Obliczanie połączeń spawanych
Na ogół spoiny mają mniejszą wytrzymałość od materiału rodzimego (spawanych
elementów) ze względu na:
- zmianę struktury materiału spoiny,
- spiętrzenie naprężeń,
- powstawanie naprężeń własnych podczas spawania.
Dlatego podczas obliczania połączeń spawanych należy uwzględnić współczynnik zmniejszający
wartość naprężeń dopuszczalnych, tzw. współczynnik jakości spoiny.
Naprężenia dopuszczalne dla spoin oblicza się z zależności:
k'=z0�"z�"kr
gdzie:
z0  współczynnik wytrzymałości statycznej (dla rozciągania: z0 = 0,75; zginania: z0 = 0,8;
ściskania: z0 = 0,8; ścinania z0 = 0,65;
z  współczynnik jakości spoiny. Współczynnik z zależy od konstrukcji i staranności wykonania
spoiny i waha się w granicach od 0,5  1;
kr  naprężenie dopuszczalne na rozciąganie dla materiałów łączonych elementów.
W miejscu gdzie rozpoczyna się i kończy spoina występują kratery, co powoduje obniżenie
wytrzymałości w tych miejscach. W obliczeniach przyjmuje się, że długość kraterów jest równa
grubości spoiny a.
1. Spoiny czołowe
(przy jednakowej grubości elementów łączonych)
Długość obliczeniową spoiny przyjmuje się szerokości łączonych elementów, jeśli brak w spoinie
jest kraterów (zastosowanie podkładek). Jeżeli istnieją kratery to długość obliczeniowa spoiny
wynosi:
l0=b-2a
2a  sumaryczna długość kraterów na początku i końcu spoiny (rys. 1),
b  szerokość blachy
Rys. 1. Spoina czołowa rozciągana
1.1. Spoiny czołowe rozciągane lub ściskane
Przekrój spoiny czołowej wynosi:
A=l0�"g (rys. 1)
gdzie: l0=b-2a
długość obliczeniową a przyjmuje się grubości łączonych elementów g.
Naprężenie w spoinie zgodnie z warunkiem wytrzymałościowym na rozciąganie:
F
�r,c= d"kr'
,c
A
zastosowanie spoiny ukośnej (rys. 2) zwiększa wytrzymałość połączenia. Dla kąta � = 45O
przyjmuje się, że wytrzymałość szwu jest równa wytrzymałości materiału łączonych części. W
tym przypadku warunek wytrzymałościowy przybierze postać:
Rys. 2. Spoina czołowa ukośna
F
�r,c= d"kr,c gdzie:
A
kr,c  dopuszczalne naprężenie dla materiału spawanych elementów.
1.2. Spoiny czołowe zginane.
Przykład zginania spoiny czołowej przedstawiony jest na rys. 3.1
W przypadku spoinę czołową oblicza się z warunku na zginanie:
M
g
'
�g= d"kg
Wx
biorąc pod uwagę odpowiedni wskaz
nik przekroju:
- dla przypadku przedstawionego na rys.3.1
Rys. 3.1. Spoina czołowa zginana
3
a�"l0
3
Ix a�"l0 l0
12
Wx= gdzie: Ix= , ymax= �!Wx=
l0
ymax 12 2
2
3
a�"l0
Wx=
6
- dla przypadku przedstawionego na rys. 3.2
Rys. 3.2. Spoina czołowa zginana
a2�"l0
Ix a3�"l0 a
12
Wx= gdzie: Ix= , ymax= �!Wx=
a
ymax 12 2
2
a2�"l0
Wx=
6
1.3. Spoiny czołowe obciążone momentem zginającym i siłą tnącą.
Przykład spoiny czołowej obciążonej momentem zginającym i siłą tnącą przedstawia rys.4. Jest
to belka o przekroju prostokątnym mająca w odległości l od przyłożenia siły zginającej spoinę
czołową. Jest to przypadek jednoczesnego zginania i ścinania spoiny.
Rys. 4. Spoina czołowa zginana i ścinana
Moment gnący w tym przypadku wynosi:
M =F�"l
g
Wskaz
nik przekroju na zginanie wynosi odpowiednio:
3
a�"l0
3
Ix a�"l0 l0
12
Wx= gdzie: Ix= , ymax= �!Wx=
l0
ymax 12 2
2
2
a�"l0
Wx=
6
naprężenie zginające
M
g
�g = ą
Wx
naprężenie ścinające
F F
�= =
A a�"l0
naprężenie zastępcze
2
�z = ą �g + 3�2
1.4. Spoina czołowa obciążona momentem zginającym i siłą rozrywającą.
Przykład takiego połączenia pokazuje rysunek 5. Belka przyspawana do płyty spoiną czołową,
obciążona momentem gnącym Mg i siłą rozrywającą F.
Rys. 5. Spoina czołowa zginana i rozciągana
Moment gnący w tym przypadku wynosi:
M =F�"l
g
Wskaz
nik przekroju na zginanie wynosi odpowiednio:
3
a�"l0
3
Ix a�"l0 l0
12
Wx= gdzie: Ix= , ymax= �!Wx=
l0
ymax 12 2
2
2
a�"l0
Wx=
6
naprężenie zginające
M
g
�g = ą
Wx
naprężenie rozciągające:
F F
�r= =
A a�"l0
naprężenie zastępcze:
�z =�g +�r
2. Spoiny pachwinowe.
Przy obliczeniach spoin pachwinowych dla wszystkich rodzajów obciążeń przyjmuje się,
że występują w nich tylko naprężenia ścinające. W rzeczywistości występują tu również
naprężenia normalne, ale ich wielkość a więc i wpływ na wytrzymałość spoiny pachwinowej jest
mały i nie bierze się ich pod uwagę.
Jako grubość przekroju obliczeniowego przyjmuje się wysokość a trójkąta
równoramiennego wpisanego w spoinę (rys. 6)
Rys. 6. Przekrój przez spoinę pachwinową
a = h�"sin 45O H" 0,7�" h
w większości przypadków h równa się grubości spawanego elementu czyli g. Długość
obliczeniową spoiny pachwinowej oblicza się tak jak spoiny czołowej.
2.1. Spoiny pachwinowe obciążone siłami wzdłużnymi i poprzecznymi.
Oblicza się je tylko na ścinanie niezależnie od rodzaju obciążenia. Naprężenia dopuszczalne
wynoszące dla spoin pachwinowych kt = 0,65kr, mają duży zapas bezpieczeństwa w stosunku do
wytrzymałości doraz
nej, stwierdzonej na próbkach.
Na rysunku 7 pokazano różne przypadki obciążenia spoin pachwinowych. We wszystkich
przypadkach długości l0 spoiny obliczane są z uwzględnieniem kraterów o długości a. Naprężenie
w spoinie oblicza się biorąc pod uwagę sumę obliczeniowych długości spoin.
F
�= d"kt'
�"a
"l0
Rys. 7. Spoiny pachwinowe
2.2. Spoina pachwinowa obciążona momentem zginającym Mg oraz siłą poprzeczną Q
(rys. 8).
Rys. 8. Spoina pachwinowa zginana i ścinana
Naprężenie ścinające pochodzące od momentu gnącego:
M
g
�M=
Wx
Wskaz
nik przekroju na zginanie
3
a�"l0
3
Ix a�"l0 l0
12
Wx=2 gdzie: Ix= , ymax= �!Wx=
l0
ymax 12 2
2
2
a�"l0
Wx=2
6
naprężenie ścinające od siły poprzecznej Q:
Q
�Q=
A
przekrój spoiny:
A=2a�"l0
naprężenie zastępcze
2 2
�z= �M+�Qd"kt'
2.3. Spoina pachwinowa obciążona momentem zginającym, skręcającym i siłą poprzeczną.
(rys. 9)
Rys. 9. Spoina pachwinowa zginana, ścinana i skręcana
Na rysunku 9 przedstawiono wałek przyspawany spoiną pachwinową do płyty, Wałek ten
obciążony jest siłą F działającą na ramieniu r, Siła ta wywołuje:
M =F�"l
- moment zginający:
g
M =F�"r
- moment skręcający:
s
Q=F
- siłę poprzeczną Q:
Ą
2
A = (D2 - d ), D = d + 2a
Pole przekroju spoiny:
4
Wskaz
nik przekroju spoiny na zginanie:
4
Ą D4-d
Wx= �"
32 D
Wskaz
nik przekroju na skręcanie:
4
Ą D4-d
Wx= �"
16 D
Naprężenia ścinające od momentu gnącego:
M
g
�Mg=
Wx
Naprężenia ścinające od momentu skręcającego:
M
g
�Ms=
W0
Naprężenia ścinające od siły poprzecznej:
Q
�Q=
A
naprężenia zastępcze:
2 2 2
�z = �Q +�Ms +�Mg