Połączenia spawane .

POŁĄCZENIA SPAWANE

Spawanie - jest najbardziej rozpowszechnionym sposobem łączenia metali , polegającym na miejscowym nagrzaniu metalu do stanu topnienia i łączeniu powierzchni w stanie ciekłym . Łączenie może odbywać się doprowadzeniem dodatkowego spoiwa lub bez doprowadzenia dodatkowego spoiwa . Podczas spawania nie wywiera się nacisku na części łączone . Zależnie od sposobu, w jaki odprowadza się ciepło potrzebne do stopienia metalu , rozróżnia się spawanie :

- gazowe ;

- elektryczne ;

- termitowe .

1. Klasyfikacja połączeń spawanych i rodzaje spoin .

              Połączenia spawane można podzielić na trzy podstawowe rodzaje ( kryterium podziału jest kształt ) :

a) doczołowe - elementy łączone zestawione są w jednej płaszczyźnie - spoiny nazywamy czołowymi ;

b) kątowe - elementy łączone zestawione są prostopadle . W szczególności wyróżnić tu można połączenia: teowe , 

   krzyżowe i narożne . Spoiny mogą być pachwinowe, czołowe oraz otworowe .

c) przylgowe - najczęściej stosowane są złącza zakładkowe i nakłądkowe wykonane za pomocą spoin pachwinowych

   lub otworowych oraz właściwe złącza przylgowe ze spoinami brzeżnymi lub grzbietowymi .

              Rodzaje spoin :

a) czołowe - wysoka wytrzymałość na obciążenia stałe i zmienne , łatwe w kontroli metodami nieniszczącymi ;

b) pachwinowe - łatwe w wykonaniu , niższa wytrzymałość szczególnie w przypadku obciążeń zmiennych ,

   utrudniona kontrola ze względu na złożoną geometrię złącza ;

c) otworowe - nie stosowane w przypadku łączenia elementów silnie obciążonych szczególnie zmiennie ,

    trudna kontrola ;

d) brzeżne - powstają w wyniku przetopienia , bez dodatkowego spoiwa , odpowiednio wywiniętych brzegów blach ,

   stosowane przy łączeniu cienkich elementów , nie przenoszą obciążeń ( z wyjątkami ) ;

e) grzbietowe - odmiana niepełnych spoin czołowych , stosowane do łączenia blach w celu zwiększenia ich grubości ,

  nie przenoszą obciążeń i nie podlegają obliczeniom .

              Przy użyciu specjalnych technologii ( laser , wiązka elektronów ) można uzyskać spoiny 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 , podpawania grani itp.) i inne dane ( metoda spawania , sposób kontroli , klasę jakości złącza ) . Wszystkie potrzebne informacje zawarte są w normie PN-89/M-01134 .

Rys. Przykład oznaczenia spoiny .

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 można wyrazić wzorem :

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 mamy do czynienia z naprężeniami wzdłużnymi , jak i poprzecznymi . Osiągają one największą wartość w środkowej części spoiny . obydwa naprężenia mogą być równe granicy plastyczności . W złączach grubych blach naprężenia własne zmieniają się w kierunku grubości . Można ten efekt zaniedbać dopiero w połączeniach o grubości poniżej 20 - 25 mm . Rozkład naprężeń własnych zależy od wielu czynników  ( technologii wytwarzania i przygotowania elementów , sztywności wykonywanej konstrukcji i kolejności spawania ) . Pomiaru naprężeń spawalniczych można dokonać przy pomocy metod tensometrycznych , elastooptycznych czy ultradźwiękowej .

Naprężenia własne usuwa się przeważnie przy pomocy wyżarzania odprężającego.

Elementy spawane stygnąc ulegają skróceniu zarówno wzdłużnemu jak i poprzecznemu . Można tego uniknąć przez stosowanie odpowiednich naddatków przy trasowaniu elementów . W podobny sposób można zapobiec innemu rodzajowi odkształcenia spawalniczego , a mianowicie wygięciu kątowemu . W celu uniknięcia odkształceń należy ponadto zadbać o staranne przygotowanie krawędzi spawanych elementów w celu dokładnego ich dopasowania .

Zmniejszenie wielkości odkształceń osiąga się także przez odpowiednią technologię spawania , przede wszystkim poprzez stosowanie metod spawania o dużej efektywności ( spawanie łukiem krytym, elektronowe , laserowe ) ,

spawanie obustronne z odpowiednią kolejnością układania poszczególnych warstw oraz przez nadawanie odkształceń wstępnych łączonym elementom .

Odkształcone elementy prostuje się mechanicznie lub termicznie .

3. Wytrzymałość połączeń spawanych .

3.1. Wytrzymałość połączeń przy obciążeniach statycznych .

              Poprawnie wykonanie spoiny i właściwy dobór dodatkowych materiałów do spawania zapewnia iż połączenie doczołowe poddane statycznej próbie rozciągania ulega zniszczeniu w materiale rodzimym .

W materiałach zdolnych do uplastycznienia ( a niepoddanych wyżarzaniu odprężającemu ) naprężenia spawalnicze nie zmieniają wytrzymałości złączy . Naprężenia własne mogą powodować niekorzystne skutki w postaci odkształceń konstrukcji spawanej poddanej obróbce mechanicznej .  Usunięcie warstwy zewnętrznej zakłóca równowagę wewnętrzną konstrukcji i prowadzi do jej odkształceń . Aby temu przeciwdziałać należy ją uprzednio wyżarzyć odprężająco .

3.2. Wytrzymałość połączeń przy obciążeniach zmiennych .

              W połączeniach spawanych zmiany przekroju powodują spiętrzenie naprężeń . Koncentracja naprężeń obniża zmęczeniowe własności połączenia . Miarą wpływu spiętrzenia naprężeń na wytrzymałość zmęczeniową jest współczynnik działania karbu :

gdzie - Zgł i Zk oznaczają odpowiednio wytrzymałość zmęczeniową próbki gładkiej i próbki z karbem .

Wpływ geometrii karbu ujmuje współczynnik kształtu ak .

Przy obciążeniach osiowych  współczynnik ak może zmieniać się od 1,2 do 3 . Różnica grubości blach wywołuje mimośrodowanie obciążeń złącza , a w konsekwencji dodatkowe naprężenia zginające . Wówczas :

gdzie - e - mimośród działania sił , gmin - grubość cieńszej blachy .

Dla złagodzenia spiętrzeń naprężeń stosuje się odpowiednią obróbkę mechaniczną . Jak wiadomo koncentracja naprężeń może być wywołana także obecnością wad spawalniczych . Działanie karbu wywołana kształtem połączenia lub wadami spawalniczymi może być częściowo złagodzone przez odpowiednią obróbkę mechaniczną .

Pogorszenie wytrzymałości zmęczeniowej może być spowodowane także chropowatością powierzchni powstałą na w skutek  zgorzeliny walcowniczej . Do wpływu zgorzeliny dodawać się mogą skutki cięcia gazowego .

Wady wpływają w znacznie większy sposób na wytrzymałość zmęczeniową niż na wytrzymałość statyczną . 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 .

Wytrzymałość zmęczeniową połączeń spawanych można podwyższyć między innymi poprzez przeciążenia wstępne , młotkowanie lub śrutowanie , lokalne nagrzewanie palnikiem gazowym . Poprawia to wytrzymałość w zakresie od kilku do kilkudziesięciu procent .

4. Projektowanie połączeń spawanych

4.1. Wymiary obliczeniowe spoin .

              Grubość obliczeniową spoiny przyjmuje się równą  s = gmin . W złączach kątowych lub teowych s = .

Długość obliczeniowa spoiny l = b - 2 s ( b - szerokość spoiny ) .

Pole przekroju poprzecznego spoiny czołowej As = s l .

Grubość obliczeniowa a = 0.7 z .

Maksymalna grubość spoiny amax = 0.7 gmin .

Minimalna grubość spoiny amin = 0.2 gmax .

Przy automatycznym spawaniu łukiem krytym grubość obliczeniową przyjmujemy następująco :

              aobl = 1.3 a               - dla spoin jednowarstwowych ;

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

Obliczeniowa długość l spoin pachwinowych  l = b - 2 s .

4.2. Wskazówki konstrukcyjne do projektowania połączeń spawanych .

a) w połączeniach przenoszących obciążenia należy stosować spoiny czołowe ;

b) nie należy stosować spoin grubszych niż wynika to z obliczeń wytrzymałościowych ;

c) liczba spoin powinna być jak najmniejsza ;

d) konstrukcja połączeń powinna być jak najprostsza ;

e) należy unikać nadmiernego skupienia spoin ;

f) w celu zapewnienia szczelności należy stosować spoiny ciągłe rozmieszczone od strony wewnętrznej ;

g) nie należy stosować spoin otworowych w złączach przenoszących obciążenia dynamiczne ;

h) spoiny należy rozmieszczać tak , aby ich środek ciężkości pokrywały się ze środkiem ciężkości przekroju łączonych

   elementów ;

i) jeżeli grubości łączonych elementów różnią się więcej niż o 5 mm , grubszą blachę należy jednostronnie zukosować ;

j) spoiny można obrabiać dopiero po wcześniejszym przeprowadzeniu wyżarzania odprężającego ;

k) należy unikać połączeń kątowych , teowych i krzyżowych grubych blach ;

l) należy zwrócić uwagę na możliwość zastosowania założonej metody spawania

5. Obliczanie wytrzymałości połączeń spawanych metodą naprężeń dopuszczalnych .

              W obliczeniach połączeń spawanych konstrukcji maszynowych stosowana jest szeroko metoda naprężeń dopuszczalnych .

W literaturze można spotkać dwa sposoby obliczania naprężeń dopuszczalnych k’st dla spoin przy obciążeniach statycznych .

Według jednego z nich :

k’st = z z0kr

z - współczynnik jakości spoiny

z0 - współczynnik statycznej wytrzymałości spoiny

kr - naprężenia dopuszczalne na rozciąganie dla materiału podstawowego połączenia .

z = 0.8 - 1 ( 0.5 - gdy nie ma możliwości zagwarantowania wysokiej jakości spoiny )

- dla spoin czołowych rozciąganych , ściskanych , zginanych z0 = 1

- dla spoin czołowych ściskanych z0 = 0.8

- dla spoin pachwinowych niezależnie od sposobu obciążenia z0 = 0.8

Naprężenia dopuszczalne kr = Re /xe  ( xe - współczynnik bezpieczeństwa 1.5 - 1.7 )

Według innego sposobu

k’st = s kr

Przy czym  w przypadku stali ( aluminium ) :

- dla spoin czołowych przy ściskaniu osiowym i przy zginaniu s = 1 ( s = 1 )

- dla spoin pachwinowych niezależnie od sposobu ściskania s = 0.8 - 1 ( s = 0.7 - 0.9 ) , w przypadku kontroli spoin

  metodą radiograficzną lub ultradźwiękową s = 1 ( s = 0.9 ) ;

- dla spoin czołowych przy ściskaniu  s = 0.6 ( s = 0.6 ) ;

- dla spoin pachwinowych niezależnie od sposobu obciążenia s = 0.65 ( s = 0.6 ) .

Warunek wytrzymałości dla połączenia spawanego obciążonego statycznie wyraża się wzorem :

s = Fst/As£k’st

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

k’zm = z za kzm

w którym  z - współczynnik jakości spoiny jak we wzorze , za - współczynnik zmęczeniowej wytrzymałości spoiny ,

kzm - naprężenia dopuszczalne dla materiału podstawowego przy danym obciążeniu zmiennym .

Naprężenie dopuszczalne kzm przy obciążeniach zmiennych oblicza się na podstawie wytrzymałości zmęczeniowej Z , przyjmując współczynnik bezpieczeństwa xz - 1.5 - 3 ( średnio 2 ) :

kzm = Z / xz

Warunek wytrzymałości zapisać można następująco :

Współczynniki dynamiczne :

6. Literatura .

6.1. M.Porębska A.Skorupa „Połączenia spójnościowe”  PWN  Warszawa 1993

6.2 S.Orzełowski „Technologia”   WSiP  Warszawa 1984

2