Общая характеристика сварных соединений

Применение сварки снижает трудоемкость изготовления стальных конструкций по сравнению с клепкой более чем на 20% при одновременном уменьшении расхода стали на 10... 15%. Однако наряду с очевидными технологическими преимуществами, сварка придает конструкциям и некоторые негативные особенности, которые необходимо учитывать при проектировании сварных соединений. К таким особенностям относятся: по­вышенная концентрация напряжений, обусловленная наличием в швах дефектов; механическая неоднородность сварных швов; сварочные напряжения; возможные отклонения конструктивных эле­ментов от проектной формы, вызванные сварочными деформациями. Перечисленные факторы (особенно при их неблагоприятном сочетании) могут существенно влиять на работоспособность сварных конструкций в условиях статического и циклического нагружений, являясь причинами возникновения трещин и разрушений хрупкого и усталостного характера.

Вид сварного соединения определяется взаимным расположением свариваемых эле­ментов. Различают стыковые, тавровые, угловые и нахлесточные соединения (рис. 1).

Рис. 1. Виды сварных соединений

Стыковые соединения (рис. 1, а).

Тавровые и угловые соединения (рис. 1, б, в).

Нахлестанные соединения (рис.1, г).

Классификация сварных швов производится по различным признакам в зависимости от условий изготовления и эксплуатации сварных конструкций.

По форме поперечного сечения швы подразделяются на стыковые и угловые. Сты­ковые швы выполняются в стыковых соединениях, угловые швы используются в угло­вых, тавровых и

нахлесточных соединениях.

Напряженно-деформированное состояние углового шва зависит от его положения относительно действующей силы. Поэтому угловые швы делятся на фланговые (рис. 2, а), направление которых совпадает с направлением внешней силы, и лобовые (рис. 2, б), в которых силовой поток направлен поперек шва. Наименее благо­приятным является направление силы вдоль шва. Прочность лобового шва на 15...25 процентов, а модуль сдви­га в 2 раза выше, чем у флангового шва [1].

Рис. 2. Нахлестанные соединения с угловыми швами.

Фланговые швы при действии внешней нагрузки приводят к неравномерному рас­пределению силового потока, что вызывает концентрацию напряжений у концов шва (рис. 3, а). Большая неравномерность распределения напряжений характерна и по поперечному сечению соединения (рис. 3, б), так как силовой поток в растянутом листе сгущается в зоне фланговых швов, а средняя часть накладки напряжена мало. По­этому такие соединения не рекомендуется применять в конструкциях, воспринимающих переменные или динамические нагрузки, а также эксплуатируемые при низких темпера­турах. Разрушение фланговых швов происходит в результате среза по биссектрисе шва н выражается криволинейной траекторией с переходом на основной металл по концам шва (рис.3, в).

Рис.3. Распределение напряжений в нахлесточных соединениях с фланговыми швами

Концентрация напряжений характеризуется коэффициентом концентрации, теорети­ческое (упругое) значение которого представляет собой отношение максимальных напряжений к номинальным, т.е.

(1)

Максимальные напряжения в крайних точках флангового сварного шва (рис. 4, точ­ки а и б) зависят от соотношения площадей соединяемых деталей А₁ и А₂ и могут быть вычислены по формулам [1]

(2) (3) (4)

где А₁, и А₂ — соответствующие площади поперечного сечения образца (рис. 4);

G и Е — соответственно модули сдвига и упругости материала сварного шва;

— номинальные (средние) напряжения по длине флангового шва, равные

(5)

где , мм — расчетная длина шва, принимаемая меньше его конструктивной длины на 10 мм; — катет углового шва; — коэффициент проплавления, принимае­мый в зависимости от вида сварки (табл. 1); — количество швов, воспринимающих внешнюю нагрузку.

Рис. 4. Концентрация напряжений во фланговых швах

Учитывая, что G=E/2(l+µ), где µ=0.3 — коэффициент Пуассона, формулу (4) можно записать (6)

Вследствие концентрации напряжений в нахлесточных соединениях с фланговыми швами ограничивается максимальная расчетная длина шва, которая не должна превы­шать , за исключением швов, в которых усилие действует на всем протяже­нии шва [5].

Лобовые швы передают усилия более равномерно по ширине, чем фланговые, но крайне концентрированно, вследствие малой ширины шва (рис. 5, а). Исследования [2] подтверждают наличие значительной концентрации напряжений в лобовых швах и большое влияние на распределение напряжений конфигурации поперечного сечения шва: глубины проплавления h_пр, угла при вершине αи формы свободной поверхности шва.

Рис 5. Распределение напряжений в соединениях с лобовыми швами.

Теоретический коэффициент концентрации напряжений в лобовом шве таврового соединения (рис. 5, б) определяется по формуле [2]

, (7) (8)

где: ρ — радиус перехода шва к основному металлу, t — толщина основного металла,

φ — угол перехода от поверхности шва к основному металлу;

В — расстояние между швами в соединении.

Для сварных соединений, имеющих непровар (2h_пр,<b), коэффициент концентрации напряжений k_m¹ определяется по формуле

, (9)

где D=3,7 — коэффициент при растяжении; . Другие обозначения, приня­тые в формулах (7-9), понятны из рис. 5, б.

Предельным состоянием соединений с угловыми швами принята опасность их раз­рушения, а не повышенные деформации. Такой подход позволяет устанавливать норма­тивное сопротивление для соединений с угловыми швами по временному сопротивле­нию металла шва (Rwun), а не по пределу текучести.

Нормативный метод расчета соединений с угловыми швами [5] является условным, т.к. основан на предположении, что в предельном состоя­нии металл шва находится в пластическом состоянии и напряжения по длине и сечению шва выравниваются. Поэтому независимо от типа сварного соединения (тавровое или нахлесточное) и расположения угловых швов по отношению к нагрузке (лобовые или фланговые) угловые сварные швы рассчитывают на срез по металлу шва и по зоне сплавления (см. рис. 6).

Рис. 6. Схема расчетных сечений сварного соединения с угловым швом:

1 - сечение по металлу шва;

2 - сечение по металлу границы сплавления

Расчет сварного соединения рекомендуется выполнять по формулам:

по металлу шва (сечение 1): ; (10)

по металлу зовы сплавления (сечение 2): ; (11)

где l_w — расчетная длина шва; β _f, β _z – коэффициенты проплавления, которые зависят от способа сварки, положения шва и величины катета шва (табл. 1); γ _wf,γ _wz —коэффициенты условий работы шва; γ _с — коэффициент условий работы соединения; R _wf,R _wz — расчетные сопротивления соответственно металла шва и металла зоны сплавления.

Расчетное сопротивление металла шва R _wf зависит от прочности используемых сва­рочных материалов (табл. 3) и определяется для наименее прочных фланговых швов по формуле

, (12)

Расчетное сопротивление углового шва по металлу границы сплавления R _wz опреде­ляется прочностью основного металла и вычисляется по формуле:

, (13)

где R _un — нормативное сопротивление основного металла по временному сопротивле­нию.

Из выражений (10) и (11) видно, что увеличение прочности шва выше определенно­го уровня нецелесообразно, так как несущая способность соединения будет определять­ся его разрушением по границе сплавления. Поэтому в Нормах [5] для угловых швов, размеры которых определяются расчетом, следует так выбирать электроды и сварочную проволоку, чтобы выполнялось условие

, (14)

К размерам и форме угловых сварных швов предъявляются некоторые конструктив­ные требования, а именно: катеты угловых швов k_f следует принимать по расчету, но не менее указанных в табл. 2; k_f должны быть не более l,2t, где t — наименьшая толщина соединяемых элементов; минимальная расчетная длина углового сварного шва должна быть не менее 4k_f и не менее 40 мм.

Дата добавления: 2015-07-20