Сварные соединения

При сборке изделий используют различные сварные швы. В зависимости от конструктивного исполнения их называют стыковыми и обозначают С1….С39, угловыми с обозначением У1…У9, тавровыми (Т1…Т9), нахлесточными (Н1,Н2).

Расчет на прочность.

Стыковые соединения (рис.4.14) являются наиболее простыми и надежными. В зависимости от толщины соединяемых элементов соединение выполняют с обработкой или без обработки кромок, с подваркой и без подварки с другой стороны.

Рис.4.14 Стыковые сварные швы.

При малых толщинах обработка кромок не обязательна, а при средних и больших - она необходима для обеспечения высокого качества сварного шва.

Стыковые соединения могут разрушаться по шву, месту сплавления металла шва с металлом детали, сечению по основному металлу в зоне термического влияния. Такой зоной называют прилегающий к шву участок детали, в котором из-за нагревания при сварке изменяются механические свойства металла. Понижение механических свойств в зоне термовлияния особенно значительно при сварке термически обработанных (окончательно) и наклепанных сталей. Для таких соединений рекомендуют термообработку и в некоторых случаях наклеп после сварки. Установлено, что при качественном выполнении сварки разрушение стальных деталей происходит преимущественно в зоне термовлияния. Поэтому расчет прочности стыкового соединения принято выполнять по размерам сечения детали в этой зоне. Возможное снижение прочности деталей из-за сварки учитывают при назначении допускаемых напряжений. Например, при расчете полосы, сваренной встык (рис. 4.15)

Рис. 4.15

Сваренная полоса

на растяжение

s= F/f= F/(bd)£ [s‘]; (4-29))

на изгиб

s= M/ W= 6M/(bd²)£ [s‘], (4-30)

где b - ширина и толщинга полосы; [s‘] - допускаемое напряжение для сварных соединений (табл. 4.2).

Отношение [s‘] к допускаемому напряжению при растяжении [s]_р является коэффициентом прочности сварного соединения

j = [s‘]/[s]_р. (4-31)

Значение j колеблется в пределах 0,5...1,00, т.е. стыковое соединение почти равнопрочно с соединяемыми деталями. В тех случаях, когда требуется повысить прочность соединения применяют косые швы.

Расчет косого шва выполняют по формуле (4-29), где [s‘] = [s]_р. Разрыв соединения происходит поперек полосы фактически по основному металлу.

Нахлесточное соединение.

Выполняется с помощью углового шва (рис. 4.16). Различают нормальные, вогнутые, выпуклые угловые швы. Внешние параметры соединения- k - катет; h - высота.

Для нормального шва h= ksin 45°. По условиям технологии k³ 3мм. Обычно катет равен толщине листа, т.е. k= d.

Сварные швы могут быть лобовыми, перпендикулярными действующей силе F, фланговыми - параллельными и косыми- под углом к действующей силе F.

Основными напряжениями фланговых швов (рис. 4.16,г) являются касательные напряжения t в сечении m-m. По длине шва t распределены неравномерно. На концах они больше. Эта особенность объясняется разной податливостью (упругостью) соединяемых деталей и шва.

В практике длина фланговых швов ограничена условием l£ 50k. Расчет таких швов приближенно выполняют по среднему сечению, а условие прочности записывается в форме (двухсторонний шов)

t = F/(2l0,7k)£ [t‘]. (4-32)

Если короткие фланговые швы не обеспечивают равнопрочность соединения, то их добавляют прорезными швами или лобовым швом.

Условие прочности с прорезными швами (рис.4.16,д) записывается в форме

t = F/[2k(0,7l+ l₁)]£ [t‘]. (4-33)

(l₁= (10…25)d)

а)

Рис. 4.16. Нахлесточные соединения:

а) разрез;

б) лобовой шов;

в) косой шов;

г) фланговый шов;

д) прорезной шов.

Если одна из соединяемых деталей асимметрична, то расчет на прочность производят с учетом нагрузки, воспринимаемой каждым швом.

В случае нагружения соединения изгибающим моментом (рис.4.17,а) напряжения рапределяются по длине шва неравномерно, а их векторы направлены различно. Неравномерность эта тем больше, чем больше отношение l/b. В общем случае максимальные напряжения можно определить по формуле

t = M/W_z, (4-34)

где W_z - момент сопротивления сечения швов в плоскости разрушения.

а) б)

Рис. 4.17. Сварные соединения с действующими нагрузками:

а) 2 фланговых шва, нагруженных изгибающим моментом; б) соединение с лобовым и 2-мя фланговыми швами; в) тавровое соединение со стыковым швом и разделкой кромок, нагруженное силой и изгибающим моментом, направленным вдоль соединяемых кромок; г) тавровое соединение с угловым швом без разделки кромок, нагруженное силой и изгибающим моментом, направленным вдоль соединяемых кромок; д) закрепление трубы угловым швом в доске трубной; е) труба, приваренная угловым швом по всему периметру.

Для сравнительно коротких фланговых швов (l< b) рис.4.17,а, полагая напряжения, направленными вдоль швов и равномерно распределенными по их длине, применяют приближенный расчет

t = M/(0,7klb) £ [t‘]. (4-35)

Напряженное состояние лобовых швов неоднородно. При резком изменении сечения напряжения существенно возрастают в месте сварки и при эксцентричном приложении нагрузки. В инженерной практике

принято лобовые нахлесточные швы рассчитывать только по касательным напряжениям, т.е.

t = F/(0,7kl) £ [t‘]. (4-36)

где l - длина шва.

Все угловые швы на прочность рассчитываются по такой же формуле, что и в случае лобового шва.

Если лобовой шов (рис. 4.16,б) нахлесточного соединения нагружен моментом, действующим в плоскости соединяемых на длине b деталей, то

t = 6M/(0,7kb²) £ [t‘]. (4-37)

Для нахлесточного соединения, выполненного в форме лобового и 2-х фланговых швов, нагруженного растягивающей силой F и моментом M, действующими по плоскости полос (рис. 4.17,б), касательные напряжения от момента можно вычислить с помощью выражения

t_М = M/(0,7kl_Ф b+ 0,7kb²/6). (4-38)

Напряжения от силы F определяют по формуле

t_F = F/[0,7k(2l_Ф +b)]. (4-39)

При этом должно выполняться неравенство

t = t_M + t_F £ [t‘].

Рассмотрим тавровое соединение, нагруженное силой F и моментом М, в котором элементы расположены во взаимно- перпендикулярных плоскостях.

Это соединение выполняют стыковым швом с разделкой кромок (4.17,в) или угловыми швами (рис. 4.17,г) без разделки кромок.

Прочность определяют

для стыкового шва

s= 6М/(d l²)+ F/(d l) £ [s‘], (4-40)

для углового шва

t= 6M/(2l²0,7k)+ F/(2l0,7k)£ [t‘]. (4-41)

В теплообменных аппаратах труба обычно приваривается по всему периметру угловым швом к доске трубной (рис.4.17,д). Такой узел крепления должен обеспечивать герметичность и прочность к осевым нагрузкам, т.е. t= F/(pd0,7k)£ [t‘]. В последнее время для обеспечения прочности крепления используется механическое вальцевание (см.4.6).

Труба может привариваться угловым швом по всему периметру торцем к какой-либо стенке (рис. 4.17,е). Прочность крепления трубы нагруженной изгибающим и крутящим моментами, рассчитывают следующим образом.

Напряжения от крутящего момента

t_Т= М_кр/ W_p» 2М_кр/(0,7kpd²). (4-42)

Напряжения в шве от изгибающегомомента

t_М= М/ W» 4М/(0,7kpd²). (4-43)

Суммарное напряжение

t= (t²_М + t²_Т)^1/2£ [t‘]. (4-44)

Стыковая контактная сварка при правильном выполнении обеспечивает равнопрочность соединения. Поэтому можно не выполнять специальных расчетов прочности соединения. Если же из-за разогрева металла снижаются его характеристики, то допускаемые напряжения снижают с учетом уменьшения прочности.

Точечная контактная сварка (рис. 4.18) применяется преимущественно для соединения деталей из тонкого листового материала при отношении толщин £ 3. Диаметр сварной точки выбирают в зависимости от толщины меньшей из свариваемых деталей

d=1,2d+ 4 мм при d£ 3мм

d=1,5d+ 5 мм при d> 3мм.

Минимальный шаг t ограничивается явлением шунтирования тока ранее сваренной точкой. Расстояние от кромок t₁ и t₂ нормируют с учетом технологических и силовых факторов. Обычно принимают

t= 3 d; t₁= 2 d; t₂= 1,5 d.

Соединения точечной сваркой работают примущественно на срез. При расчете полагают, что нагрузка распределяется равномерно по всем точкам

t= 4F/(zipd²)£ [t‘], (4-45)

где z - число сварных точек; i- число плоскостей среза.

Рис. 4.18

Точечная контактная сварка:

а) общий вид; б) i = 1;

в) i =2

При нагружении точечных сварных соединений моментом в плоскости стыка деталей расчетную точку и ее нагрузку определяют так- же, как и для заклепочных соединений или соединений с болтами, поставленными без зазора.

Точечное соединение из-за высокой концентрации напряжений плохо работает при переменных нагрузках. Повышенные напряжения образуются как в сварных точках, так и в самих деталях в зоне шва. Такие соединения чаще работают не как силовые, а связующие.

Шовная сварка рассчитывается на напряжения среза

t= F/(bl)£ [t‘]. (4-46)

Прочность сварного соединения зависит от ряда факторов:

- качества основного металла;

- конструкции соединения;

- способа сварки;

- характера действующих нагрузок;

- дефектов при сварке (подрезы, шлаковые включения, газовые раковины, непровары корня шва...).

На рис. 4.19, 4.20 показаны дефекты при сварке.

Рис. 4.19

Дефекты сварного шва:

1- подрез; 2- шлак; 3- газовая пора;

4- подрез.

Рис. 4.20

Дефекты в сварном соединении теплообменной трубы и доски трубной.

(трещина)

(непровар).

Для переменных нагрузок допускаемые напряжения, взятые из таблицы 4.2, понижают умножением на коэффициент g, определяемый из выражения

g= 1/[(0,6К_эф± 0,2)- (0,6К_эф 0,2)R]£ 1, (4-47)

где R= s_min/s_max или R= t_min/ t_max - коэффициент асимметрии цикла напряжения; К_эф - эффективный коэффициент концентрации напряжений.

Верхние знаки- при растягивающем наибольшем по абсолютному значению напряжении, а нижние- при сжимающем.

Если при вычислении g> 1, то принимают g=1.

Таблица № 4.2

Допускаемые напряжения в сварных швах

Примечание. [s]_р= s_т/ s- допускаемое нгапряжение на растяжение при статических нагрузках. Для металлических конструкций запас прочности s= 1,4...1,6.