ELABOR~2.DOC

ELABORAT  NR 2

Z  PODSTAW  KONSTRUKCJI  MASZYN                  

TEMAT:

,,POŁĄCZENIA  SPAWANE”

                                                     WYKONAŁ :

                                                           Piotr Pruchnik

Grupa  1

                                                  Wydz. Mechaniczny Technologiczny

                                                  Kier. Mechanika i Budowa Maszyn

,, POŁĄCZENIA  SPAWANE ”

Spawanie jest rozpowszechnionym sposobem łączenia metali , polegającym na miejscowym

nagrzaniu metalu do stanu topnienia i łączeniu powierzchni w stanie ciekłym. Łączenie części

odbywa się bez wywierania nacisku na elementy łączone , oraz połączenie to można wykonywać

z wprowadzeniem lub bez wprowadzania dodatkowego spoiwa .

1. Klasyfikacja połączeń spawanych i rodzaje spoin .

Wykorzystując  kryterium kształtu połączenia spawane podzielić możemy na trzy rodzaje :

-      doczołowe , gdzie elementy konstrukcyjne zestawione są w jednej płaszczyźnie ,

-      kątowe , które powstają najczęściej w wyniku prostopadłego zestawienia elementów ,

-      przylgowe , gdzie najczęściej wykorzystuje się złącza nakładkowe i zakładkowe .

Na podstawie powyższego kryterium możemy wyróżnić następujące rodzaje spoin :

-      czołowe ( charakteryzują się wysoką wytrzymałością przy obciążeniach stałych i zmiennych)

-      pachwinowe ( są one łatwe do wykonania , ale wytrzymałość na obciążenia jest mniejsza )

-      otwarte ( powstają poprzez wypełnienie spoiwem otworu wykonanego w jednym z elementów połączenia )

-      brzeżne ( powstają w wyniku przetopienia , bez dodawania spoiwa i nie są przeznaczone do przenoszenia obciążenia )

-      grzbietowe ( stosuje się najczęściej do łączenia blach w celu zwiększenia ich grubości , nie przenoszą zasadniczych obciążeń i nie podlegają obliczeniom )

Przy wykorzystaniu specjalnych technologii (np. laser , wiązka elektronów), wykonać można spoiny jako spiny bezotworowe , punktowe i liniowe .

              Oznaczenie spoiny na rysunku powinno zawierać informacje potrzebne do wykonania połączenia o wymaganej jakości , w tym znak spoiny , wymiary charakterystyczne oraz w razie potrzeby znaki dodatkowe ( ukształtowanie lica , sposoby obróbki mechanicznej spoiny ) .

Rys 1.  Przykład  oznaczenia spoiny na rysunku z

zaznaczeniem metody spawania i wymaganej jakości

2 . Naprężenia i odkształcenia spawalnicze .

              Proces spawania charakteryzuje się miejscowym nagrzewaniem łączonych elementów . Materiał ogranicza swobodę odkształceń w tej strefie , prowadząc do powstania naprężeń , które wyrażamy wzorem :

s = E a D t                          gdzie ;

E -  moduł YOUNGA ( zależny od temperatury )

a - współczynnik rozszerzalności cieplnej ( zależny od temperatury )

Dt - różnica temperatur pomiędzy nagrzaną i chłodną strefą materiału .

Podczas spawania powstają znaczne odkształcenia plastyczne oraz naprężenia spowodowane zmianami objętościowymi towarzyszącymi przemianą fazowym . Podczas spawania występują naprężenia

wzdłużne i poprzeczne , które mają największą wartość w środkowej części spoiny . Naprężenia własne w konstrukcji spawanej usuwamy najczęściej poprzez wyżarzanie odprężające . Podczas tego

zabiegu naprężenia własne ulegają zmniejszeniu . Najistotniejszy wpływ na odkształcenie złącza wywiera skurcz wzdłużny i poprzeczny .

W elementach cienkościennych skurcze powodują lokalną utratę stateczności w postaci wyburzeń i

zwichrowań . Skutki możemy łatwo usunąć poprzez stosowanie odpowiednich naddatków przy trasowaniu elementów . Zmniejszenie wielkości odkształceń możemy otrzymać również przez stosowanie spawania o dużej efektywności ( np. spawanie łukiem krytym , elektronowe , laserowe ) . Ponieważ na wielkość odkształceń  ma wpływ ilość pochłoniętego przez element ciepła , konstrukcja powinna charakteryzować się  jak najmniejszą liczbą spoin . Złącza spawane nie powinny mieć wymiarów większych niż wynika to z obliczeń wytrzymałościowych lub wymagań konstrukcyjnych .

                                Rys 2.  Skurcz  objętościowy spoin

3 . Wytrzymałość połączeń spawanych .

    A ) Wytrzymałość połączeń przy obciążeniach statycznych

Zazwyczaj własności wytrzymałościowe spoiwa są większe od własności  materiału rodzimego a nadlew powiększa przekrój złącza . Jeżeli materiału nie poddamy przed spawaniem wyżarzaniu odprężającemu , to wystąpią naprężenia spawalnicze . W niektórych przypadkach mogą one powodować niekorzystne skutki w postaci odkształceń konstrukcji, która poddawana jest obróbce mechanicznej .

    B ) Wytrzymałość połączeń przy obciążeniach zmiennych

Połączenia spawane charakteryzują się nagłymi zmianami przekroju , co powoduje spiętrzanie się naprężeń . Koncentracja tych naprężeń obniża własności wytrzymałościowe i mogą być miejscami zarodkowania pęknięć zmęczeniowych . Miarą wpływu spiętrzenia naprężeń na wytrzymałość zmęczeniową

połączeń spawanych jest współczynnik działania karbu :               

                    gdzie , Zgi  i  Zk  oznaczają wytrzymałość zmęczeniową próbki gładkiej i próbki

                                           z karbem .

      Istotny wpływ na wytrzymałość zmęczeniową połączeń wywiera kształt lica spoiny i przestawienie.

Wpływ wad jest wypadkową wielu czynników : rodzaju , wielkości i nasilenia wad , własności materiału podstawowego i dodatkowego , rodzaju zastosowanej obróbki odprężającej , sposobu obciążenia i warunków pracy .

Rys 3. Przebiegi linii sił i rozkłady naprężeń w złączach czołowych

a) połączenie blach o równej grubości ;      b,c)połączenie blach o różnej grubości ;

                d)połączenie teowe ze spoiną  K 

4 . Projektowanie połączeń spawanych .

   Wymiary  obliczeniowe  spoin

Grubość obliczeniową (nominalną) s spoiny czołowej przyjmuje się równą grubości gmin cieńszego z łączonych elementów                                   s = gmin

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

Długość obliczeniową spoiny l równa jest szerokości b łączonych elementów pod warunkiem prawidłowego wykonania jej (bez kraterów końcowych ).W przypadku nie spełnienia tego warunku

   l = b - 2s  ,  a pole przekroju poprzecznego spoiny czołowej       As = s l   .

Pole przekroju , wskaźniki wytrzymałości i momenty bezwładności pełnych spoin czołowych łączących kształtowniki walcowane przyjmuje się równe wartością tych kształtownikom . Istnieje ograniczenie grubości spoiny o kształcie trójkąta równoramiennego      amax = 0,2 gmin          ,  gdzie gmax   jest grubością cieńszego elementu połączenia . Natomiast minimalna grubość spoiny powinna wynosić

     amin = 0,2 gmax    , gdzie gmax  -     grubość grubszego elementu połączenia  . Przy automatycznym

spawaniu łukiem krytym lub metodami równoważnymi pod względem głębokości wtopu , grubość

spoiny (obliczeniową) aobl przyjmujemy następująco :

                      aobl = 1,3 a                  - dla spoin jednowarstwowych ,

                      aobl =  a + ( 2 mm)       -dla spoin wielowarstwowych .

      Rys. 5  Grubość obliczeniowa spoin czołowych.

.    Wskazówki konstrukcyjne do projektowania połączeń spawanych

   W połączeniach których zadaniem jest przenoszenie obciążeń należy stosować ( w miarę możliwości)spoiny czołowe , a nie pachwinowe . Połączenia czołowe charakteryzuj ą się większą wytrzymałością ,

zwłaszcza w przypadku obciążeń zmiennych . Spoiny jednostronne należy tak usytuować aby grań nie znajdowała się w strefie naprężeń rozciągających .Jeżeli grubość łączonych elementów przekracza 5mm , grubszą blachę należy zukosować ( pochylenie powinno równe co najmniej  1: 1 , dla obciążeń  statycznych i 1:3 dla obciążeń dynamicznych ) .

Rys. 6 Spoina jednostronna w strefie naprężeń rozciągających

a) rozwiązana niewłaściwie,

  b)  rozwiązana poprawnie

Rys. 7 Usytuowanie spoin w elemencie zginanym

a) niewłaściwie  

b)  właściwie

                                          Rys 8.  Łączenie blach o różnej grubości

a) ukosowane jednostronnie

b) ukosowane dwustronnie

                            Rys 9.  Rozmieszczenie  spoin w elementach podlegający obróbce skrawaniem

a) niewłaściwe

b) właściwe

Obliczanie wytrzymałości połączeń spawanych  metodą naprężeń dopuszczalnych

   Możemy spotkać się z dwoma sposobami obliczania naprężeń dopuszczalnych   k’st  dla obciążeń statycznych , według jednego z nich                      k’st = zzokr            gdzie :

                     z - współczynnik jakości spoiny ,

                     zo - współczynnik statycznej wytrzymałości spoiny ,

                     kr - naprężenia dopuszczalne na rozciąganie dla materiału podstawowego połączenia

Współczynnik statycznej wytrzymałości spoiny uzależniony jest od rodzaju spoiny oraz od sposobu

obciążenia i odpowiednio wynosi :

-   dla spoin czołowych rozciąganych, ściskających , zginanych  zo = 1 ;

-   dla spoin czołowych ścinanych    zo =  0,8 ;

-   dla spoin pachwinowych niezależnie od sposobu obciążenia zo = 0,8 ;

Według innego sposobu obliczania naprężeń dopuszczalnych  :    k’ = s kr     ,  gdzie :

-   dla spoin przy ściskaniu osiowym i przy zginaniu  s = 1 ,

-   dla spoin czołowych przy rozciąganiu osiowym i przy zginaniu s = 0,8 ¸ 1,

-   dla spoin czołowych przy ścinaniu s = 0,6 ,

-   dla spoin pachwinowych niezależnie od sposobu obciążenia  s = 0, 65  .

Warunek wytrzymałości ( bezpieczeństwa ) dla połączenia spawanego , obciążonego statycznie :

gdzie  :   s - uogólnione naprężenie obliczeniowe

              Fst - uogólnione stałe  obciążenie obliczeniowe

              As - uogólniony wskaźnik wytrzymałości przekroju

                      spoiny  

W przypadku obciążeń zmiennych naprężenia dopuszczalne wyznaczamy na podstawie zależności :

        k’zm = z za kzm       ,  gdzie    z - współczynnik jakości spoin

                                                   za -współczynnik zmęczeniowej wytrzymałości spoiny

                                                   kzm - naprężenia dopuszczalne materiału przy obciążeniu zmiennym       

Sposób oddziaływania obciążeń zmiennych uwzględnia się poprzez współczynnik dynamiczny  j ,

warunek wytrzymałości zapisujemy w postaci   :             

                  Współczynniki dynamiczne  j