Korpusy maszyn mają za zadanie łączyć w jedną całość wszystkie zespoły składowe maszyny technologicznej. Korpus o największych gabarytach określany jest mianem korpusu głównego i stanowi konstrukcję nośną obrabiarki. Sztywność korpusu maszyny technologicznej w przypadku obróbki metali ma istotny wpływ na dokładność całego procesu. W przypadku, gdy korpus składa się z kilku podzespołów, rozróżnia się sztywność poszczególnych podzespołów oraz sztywność połączeń. Sztywność stykowa połączeń zależy od sprężystych odkształceń mikronierówności i falistości stykających się powierzchni współpracujących przedmiotów. Odkształcenia powierzchniowe w połączeniach prowadnicowych oraz śrubowych znacząco obniżają ich sztywność, a tym samym sztywność całej konstrukcji nośnej maszyny technologicznej. Stosowanie połączeń prowadnicowych jest jednak konieczne ze względu na konieczność zapewnienia przemieszczeń suportów obrabiarki. Natomiast rozłączne połączenia śrubowe można zastąpić nierozłącznymi połączeniami spawanymi.

Korpusy spawane w zestawieniu z odlewanymi z żeliwa cechują się mniejszą masą, znacząco korzystniejszymi właściwościami wytrzymałościowymi, lepszą sztywnością, a przeprowadzenie modyfikacji wymaga mniejszych nakładów finansowych i jest technologicznie łatwiejsze. Ich wadą jest niewielka zdolność do tłumienia drgań i rozpraszania energii. Proces spajania przez spawanie wprowadza w konstrukcję stalową naprężenia termiczne, których relaksacja (stabilizacja stanu naprężenia) wymaga obróbki cieplnej – wyżarzania.

Z kolei w przypadku stalowych konstrukcji nośnych wyróżnia się dwa etapy ich powstawania. Pierwszy realizowany jest w wytwórniach tego typu konstrukcji, w których elementy składowe montuje się w podzespoły montażowe (wysyłkowo-montażowe). Takie działanie jest konieczne z uwagi na zdolności technologiczne zakładu wytwórczego oraz możliwości logistyczne (transportu na miejsce docelowe). Podstawową techniką spajania na tym etapie jest spawanie. Drugi etap odbywa się w docelowym miejscu tworzenia konstrukcji.

Połączenia spawane
Ostatnie dwudziestolecie rozwoju technologicznego w spawalnictwie doprowadziło do stanu, w którym złącze spawanie powinno mieć wytrzymałość nie mniejszą niż materiał rodzimy łączonych komponentów. Obecnie takie właśnie założenie funkcjonuje przy projektowaniu połączeń i węzłów spawanych w stalowych konstrukcjach nośnych w ramach wymagań Eurokodu 3. Aby zapewnić spełnienie tego warunku, zaleca się, by dodawane spoiwo cechowało się odpowiednimi właściwościami. Praktykami wpływającymi na poprawę właściwości mechanicznych spoiny (szczególnie wytrzymałości zmęczeniowej) jest obróbka cieplna (normalizacja, wyżarzanie odprężające) oraz mechaniczna (szlifowanie nadlewu spoiny czołowej, właściwe zakończenie spoiny pachwinowej, młotkowanie).

Przykłady połączeń spawanych

W przypadku wielkogabarytowych, budowlanych konstrukcji nośnych (np. mostów, wiaduktów) ich wykonawstwo, w tym złącza spawane, podlegają wymogom norm EN-PN, zgodnie z którymi wyróżnia się trzy klasy jakościowe (dokładnościowe) spoin przetopionych czołowych oraz pachwinowych: B, C i D, przy czym najwyższe wymagania stawia spoinom klasa B. Co istotne, klasy te dotyczą jakości wykonania, nie zaś właściwości użytkowych spoin. W tym zakresie najczęstszym błędem jest niewłaściwe wykonanie samej spoiny. Do typowych wad zalicza się: występowanie pęcherzy powietrznych, nadmierny przetop, brak przetopu oraz zbyt krótką długość spoiny.

W wielu przypadkach złącza scaleniowe komponentów konstrukcji stalowej są różnie zlokalizowane, nierzadko w pozycjach o utrudnionym dostępie. W niektórych przypadkach spawanie styków przeprowadza się na podkładkach ceramicznych drutem proszkowym w osłonie gazów. Stąd też proces technologiczny spajania wymaga właściwego doboru całego szeregu komponentów – od metody, przez urządzenia i spoiwo (elektrody, drut), po parametry procesu. W realizacji każdej konstrukcji z elementów stalowych należy uwzględniać też odkształcenia spawalnicze i naprężenia. Przeprowadzenie obróbki cieplnej relaksującej wprowadzone w węzłach naprężenia termiczne nie zawsze jest możliwe, a w efekcie dochodzi do wypaczenia konstrukcji, co wpływa na właściwości eksploatacyjne.

Połączenia śrubowe
W przypadku łączenia konstrukcji stalowych za pomocą połączeń śrubowych powszechnie stosuje się złącza ze śrubami sprężającymi wykonanymi ze stali o podwyższonej wytrzymałości, które dokręca się kluczem dynamometrycznym w celu zastosowania odpowiedniego momentu. Pozwala to na zapewnienie odpowiedniego wstępnego naciągu łączników. Sprężenie śrub dociska do siebie powierzchnie łączonych komponentów. Dzięki temu w połączeniu zakładkowym siły przenoszone są przez tarcie między powierzchniami elementów.

Do najważniejszych zalet złączy śrubowych sprężonych należą: dobra sztywność, lepsza odporność zmęczeniowa w porównaniu z połączeniami nitowymi i śrubowymi bez sprężenia, minimalizacja relaksacji i pełzania, a także brak poślizgu w złączu.

W złączach bez sprężania zastosowanie śrub wykonanych ze stali o podwyższonych właściwościach wytrzymałościowych umożliwia zredukowanie liczby łączników w węźle, a tym samym zmniejsza pracochłonność realizacji.

Wykonawstwo połączeń śrubowych w przypadku stalowych wielkogabarytowych konstrukcji nośnych wymaga starannego nadzoru. Do najczęstszych błędów zalicza się: niewłaściwy i niekonsekwentny dobór śrub względem założeń projektowych (zmiany średnicy lub klasy śruby, co zmienia nośność połączenia), zamianę śrub sprężających na zwykłe oraz niewłaściwe długości śrub.

Przykładowe połączenie śrubowe bez sprężania

Ciekawym rozwiązaniem są połączenia z zastosowaniem śruby z iniekcją, w których przestrzeń między powierzchnią śruby a ściankami otworów elementów łączonych jest całkowicie wypełniona żywicą. Dzięki temu uzyskuje się wytrzymałościowe właściwości złącza zbliżone do połączenia nitowego. Nie ma przy tym konieczności stosowania połączeń ze śrubami pasowanymi z połączeniem ciernym.

Złącza konstrukcyjne
W przypadku połączeń śrubowych stalowych konstrukcji nośnych otwory wykonywane są w podzespołach montażowych na etapie ich powstawania u wytwórcy. Połączenia takie wymagają też wcześniejszego montażu próbnego, co pozwala docelowo zminimalizować czas montażu konstrukcji finalnej w jej lokalizacji docelowej (liczony w godzinach). Ich wykonywanie może być realizowane z temperaturach ujemnych. Z kolei zastosowanie złączy spawanych nie wymaga przeprowadzania montażu próbnego. Segmenty przęseł mostu czy wiaduktu wykonane są z określonymi naddatkami blach, które na etapie montażu i pasowania segmentów zostają odcięte. Jednak czas konieczny na przeprowadzenie prac spawalniczych liczony jest w dniach i jest istotnie dłuższy od wykonania połączeń śrubowych. Ogólne zestawienie harmonogramu prac w ujęciu całości projektu może jednak nie wykazać skrócenia czasu wykonania docelowej konstrukcji. Wpływa na to konieczność wykonania otworów (nawet wielu tysięcy) dla złączy śrubowych oraz przeprowadzenia montażu próbnego u wytwórcy podzespołów montażowych. Co więcej, przeprowadzenie montażu i demontażu próbnego w przypadku wielkogabarytowych konstrukcji w zakresie logistycznym może stanowić istotną pozycję kosztową.

Zmiana połączeń śrubowych na spawane czy odwrotnie wymaga modyfikacji projektu na poziomie konstrukcyjno- technologicznym. Przeprojektowanie węzłów połączeń wiąże się z koniecznością ponownego przeanalizowania całej konstrukcji, co w konsekwencji może wpłynąć na koszty, harmonogram realizacji, a także doprowadzić do znaczącej modyfikacji samego projektu.

Wybór rodzajów złączy i technik ich wykonania jest zagadnieniem wieloczynnikowym, wymagającym analizy konstrukcji, jej zastosowania i warunków pracy. Wykonanie połączeń śrubowych jest teoretycznie mniej czasochłonne, lecz złącza spawane zapewniają lepszą sztywność. Każdy wybór musi ostatecznie doprowadzić do spełnienia założeń i wymogów projektowych, a także być uzasadniony ekonomicznie.

MM KOMENTARZ
Arkadiusz Orzech, key account manager w firmie Bollhoff Technika Łączenia
Połączenia śrubowe to rozwiązania proste, szybkie i niewymagające kosztownych urządzeń do montażu. Mnogość rozwiązań technicznych, użytych materiałów i powłok ochronnych oraz dostępność elementów złącznych z pewnością wpływa na opłacalność i skłania do wyboru połączeń gwintowych. Kontrola jakości powinna dotyczyć zarówno samych elementów złącznych użytych do wytworzenia połączenia gwintowego, jak i łączonych materiałów. Mowa tu o pomiarach kontrolnych geometrii elementów składowych, ich twardości oraz zastosowanych materiałów i powłok ochronnych, które mają olbrzymi wpływ na własności mechaniczne złożenia. O jakości połączeń śrubowych decydują trzy główne parametry: moment tarcia pod łbem śruby, moment skręcający w rdzeniu śruby oraz siła osiowa w śrubie. O ile kontrola momentu tarcia pod łbem nie jest powszechnie stosowaną metodą, o tyle kontrola pozostałych dwóch parametrów jest popularna i wystarczająca do określenia jakości połączenia gwintowego.