آموزش جوشکاری یکی از فرآیندهای اتصال و ساخت عمده ای بوده است که برای استفاده از روش های ریخته گری یا آهنگری یا اتصال پیچ و مهره ای یا اتصال دائم قطعات مواد به یکدیگر چالش برانگیز است. ماشین حساب دایره پیچ ما و ماشین حساب گشتاور پیچ ما اطلاعات بیشتری در مورد اتصالات پیچ می دهد.
به غیر از جوشکاری، بسته به نیاز می توان از پیچ و مهره، پرچ، بست، لحیم کاری و بسیاری دیگر استفاده کرد. اتصالات بر اساس بار مکانیکی یا حرارتی که یک جسم باید تحت شرایط عملیاتی تحمل کند انتخاب می شوند.
بسیار مهم است که بدانید اتصال جوش داده شده شما چقدر قوی است. باید بدانید اتصال جوشی شما چقدر خوب است. در غیر این صورت ممکن است جوشکاری از کار بیفتد و شما دچار مشکل بزرگی شوید. برای اطمینان از اینکه آیا اتصال جوش قادر به مقاومت کافی برای تحمل بار اعمال شده شما است یا خیر، باید استحکام اتصال جوش را محاسبه کنید. اجازه دهید این کار را با شناسایی نوع جوشکاری که انجام داده‌اید و نوع بار آن انجام دهیم.
در این مطلب در مورد انواع جوش صحبت خواهیم کرد و همچنین نحوه محاسبه استحکام اتصال جوش را برای انوع مختلف اتصالات جوشی توضیح خواهیم داد. اینها عبارتند از اتصالات جوش داده شده با فیله عرضی، اتصالات جوشی فیله موازی، ترکیب اتصالات جوشی عرضی و موازی، جوش فیله دایره ای در معرض پیچ خوردگی، جوش فیله دایره ای تحت تأثیر ممان خمشی، جوش فیله طولانی تحت پیچش و اتصال یک و دو لبه
انواع اتصالات جوشی
اتصالات جوشی اتصالات بین دو یا چند قطعه فلز (یا پلاستیک) هستند که در طی فرآیند جوشکاری ایجاد می شوند. طراحی اتصال جوش مکمل ساختار جوش، تکنیک جوشکاری و مواد است. اجرای اتصالات جوش خاص برای یک پروژه بسیار مهم است زیرا یکی از عوامل اصلی تعیین کننده استحکام و کیفیت محصول نهایی است. انواع مختلف اتصالات جوشکاری هر کدام ویژگی های منحصر به فرد خود را دارند و برای کاربردهای مختلف مناسب هستند.
نیرو، بار، ضخامت، مقاومت و زیبایی برخی از عوامل موثر در تعیین اتصالات جوشکاری مناسب برای یک پروژه هستند. این اتصالات همچنین ممکن است تحت تأثیر نوع فرآیند جوشکاری قرار گیرند زیرا برخی از فرآیندها برای جوشکاری در موقعیت های خاص مناسب تر هستند.
جوشکاری فرآیند اتصال دو قطعه مواد با استفاده از گرما و مواد پرکننده است. استفاده از مواد پرکننده در برخی از انواع فرآیندهای جوشکاری استفاده نمی شود. برخی از انواع جوش عبارتند از:
- جوش قوس الکتریکی
- جوشکاری فورج
- جوشکاری با گاز بی اثر
- جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
- جوشکاری پرتو الکترونی
- جوش لیزری
- جوش نقطه ای / درز
رایج ترین ویژگی در بین انواع فوق استفاده از گرما برای ذوب دائمی مواد است. منبع انرژی گرما اغلب عامل مهمی در طبقه بندی فرآیندهای جوشکاری مدرن است. این قطعات مواد با آرایش های مختلفی به هم متصل می شوند. 5 اتصال اصلی جوش بر اساس پیکربندی عبارتند از:
- مفصل دامان
- مفصل باسن
- مفصلT
- مفصل گوشه ای
- اتصال لب به لب
اتصالات جوش پایه برای ساخت قاب ها و سازه های باربر استفاده می شود. بر اساس تراز قطعات، اتصال یا جوش فیله، جوش لب به لب یا جوش پلاگین است. هنگامی که قطعات به صورت عمود بر هم تراز شوند، اتصال به عنوان جوش فیله شناخته می شود، در حالی که زمانی که قطعات از انتها به انتها گذاشته می شوند، یک جوش لب به لب برای اتصال آنها به یکدیگر انجام می شود. این ماشین حساب مفاصل پا و باسن را پوشش می دهد.
اتصالات لب به لب یکی از رایج ترین انواع اتصالات جوشی است و اغلب در بخش لوله کشی آموزش پایپینگ ، ساخت و ساز و ساخت استفاده می شود. قطعات مسطح فلز به موازات لبه های آنها در هم قرار می گیرند یا در زاویه 135 تا 180 درجه از یکدیگر قرار می گیرند. اتصالات لب به درستی شکل گرفته در جایی که فلز جوش با همجوشی کامل ریشه به طور کامل در اتصال نفوذ می کند، به استحکام مکانیکی خوبی دست می یابد، در حالی که تکنیک های ضعیف جوش می تواند منجر به شکست در اثر نفوذ ناقص، سوختگی، ترک خوردن یا اعوجاج شود.
جوشکاری اتصال لب به لب نیاز به آماده سازی لبه کمی دارد. کاربردهایی که نیاز به آماده سازی لبه اتصالات لبه دارند معمولاً بسته به محدوده پروژه به زوایای اریب خاصی نیاز دارند. طراحی یک اتصال جوش لب به لب تا حد زیادی به ضخامت مواد، مواد پشتی، آماده سازی لبه و تناسب کلی بستگی دارد.
برای مواد ضخیم تر، یک اتصال لب به لب مربعی ممکن است دیگر نتواند این کار را انجام دهد و استفاده از نوعی شیار برای اطمینان از یک جوش سالم با نفوذ مناسب اجتناب ناپذیر می شود.
اتصالات لب به لب را می توان به جوش های شیاری زیر تقسیم کرد:
- شیار مربع
- جوش شیار مخروطی تک یا دوتایی
- جوش یک یا دو شیار J
- جوش U شیار تک یا دوتایی
- مفصل سه راهی
اتصالات سه راهی با جوش دادن دو قطعه فلزی عمود بر هم انجام می شود که یک شکل T شکل می گیرد که تقریباً در 90 درجه متقاطع می شود. اتصال سه راهی نوعی جوش فیله ای در نظر گرفته می شود و همچنین هنگام جوشکاری لوله بر روی صفحه پایه تشکیل می شود.
این بیشتر در فولاد سازه ای، ساخت تجهیزات و لوله ها استفاده می شود زیرا نیاز به آماده سازی کمی دارد و در عین حال به استحکام مکانیکی مطلوب دست می یابد. جوش های فیله تقریباً 70 درصد از اتصالات ایجاد شده توسط روش های مختلف جوشکاری قوس الکتریکی مانند MIG، TIG و جوشکاری چوبی را تشکیل می دهند.
اتصالات سه راهی ممکن است در یک طرف که بار اعمال می شود یا در هر دو انتها برای دستیابی به حداکثر استحکام جوش داده شوند. طراحی اتصالات سه راهی آنها را مستعد پارگی لایه ای می کند زیرا بین دو قطعه کار محدود می شود.
طراحی اتصال سه راهی بسته به ضخامت مواد، آماده سازی لبه و زاویه کار متفاوت است. زوایای کار مشکل برخی از انواع روش های جوشکاری را نیز حذف می کند.
اتصالات سه راهی را می توان به انواع زیر تقسیم کرد:
- جوش شیار اریب
- جوش فیله
- جوش شعله ور – مخروطی – شیار
- جوش شیار J
- جوش از طریق ذوب
- دوشاخه جوش
- جوش شیار
- لپ مفصل
لپ مفصل یک اتصال لب به لب اصلاح شده است که بیشتر برای مواد با ضخامت های متفاوت مناسب است. این از روی هم قرار گرفتن فلزات و تشکیل زاویه 0-5 درجه تشکیل می شود. اتصالات لبه در صنعت تعمیر و ورق فلز رایج است که در آن از فلزات نازک استفاده می شود.
جوشکاری اتصالات با استفاده از این روش، با توجه به اینکه به درستی و بدون شکاف بین فلزات روی هم قرار می‌گیرند، تقویت بیشتری به جوش می‌افزاید. خوردگی و پارگی لایه از دلایل اصلی شکست در هنگام استفاده از این مفصل است.
سبک های جوشکاری برای اتصالات لبه وجود دارد:
- جوش شیار اریب
- جوش شعله ور – مخروطی – شیار
- جوش شیار J
- جوش شیار
- جوش نقطه ای
- مفصل گوشه
اتصالات گوشه ای شبیه به اتصالات سه راهی هستند، با دو میله فلزی که در گوشه با یکدیگر 90 درجه تناسب دارند و شکل L را تشکیل می دهند. برای جوشکاری ورق فلزی و ساخت قاب ها و میزهای مختلف رایج است.
هنگام جوشکاری گوشه ای یک اتصال دو رویکرد وجود دارد، یک گوشه باز یا بسته تشکیل می شود. اتصالات گوشه باز یک V شکل بین دو فلز تشکیل می دهند که دو لبه فلزی یکدیگر را لمس می کنند. اتصالات گوشه بسته با تماس یک لبه فلز با سطح فلز دیگر ایجاد می شود. در حالی که یک اتصال گوشه بسته پیچیده تر از اتصال گوشه باز است، به طور کلی استحکام مکانیکی کلی بالاتری را ارائه می دهد.
نوع جوش مورد استفاده برای اتصالات گوشه:
- جوش شیار اریب
- جوش گوشه فلنج
- جوش لبه
- جوش فیله
- جوش شعله ور V شیار
- جوش شیار J
- جوش نقطه ای
- جوش شیار مربعی یا جوش لب به لب
- جوش U-Groove
- جوش شیار V
- اتصال لبه
اتصالات لبه شبیه به اتصالات گوشه ای هستند که در آن دو فلز در یک لبه جفت مشترک متقاطع می شوند اما دو فلز در کنار یکدیگر قرار دارند. هر یک از دو قطعه کار بسته به کاربرد ممکن است در یک زاویه خم شوند.
نوع اتصال لبه به نحوه آماده شدن لبه فلزات بستگی دارد. برخی از این آماده‌سازی‌ها شامل برش، آسیاب یا ماشین‌کاری در انواع شیارهای مختلف است که منجر به مقادیر مختلف نفوذ می‌شود. بسته به نیاز پروژه، اتصالات لبه نیز ممکن است فقط روی لبه یا اطراف آن جوش داده شود.
یک اتصال لبه ممکن است با استفاده از این نوع جوش ها ساخته شود:
- جوش شیار اریب
- جوش گوشه فلنج
- جوش لبه فلنج
- جوش شیار J
- جوش شیار مربعی یا جوش لب به لب
- جوش U-Groove
- جوش شیار V
اهمیت استفاده از نوع مناسب مفصل
درک طراحی اتصال جوش، آن را به ابزاری ضروری برای تعیین موفقیت هر پروژه جوشکاری تبدیل می کند. انتخاب اتصال جوش مناسب همراه با تجهیزات آموزشگاه فنی و انتخاب روش و تکنیک جوشکاری کلید دستیابی به قوی ترین و بادوام ترین اتصالات است.
شناسایی و پیش‌بینی نیروهای وارد شده به قطعه کار بسیار مهم است، زیرا مطمئناً یکی از عوامل تعیین‌کننده موثر بودن طرح خواهد بود. ادغام این در طراحی اتصال از شکست ساختاری در خط جلوگیری می کند و به دستیابی به یکپارچگی و کیفیت جوش کمک می کند.
نحوه محاسبه مقاومت اتصالات جوشکاری
اتصال مفصلی
هنگامی که دو صفحه نیاز به جوش دارند، می توان یک اتصال لبه ایجاد کرد، سپس آنها با همپوشانی یکی روی دیگری جوش داده می شوند. جوشکاری در لبه های دو صفحه انجام می شود. حال اگر جوش بر روی یک لبه انجام شود به آن فیله عرضی منفرد می گویند، به همین ترتیب جوش بر روی دو لبه انتهایی انجام می شود سپس به آن فیله عرضی دوبل می گویند، اگر دو جوش در یک طرف با یک رب انجام شود. سپس به آن اتصالات فیله موازی می گویند.
لب به لب
اتصال لب به لب را می توان با قرار دادن لبه دو صفحه به لبه مطابق شکل بالا ایجاد کرد. برای صفحات با ضخامت 5 میلی متر یا کمتر، ما نیازی به تراش نداریم. اگر ضخامت بیشتر از 5 میلی‌متر و کمتر از 12.5 میلی‌متر باشد، باید لبه‌ها از دو طرف به سمت شیار V یا U شیار شوند تا مواد پرکننده اضافه شود. بر اساس این انحنای شکل روی لبه های صفحه، اتصالات لب به لب را می توان به روش های مختلف همانطور که در نمایش های بالا نشان داده شده است ایجاد کرد. آنها عبارتند از: مفصل باسن مربعی، مفصل لب به لب تکی، مفصل لب به لب دوبل، مفصل لب به لب منفرد و مفصل لب به لب دوبل.
عواملی که باید در انواع اتصالات جوشکاری برای کاربردهای خود در نظر بگیریم
- شکل جزء جوش داده شده مورد نیاز است
- ضخامت صفحاتی که باید جوش داده شوند
- جهت نیروهای اعمالی
اینها ملاحظات اصلی در انتخاب انواع جوش هستند. ما همچنین انواع مختلف فرآیندهای جوشکاری مانند جوشکاری TIG، جوشکاری MIG، جوشکاری قوس الکتریکی و جوشکاری گازی را مورد بحث قرار دادیم. قبل از انتخاب نوع اتصال جوشکاری نیز لازم بود روش جوشکاری انتخاب شود.
محاسبه مقاومت اتصالات جوشکاری
در ادامه استحکام جوشکاری انواع اتصالات جوشکاری را محاسبه کنیم.
1. استحکام اتصالات جوشی فیله عرضی
اتصالات عرضی فیله از روی هم قرار گرفتن دو صفحه بر روی یکدیگر و جوش دادن لبه های صفحات به دست می آید. این پرکننده های عرضی قادر به تحمل بار کششی بالا هستند.
برای تعیین استحکام مفصل فیله باید فرض کنیم که قسمت فیله یک مثلث قائم الزاویه است. در این مثلث قائم الزاویه ABC با هیپوتنوز AC با دو ضلع دیگر AB و BC زاویه مساوی ایجاد می کند.
طول هر ضلع به عنوان ساق یا اندازه جوش شناخته می شود و فاصله عمودی هیپوتنوز از تقاطع پایه ها (یعنی BD) به عنوان ضخامت گلو شناخته می شود. حداقل مساحت جوش در گلوگاه BD بدست می آید که از حاصل ضرب ضخامت گلوگاه و طول جوش بدست می آید.
ضخامت گلو برابر است با t = s × sin 45 ° = 0.707 s
t = ضخامت گلو (BD)
s = ساق یا اندازه جوش (AB) = ضخامت صفحه (BC)
l = طول جوش
اکنون باید حداکثر مساحت جوش را محاسبه کنیم. ما باید حداقل سطح جوش را در نظر بگیریم زیرا تنش در حداقل منطقه حداکثر است.
حداقل مساحت محل جوش یا گلو، A = ضخامت گلو × طول جوش
A = t × l = 0.707 s × l
اگر σt تنش کششی مجاز برای فلز جوش باشد، در آن صورت استحکام کششی اتصال برای یک جوش فیله تکی را می توان از فرمول تنش محاسبه کرد. (تنش = بار / مساحت)
بار (P) = ناحیه گلو × تنش کششی مجاز
P = 0.707 s × l × σt
این فرمول برای محاسبه استحکام مفصل عرضی تک فیله است.
برای اتصال عرضی فیله دوبل، استحکام کششی را می توان با دو برابر کردن آن محاسبه کرد.
P = 2 × 0.707 s × l × σt
P = 1.414 s × l × σt
با این فرمول می توان استحکام مفصل عرضی فیله دوبل را محاسبه کرد.
نکته بسیار مهم این است که جوش به دلیل سرباره و سوراخ‌های دمنده ضعیف‌تر از صفحه است، بنابراین به جوش تقویت‌کننده‌ای داده می‌شود که ممکن است 10 درصد ضخامت صفحه در نظر گرفته شود. برای جوش های فیله تقویت شده، ابعاد گلوگاه ممکن است 0.85 تن در نظر گرفته شود.
برای شروع و توقف مهره جوش، باید 12.5 میلی متر به طول هر جوش به دست آمده از عبارت فوق اضافه شود.
2. استحکام اتصالات جوشی فیله موازی
استحکام اتصالات جوشی فیله موازی عمدتاً قادر به تحمل بار برشی است. به جای استحکام کششی که در اتصال فیله عرضی در نظر گرفتیم، باید مقاومت برشی ماده پرکننده را برای اتصال فیله ای موازی در نظر بگیریم.
اجازه دهید τ تنش برشی مجاز برای فلز جوش را در نظر بگیریم.
ما قبلاً در محاسبه استحکام اتصال عرضی جوش بالا بحث کردیم که حداقل مساحت جوش یا ناحیه گلوگاه، A = 0.707 s × l است.
مقاومت برشی جوش اتصال فیله موازی تک خواهد بود
P = سطح گلو × تنش برشی مجاز = 0.707 s × l × τ
P = 0.707 s × l × τ
برای اتصال موازی دو فیله، مقاومت برشی را می توان با دو برابر کردن آن محاسبه کرد.
P = 2 × 0.707 × s × l × τ
P = 1.414 s × l × t
3. استحکام ترکیب اتصالات جوشی فیله عرضی و موازی
حال اجازه دهید اتصال جوشی فیله عرضی را با اتصال جوشی فیله موازی ترکیب کنیم.
همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، می توانیم اتصال عرضی تک فیله ای را با یک اتصال جوشی موازی دو فیله ترکیب کنیم. ما قبلاً فرمول های اتصال جوشی عرضی تک فیله و اتصال جوشی موازی فیله دوبل را می دانستیم. ما باید به سادگی آن را جمع کنیم.
4. استحکام جوش فیله دایره ای در معرض پیچ خوردگی
در این حالت قرار است یک میله دایره ای جامد روی صفحه جوش داده شود. سپس جوشکاری در اطراف لبه دایره ای میله مانند شکل زیر انجام می شود. برای این نوع اتصال جوشکاری، باید استحکام اتصال جوش میله جامد در حال پیچش و تولید بار پیچشی را محاسبه کنیم.
این تنش برشی در یک صفحه افقی در امتداد یک پایه جوش فیله رخ می دهد. ماکزیمم برش در گلوگاه جوش که 45 درجه نسبت به صفحه افقی متمایل است، رخ می دهد.
ضخامت گلوگاه t = s sin45° = 0.707 s خواهد بود
5. استحکام جوش فیله دایره ای در معرض لنگر خمشی
مشابه جوشکاری فوق یک میله جامد دایره ای بر روی صفحه، هنگامی که میله تحت لنگر خمشی همانطور که در شکل زیر کاشته شده است، باید مدول مقطع مقطع جوش را به جای گشتاور قطبی اینرسی در نظر بگیریم.
هر پارامتر ثابت می ماند به جز مدول مقطع (Z) به جای گشتاور قطبی اینرسی و ممان خمشی (M) به جای گشتاور.
تنش خمشی σb = M/Z را می دانیم
σb = M/(πtd2 /4)
σb = 4M/πtd2
این تنش خمشی در یک صفحه افقی در امتداد یک پایه جوش فیله رخ می دهد. حداکثر تنش خمشی بر روی گلوی جوش که 45 درجه نسبت به صفحه افقی متمایل است، رخ می دهد.
ضخامت گلوگاه t = s sin45° = 0.707 s خواهد بود
6. استحکام جوش فیله بلند در معرض پیچ خوردگی
یک صفحه عمودی را در نظر بگیرید که توسط دو جوش فیله یکسان به یک صفحه افقی متصل شده است.
برای این نوع اتصال جوش اگر صفحه عمودی در امتداد محور Z در نقطه میانی خود پیچ خورده باشد. سپس باید استحکام اتصال جوش را محاسبه کنیم.
T = گشتاوری که روی صفحه عمودی عمل می کند
l = طول جوش،
s = اندازه (یا پایه) جوش
t = ضخامت گلو
J = ممان اینرسی قطبی بخش جوش (اینجا را بررسی کنید)
همانطور که در بالا ذکر شد شفت در امتداد محور Z پیچ خورده است و این چرخش با تنش برشی متفاوت از صفر در محور Z و حداکثر در انتهای صفحه مقاومت می‌کند.
این تغییر تنش برشی مشابه تغییر تنش معمولی در عمق (l) تیری است که در معرض خمش خالص قرار می‌گیرد.
تنش برشی τ = (T × (l/2))÷(t ×(l3/6))
τ = 3T ÷ t l2
حداکثر تنش برشی که در گلو اتفاق می افتد
7. استحکام جوش مفصل لب به لب
اتصال لب به لب برای کشش و فشرده سازی طراحی شده است.
اجازه دهید همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است یک مفصل V-butt را در نظر بگیرید.
در مورد اتصال لب به لب، طول ساق یا اندازه جوش برابر با ضخامت گلو است که برابر با ضخامت صفحات است.
استحکام کششی مفصل لب به لب (مفصل لب به لب تک V یا مربع)،
P = t × l × σt
جایی که l = طول جوش. به طور کلی با عرض صفحه برابر است.
استحکام کششی برای اتصال لب به لب دو V نشان داده شده است
P = (t1 + t2) l × σt
جایی که t1 = ضخامت گلو در بالا و t2 = ضخامت گلو در پایین است
مشاهده می شود که اندازه جوش باید بیشتر از ضخامت صفحه باشد، اما ممکن است کمتر باشد. جدول مرجع زیر حداقل اندازه توصیه شده جوش برای اتصالات لب به لب را نشان می دهد.
محاسبه مقاومت جوش
اتصالات لپ می تواند تک عرضی باشد، یعنی تک خط جوش، عرضی دوبل، موازی یا ترکیبی از این جوش ها. به همین ترتیب، مفاصل باسن یا یک طرفه هستند یا دو طرفه. استحکام اتصال جوش به تنش کششی یا برشی یا ترکیبی از هر دو بستگی دارد. جهت اتصالات جوش تنش طراحی را تعیین می کند (برای اطلاعات بیشتر به ماشین حساب تنش مراجعه کنید) که بر روی آنها تأثیر می گذارد. اجازه دهید ابتدا جوشکاری لپ تاپ را در نظر بگیریم. اتصال لبه در مورد اتصال قطعات پس از همپوشانی آنها، جوش دادن در امتداد لبه است.
جوش فیله: یک جوش فیله عرضی حداکثر حداکثر تنش کششی مجاز ماده را در نظر می گیرد. شکل زیر شامل قسمت های مختلف یک جوش فیله است. دو قطعه طول l را در نظر بگیرید که توسط یک جوش فیله ای به هم متصل شده اند، استحکام اتصال جوش P به صورت زیر بدست می آید:
استحکام = ناحیه گلو× حداکثر تنش کششی
ناحیه گلو، A، حاصلضرب ضخامت گلوگاه t و طول جوش l است. ضخامت گلوگاه t تابعی از اندازه جوش فیله است که برابر با ضخامت صفحه است. بنابراین، استحکام فرمول جوش برای یک جوش فیله ای به صورت زیر است:
P=2×0.707sσtl
هنگامی که خط جوش موازی با جهت بار باشد، اتصال بر اساس حداکثر تنش برشی مجاز، τ طراحی می شود. استحکام یک اتصال جوش موازی دوبل عبارت است از:
P=2×0.707sτl
با استفاده از ترکیب جوش های عرضی و موازی می توان استحکام یک اتصال U شکل را تخمین زد. به طوری که دو جوش موازی با طول وجود دارد، استحکام مفصل مجموع قدرت سه مفصل است.
P=0.707sσ
l+2×0.707sτl
در اینجا با اضافه کردن 12.5 میلی متر به آن، طول کل اتصال جوش برای درز تنظیم می شود. بنابراین، طول کل مفصل است
اتصال لب به لب برای اتصال به قطعات در یک تراز انتها به انتها انجام می شود. این اتصالات برای بارهای کششی یا فشاری طراحی شده اند. اتصال لب به لب می تواند از یک طرف کاملاً نفوذ کند، یعنی به اندازه ضخامت صفحات یا دو طرفه که هر طرف دارای ضخامت گلو باشد.
منابع:
https://www.omnicalculator.com/construction/welding
https://fractory.com/types-of-welding-joints/
https://extrudesign.com/how-to-calculate-welding-joint-strength/
