Spawanie i lutowanie bez tajemnic. Grubość spoiny

zobacz artykuł w formie pdf   zobacz pdfa  zobacz pdfa 

Podczas zajęć warsztatowych z uczniami technikum, w którym uczę, oraz z przyszłymi kandydatami do zawodu spawacza lub lutowacza, często padają pytania: „czy są jakieś zasady doboru grubości spoiny lub geometrii i szerokości zakładki w złączu lutowanym?” lub „skąd mamy wiedzieć, czy takie (chodzi o grubość) złącze wystarczy?”. Otóż przy doborze grubości spoiny oraz geometrii złącza lutowanego nie zdajemy się na swoją intuicję i przeczucie, tylko kierujemy się pewnymi prostymi, powszechnie znanymi i stosowanymi w technice spawalniczej metodami wyznaczania grubości spoin – szczególnie pachwinowych oraz geometrii połączeń lutowanych.

Grubość spoiny

Grubość złącza doczołowego i pachwinowego została omówiona we wcześniejszym numerze „Magazynu Instalatora” („Nierozłączna spoina”, „MI” 12/2011 s. 40-41 – przyp. red.). Dla przypomnienia – na rys. 1 przedstawiono złącze doczołowe (rys. 1a) i pachwinowe (rys. 1b) z wyznaczonymi grubościami spoin.

Spoina pachwinowa
W przypadku spoiny pachwinowej przyjmuje się następującą zasadę: dolna granica grubości spoiny pachwinowej powinna być nie mniejsza od 0,2 grubości grubszego z łączonych elementów, ale minimalnie powinna wynosić 2,5 mm, a maksymalnie 10 mm; natomiast górna granica grubości spoiny pachwinowej powinna być nie większa od 0,7 grubości cieńszego z łączonych elementów, ale maksymalnie 16 mm.

Tendencje większości z nas do robienia czegoś na tzw. zapas sprawia, że przeważnie przyjmujemy do obliczeń, że grubość spoiny pachwinowej powinna wynosić 0,7 grubości cieńszego elementu, a więc górną granicę grubości spoiny pachwinowej. Należy tutaj zwrócić uwagę, że takie podejście nie jest błędne, ale w wielu wypadkach gruba spoina pachwinowa będzie wymagała więcej czasu na jej wykonanie oraz będzie powodowała znaczne odkształcenia kątowe złączy.

Grubość spoiny

Pozostaje jeszcze kwestia, jak zmierzyć grubość spoiny pachwinowej. Oczywiście najkorzystniejszym do tego celu przyrządem są różnego rodzaju spoinomierze.
Kiedy jednak nie posiadamy spoinomierza, wycinamy z kawałka blachy kwadrat i ścinamy naroża tego kwadratu w taki sposób, aby odcięte naroże stanowiło trójkąt równoramienny o wysokości odpowiadającej grubości spoiny. Kwadrat ze ściętymi narożami będzie pełnił funkcję spoinomierza zwornikowego.

Korozja w pachwinie
Często można spotkać konstrukcje, w których spoinę pachwinową wykonano jako przerywaną (ciąg wielu krótkich spoin pachwinowych rozmieszczonych w równych odstępach od siebie). Musimy pamiętać, że takie rozwiązanie zaoszczędzi nam wiele czasu podczas wykonywania spoiny na długim odcinku, ale nie powinno być stosowane w przypadku konstrukcji obciążonych dynamicznie, a przede wszystkim konstrukcji narażonej na działanie czynników atmosferycznych (szczeliny pomiędzy elementami w miejscu przerwy będą doskonałą kapilarą utrzymującą wodę). W ogóle w przypadku konstrukcji stalowych narażonych na działanie czynników atmosferycznych pamiętajmy o tym, że każde miejsce, w którym będzie się utrzymywała woda prędzej czy później stanie się ogniskiem korozji.

Spoina czołowa
Ze spoinami czołowymi sytuacja jest jeszcze prostsza. Tutaj dla potrzeb warsztatowych niewiele obliczamy, a jedynie przyjmujemy, że grubość spoiny czołowej jest równa grubości łączonych elementów jak na rys. 1a. W przypadku gdy łączymy elementy o różnych grubościach, za grubość spoiny uznajemy grubość cieńszego z łączonych elementów. Nasuwają się od razu pytania: jaka będzie wytrzymałość takiej spoiny i czy będzie się równała wytrzymałości materiału podstawowego? Czy podczas obciążenia takiej spoiny siłami rozciągającymi zniszczenie nastąpi w spoinie czy w materiale podstawowym? Otóż jeśli spoina jest poprawnie wykonana, a spoiwo odpowiednio dobrane, możemy w łatwy sposób uzyskać złącze spawane o wytrzymałości większej od wytrzymałości materiału spawanego. Podstawową zasadą jest dobranie materiału dodatkowego (spoiwa) o wyższej wytrzymałości od wytrzymałości materiału podstawowego. Przykładowo do pospawania stali w gatunku S235J2R, która według normy PN-EN 10025-2 ma wytrzymałość na rozciąganie Rm = 360¸510 MPa (1 MPa = 1 N/mm2), dobieramy spoiwo dające większe wytrzymałości. W przypadku ww. stali będą to np. elektrody otulone w gat. ER 146 (różowa, PN-EN 499 E 380 RC 11), dające wytrzymałość na rozciąganie stopiwa Rm = 480¸570 MPa, a więc znacznie przekraczające wytrzymałość spawanej stali. W przypadku spawania metodą MAG będzie to drut elektrodowy w gatunku SG2 (PN-EN ISO 14341:2011-A-G3Si1). Ostatecznie uznaje się, że poprawnie wykonana spoina powinna mieć wytrzymałość na rozciąganie nie mniejszą od minimalnej normatywnej wytrzymałości materiału podstawowego, czyli w naszym wypadku 360 MPa. Należy zwrócić uwagę jeszcze na pewien fakt. Otóż przyjęto ogólną zasadę, że złącze spawane jest prawidłowo wykonane, jeżeli podczas próby rozciągania zerwanie nastąpiło w materiale podstawowym (spawanym), a nie w spoinie. Otóż pogląd ten nie jest prawdziwy. Normy jakościowe dotyczące badań połączeń spawanych nie klasyfikują poprawności wykonanego złącza w oparciu o miejsce zerwania próbki rozciąganej. Jedyny kryterium jest wytrzymałość samego połączenia spawanego.

Połączenia lutowane
W przypadku połączeń lutowanych sytuacja wygląda nieco inaczej. W jednym z pierwszych artykułów w „Magazynie Instalatora” napisałem, że ze względu na przeważnie mniejsze właściwości wytrzymałościowe lutu w porównaniu z wytrzymałością materiału podstawowego połączenie lutowane powinno być zaprojektowane tak, aby sama lutowina pracowała na ścinanie, czyli prawidłową konstrukcją jest konstrukcja zakładkowa złącza lutowanego. Pytanie, jak duża musi być szerokość zakładki, aby połączenie wykazywało większą wytrzymałość od wytrzymałości materiałów łączonych. Rozpatrzmy zatem poniższy przykład.

Łączymy blachę stalową o wymiarach 100 * 10 * 2 mm i wytrzymałości na rozciąganie Rm = 500 MPa z blachą miedzianą o tych samych wymiarach i wytrzymałości na rozciąganie Rm = 300 MPa. Na podstawie powyższych danych wiemy, że elementem o mniejszej wytrzymałości będzie blacha miedziana i względem niej będziemy prowadzili dalsze obliczenia. Do łączenia tych dwóch elementów użyjemy np. lutu na osnowie cyny o wytrzymałości na ścinanie Rt = 50 MPa. Na rys. 2 przedstawiono schemat złącza zakładkowego elementu miedzianego ze stalowym:

bm * gm* Rm = lz* bz * Rt,

gdzie: bm – szerokość elementu blaszki miedzianej,
gm – grubość blaski miedziane,
Rm – wytrzymałość na rozciąganie miedzi,
lz – długość zakładki,
bz – szerokość zakładki,
Rt – wytrzymałość na ścinanie zastosowanego lutu.

Wzór możemy łatwo przekształcić, tak aby wyznaczyć długość zakładki lz, przy której wytrzymałość złącza będzie większa od wytrzymałości elementu o mniejszej wytrzymałości, czyli w naszym wypadku elementu miedzianego. Wówczas przyjmie on następującą postać:

lz = (bm * gm* Rm)/(bz * Rt).

I tak dla naszego przykładowego połączenia długość zakładki lz, aby uzyskać wytrzymałość złącza większą od wytrzymałości elementu miedzianego musi wynosić:

lz > (10 mm * 2 mm * 300 MPa)/(10 mm * 50 MPa),
lz > 12 mm.

Na podstawie powyższych obliczeń wiemy, że wytrzymałość połączenia będzie większa od wytrzymałości blachy miedzianej przy długości zakładki lz większej niż 12 mm.

Przedstawione metody wyznaczania grubości spoin oraz szerokości zakładek stanowią podstawowe metody określania geometrii złączy, ale na potrzeby warsztatowe i wykonywania podstawowych konstrukcji z użyciem spawalniczych metod łączenia są zupełnie poprawne i wystarczające.

dr inż. Maciej Różański

Rys. 1. Grubość t spoiny czołowej w złączu doczołowym (a) oraz grubość a spoiny pachwinowej w złączu teowym (b).
Rys. 2. Schemat złącza zakładkowego elementu miedzianego ze stalowym.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij