konstrukcji powinno być co najmniej równe 10 mm (rys. 3). W przypadku spoin poziomych wykonywanych w przestrzeni zamkniętej z dostępem przez otwór, ich długość l zależy od wymiarów otworu b x h.

Rys. 3 Warunki dostępu do spoiny przy spawaniu ręcznym elektrodą otuloną.

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:

k'_st = zz₀k_r,

w którym z — współczynnik jakości spoiny, z_o — współczynnik statycznej wytrzymałości spoiny, k_r — naprężenia dopuszczalne na rozciąganie dla materiału podstawowego połączenia.

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.

Współczynnik statycznej wytrzymałości spoiny uzależniony jest od rodzaju spoiny oraz sposobu obciążenia złącza i wynosi:

• dla spoin czołowych rozciąganych, ściskanych, zginanych z₀ = l;

• dla spoin czołowych ścinanych z₀ = 0,8;

• dla spoin pachwinowych niezależnie od sposobu obciążenia z₀ == 0,8.

W przypadku złączy stalowych naprężenia dopuszczalne k_r na rozciąganie dla materiału podstawowego ustala się przy założeniu współczynnika bezpieczeństwa x_e = 1,5 — 1,7 ze wzoru

w którym R_e oznacza granicę plastyczności.

Pewną trudność sprawić może ustalenie wartości naprężeń dopuszczalnych k_r w przypadku połączeń metali kolorowych. Wspominano już bowiem, że wytrzymałość doraźna spoin tych metali jest zazwyczaj niższa od wytrzymałości materiału podstawowego. Stąd naprężenia k_r wyznaczać trzeba na podstawie wytrzymałości na rozciąganie R_m spoiny, lecz wówczas należy pamiętać o przyjęciu większej wartości współczynnika bezpieczeństwa x_m niż we wzorze.

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

k'_st=sk_r.

przy czym w przypadku stali (w nawiasach wartości dla aluminium):

• dla spoin czołowych przy ściskaniu osiowym i przy zginaniu s = l (s = l),

— dla spoin czołowych przy rozciąganiu osiowym i przy zginaniu s = 0,8 — l (s = 0,7 — 0,9); w przypadku kontroli spoin metodą radiograficzną lub ultradźwiękową s = l (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.

Warunek wytrzymałości (zwany też warunkiem bezpieczeństwa) dla połączenia spawanego obciążonego statycznie wyrazić można wzorem:

w którym σ — uogólnione naprężenie obliczeniowe (normalne lub styczne), F_st — uogólnione stałe obciążenie obliczeniowe (np. siła osiowa, siła ścinająca, moment zginający), A_s — uogólniony wskaźnik wytrzymałości przekroju spoiny (np. pole, wskaźnik wytrzymałości na zginanie).

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

k'_zm = zz_ak_zm,

w którym z — współczynnik jakości spoiny, z_a — współczynnik zmęczeniowej wytrzymałości spoiny, k_zm — naprężenia dopuszczalne dla materiału podstawowego przy danym obciążeniu zmiennym.

Naprężenie dopuszczalne k_zm przy obciążeniach zmiennych oblicza się na podstawie wytrzymałości zmęczeniowej Z, przyjmując współczynnik bezpieczeństwa x_z = 1,5—3, czyli

.

Konstrukcje maszyn, ze względu na charakter ich pracy, podlegają zazwyczaj działaniu obciążeń zmiennych F_zm sumujących się z obciążeniami stałymi F_st, 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:

Rozważone zostaną teraz połączenia ze spoinami czołowymi i połączenia ze spoinami pachwinowymi.

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

Spoiny czołowe w elementach zginanych w jednej płaszczyźnie momentem M_g oblicza się ze wzoru

przy czym Wg oznacza wskaźnik wytrzymałości na zginanie przekroju spoiny. Przykładowo, dla spoiny pełnej pokazanej na rys. 4a — Wg = sl²|6. Natomiast w przypadku spoiny niepełnej (rys. 4b) należy uwzględnić jej rzeczywistą grubość, skąd

.

Rys. 4.Zginanie połączeń ze spoinami czołowymi: a)pełnymi, b)niepełnymi.

Warunek bezpieczeństwa na ścinanie siłą T ma postać

przy czym sposób obliczenia pola przekroju spoiny A_s uzależniony jest od kształtu przekroju poprzecznego łączonych elementów. Przyjmuje się bowiem, że siła poprzeczna przenoszona jest głównie przez spoiny ścianek elementu równoległe do kierunku działania siły.

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

Naprężenia na zginanie z rozciąganiem lub zginanie ze ściskaniem w połączeniu doczołowym pręta o przekroju symetrycznym sprawdza się ze wzoru

przy czym M_g = Fe.

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

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

Pełne spoiny otworowe wymiaruje się podobnie, przyjmując, że ich pole powierzchni A_s = πd²/4.

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. Przy zginaniu warunek bezpieczeństwa zapisać można w postaci

*

przy czym wskaźnik W_g oblicza się, jak już wspominano, z kładu przekroju obliczeniowego spoin na płaszczyznę styku łączonych elementów.

W ciągłych spoinach pachwinowych o grubości a łączących pas ze średnikiem belki powstają pod wpływem sił poprzecznych T działających na belkę naprężenia wyrażające się wzorem (rys. 5a)

w którym S_x — moment statyczny przekroju pasa, J_x — moment bezwładności całego przekroju. Stąd wyznaczyć można wymaganą grubość spoiny.

Rys. 5.Obliczanie spoin pachwinowych w belkach dwuteowych.

W spoinach przerywanych o długości / i podziałce i (rys. 5b) naprężenia wynoszą

W przypadku płaskowników o dużej wysokości, tj. gdy h » / (rys. 2.83b), możliwe jest jeszcze inne uproszczenie obliczeń. Przyjmuje się wówczas założenie, że naprężenia w spoinie są proporcjonalne do odkszałceń materiału podstawowego, te zaś rosną liniowo z odległością od osi obojętnej. Prowadzi to do wzoru podobnego jak przy zginaniu, czyli

przy czym J_x oznacza osiowy moment bezwładności obliczeniowego przekroju spoin.

W przypadku zginania ze ścinaniem oprócz maksymalnych naprężeń τ'_g wywołanych momentem zginającym i obliczanych ze wzoru (*) powstają naprężenia spowodowane siłą poprzeczną. Zakłada się, jak już to wspomniano, że siła poprzeczna przenoszona jest tylko przez spoiny równoległe do kierunku jej działania. Wówczas

Połączenia ze spoinami czołowymi i pachwinowymi. Jak już podkreślano, połączenia ze spoinami czołowymi — ze względu na ich wyższą wytrzymałość — są korzystniejsze od złączy ze spoinami pachwinowymi.

Obliczenie naprężeń w spoinach rozpoczyna się od rozłożenia siły F obciążającej pręt na poszczególne elementy : pręta, proporcjonalnie do ich pól przekroju:

F=F₁+2F₂, A=A₁+2A₂.

Naprężenia w spoinie czołowej są wówczas równe:

naprężenia zaś w spoinach pachwinowych wynoszą

W niektórych przepisach projektowania uwzględnia się nierównomierność obciążenia spoin czołowych i pachwinowych. Przy obciążeniach statycznych łączne pole przekroju spoin pachwinowych o polu A_sp i czołowych o polu A_sc oblicza się, przyjmując naprężenia dopuszczalne jak dla spoin pachwinowych, albo pomija się obecność spoin pachwinowych (to ostatnie uproszczenie stosuje się także przy obciążeniach dynamicznych).

W myśl innych przepisów umowne, łączne pole przekroju A_su spoin czołowych i pachwinowych oblicza się tak jak dla spoin czołowych, czyli

przy czym A_su = A_sc+0,6A_sp (ważne dla A_sp/A_sc < 1,5).

---