Прочность и пластичность угловых швов

Угловые швы работают в крайне разнообразных условиях дей­ствия нагрузок. В тавровых соединениях они могут выполняться как с полным, так и с неполным проваром. В нахлесточных соеди­нениях угловые швы в зависимости от направления сил работают либо как лобовые, либо как фланговые, а в некоторых случаях вос­принимают комбинированные нагрузки.

Распределение напряжений в угловых швах крайне неравно­мерно, непровары при ограниченной пластичности металла шва могут существенно влиять на их прочность. У соединений пластич­ных металлов разрушению предшествует существенная пластическая деформация, что позволяет оперировать средними по сечению напря­жениями и влияние концентраторов напряжений во внимание не принимать.

Рассмотрим вначале прочность и пластичность угловых швов, выполненных из пластичных металлов, по свойствам близким основному металлу. Как показывают экспериментальные данные, в этом случае наибольшие пластические деформации при нагрузке и последующее начальное разрушение возникают вблизи такого се­чения On (рис. 3.22), в котором интенсивность напряжений σi. вы­численная по средним напряжениям, является максимальной. Угол, образованный этой плоскостью с осью Оу, обозначим φ. Для опре­деления положения этой плоскости вычислим напряжения σi. Сила Р в общем случае может быть направлена произвольно. Раз­ложим силу Р на две составляющие: Р_х, направленную вдоль угло­вого шва, и Рα, расположенную в плоскости yz. Сила Р_х вызывает касательные напряжения τ _х вдоль шва. Определим длину отрез­ка ОА при равных катетах К шва:

(3.18)

О А = K/√2 cos (φ - 45^е)]. Касательные напряжения в плоскости On

τ _х = √ 2 Р_х cos (φ - 45^е)/(Kl) (3.19)

где l— длина шва.

Наибольшие касательные напряжения τ _х будут в сечении с φ = 45°; они составят

τ _х mах = √2P х/(К1). (3.20)

Определим средние напряжения в шве от силы Р α. В сечении On, расположенном под углом φ, будут воз­никать как нормальные а_а, так и касательные г_а напряжения.

Рис. 3.22. Разложение силы Р на составляющие Р_х и Р_а для
определения положения плоскости On с максимальной ин-
тенсивностью напряжений σi

Проекция силы Р α на ось On будет уравновешена касательными напряжениями т_а, а проекция силы Р α на перпендикулярную к On ось будет уравновешена нормальными напряжениями σα. Проекция силы Р α на ось On, обозначенная Р_т, равна

Р τ = Р α cos (180° - α - φ) = -- Р_а cos (α + φ). Касательные напряжения

τα== - √2 Р α cos (α + φ) cos (φ - 45°)/(Kl).

Именно в этом сечении начнутся и будут интенсивно развиваться пластические деформации по мере роста нагрузки. В соседних

участках также будет развиваться пластическая де-

формация по мере упроч­нения металла в наиболее нагруженном сечении. На рис. 3.23 показаны линии одинаковых интенсивностей пластических дефор­маций εi_пл, полученные

Рис. 3.23. Линии одинаковых интенсивкостей пластических деформаций е₍- в углоиом тав­ровом шве

расчетом по теории тече­ния. Видно, что они сгу­щаются вблизи максималь­но нагруженного сечения Он. Если металл находит­ся в вязком состоянии, то последующее разрушение происходит в основном по этой же плоскости On. По мере снижения вязкости металла характерно откло­нение плоскости последу­ющего разрушения в сто­рону, обеспечивающую преобладание нормального отрыва, т. е. к линии Ok, несмотря на то что эта плоскость менее нагружена.

Прочность угловых швов зависит от свойств металла и направ­ления нагрузки Р (см. рис. 3.22). Прочность шва увеличивается по мере перехода от схемы нагружения шва на срез к схеме нагру жения на отрыв. Наименьшую прочность угловые швы имеют когда сила Р направлена вдоль шва (угол γ = 0). Наибольшая проч­ность будет при v = 90°, а = 45°; наименьшее сечение при этом

Рис. 3.24. Результаты испытаний сварных соединений с угловыми швами в за­висимости от направления нагрузки, определяемого углами а и у:

а — испытания на прочность; б — испытания на пластичность

работает на разрыв. Следует отметить, что в этом случае попереч­ного утонения швов, как при растяжении гладких образцов, не наблюдается. На рис. 3.24 показаны результаты испытаний угловых швов на прочность и на пластичность, когда углы а и у направления нагрузки изменялись от 0 до 90°. Коэффициент увеличения проч­ности С=P разр/Pразр.фл выражает отношение прочности угловогошва при произвольном направлении нагрузки к прочности фланго­вого шва. Пластичность металла шва оценивали как ε_пл = Δ_пл/BK, где Δ_пл — пластическое перемещение в угловом шве, предшеству­ющее его разрушению; BK—наименьшее сечение шва. Значение Д_пл определялось измерением перемещения одной детали образца относительно другой в направлении приложения силы Р. Сварные соединения выполнялись на СтЗпс проволокой Св-08 под флюсом АН-348А «в лодочку» и имели швы с катетом К = б мм.

При v = 90° и а = 0 шов работает как лобовой и в 1,5 раза прочнее, чем фланговый. При у = 90° и а = 90° шов работает как тавровый и имеет прочность в 1,19 раза большую, чем фланговый. Меньшую прочность таврового углового шва по сравнению с лобо­вым можно объяснить неблагоприятным расположением плоскости концентратора, нормально ориентированной по отношению к на­грузке. Наибольшая плас­тичность (рис. 3.24, б) у фланговых швов, наимень­шая — в тавровом соеди­нении. Лобовой шов зани­мает промежуточное поло­жение.

Рис. 3.25. Разрушение сварных соединений с угловыми швами, прочность металла кото­рых существенно выше прочности основного металла, в зависимости от направления при­ложения нагрузки Р

На прочность угловых швов влияют размер ка­тета шва, коэффициент концентрации напряже­ний, вызванный не проваром, различие механиче­ских свойств металла шва

и основного металла.

Когда шов находится в пластичном состоянии, концентрация напря­жений в меньшей мере влияет на прочность. Поэтому увеличение катета шва, хотя и сопровождается ростом коэффициента концент­рации напряжений, тем не менее приводит к пропорциональному росту прочности. Повышение прочности может быть достигнуто увеличением глубины провара, что равносильно увеличению ка­тета шва. Прочность соединений повышают применением более проч­ных присадочных металлов. Когда металл шва существенно проч­нее основного металла, разрушение происходит по основному ме­таллу на границе сплавления со швом путем чистого среза в случае лобового шва и таврового соединения (рис. 3.25, а, б) или путём среза с отрывом при наличии нормальных напряжений в случае а - 45° (рис. 3.25, в).

Соединение из алюминиевого сплава АМг61 с угловыми швами также имеет различную прочность в зависимости от направления приложенной силы (табл. 3.3). Лобовые швы в 1,4—1,5 раза проч­нее, чем фланговые.

Зависимость прочности угловых швов от направления силы вы­зывается в основном различием в напряженном состоянии углового шва (преобладание среза или отрыва) и влиянием объемности науряженного состояния в случае отрыва, возникающего вследствие связи шва с основным металлом и невозможности по этой причине образования шейки. Вторая причина аналогична эффекту контакт­ного упрочнения, который наблюдается в стыковых сварных, соединениях, имеющих мягкую прослойку (см. § 3). При достаточной пластичности металла шва концентрация напряжений и объемность напряженного состояния способствуют повышению прочности угло­вого шва.

Таблица 3.3

Дата добавления: 2015-07-08