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,
lr - 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, zo, za) 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: Wx - 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).
plejusiek