выполнил: студент гр. ГЭМ-00-2 Вагизов А.И. Сварные соединения

выполнил: студент гр. ГЭМ-00-2 Вагизов А.И. Сварные соединения

Сварные соединения формируются за счёт межатомных связей между сварными деталями (частями деталей), образующихся: при их местном или общем нагреве до расплавления и последующем остывании – сварка плавлением; при совместном пластическом деформировании нагретых или холодных стыков деталей – сварка давлением.

Виды соединений. В зависимости от расположения свариваемых деталей соединения дуговой и газовой сваркой подразделяют на стыковые (рис.1,а-е), нахлесточные (рис.2,а-г), тавровые и угловые (рис.3). Прочность стыковых соединений близка к прочности основного металла, их применяют в ответственных конструкциях. В зависимости от толщины деталей сварку выполняют односторонним (рис.1,а) или двусторонним (рис.1,б) швом, а так же производят подготовку кромок механической обработкой (рис.1,в-е). Швы нахлесточных, тавровых и угловых соединений называют угловыми. Нахлесточные соединения тонколистовых конструкций выполняют контактной сваркой точечной (рис.4,а) или шовной (рис.4,б). Диаметр сварной точки устанавливают в зависимости от толщины s свариваемых деталей, d=1,2s+4 мм. Рекомендуемое расстояние между точками a=3d при сварке двух элементов и a=4d при сварке трех элементов.

рис.1 Стыковые соединения

Расчет сварных соединений при постоянных нагрузках. В стыковом соединении форма и размеры шва характеризуются высотой “усиления” шва g, его длиной b и углом θ (рис.5,а). При нагружении соединения “усиление” оказывается источником концентрации напряжений в связи с изменением формы деталей. Например при растяжении соединения силой F(рис.5,б) максимально растягивающие напряжения на краях “усиления” в 1,6 раза больше номинальных напряжений:

σ=F/(l*s),

где lиs— соответственно длина шва и толщина соединяемых деталей. Однако концентрация напряжений не оказывает существенного влияния на ста­тическую прочность соединений деталей из пластичных сталей. Стыковые швы (см. рис. 1, а—е) рассчитывают на прочность по номиналь­ному сечению соединяемых деталей (без учета утолщения швов) как целые дета­ли. Условие прочностей надежности по допускаемым напряжениям принимают в форме

σ ≤ [σ’_р] (1)

Здесь [σ’_р] — допускаемое напряжение сварного шва при растяжении, [σ’_р]=(0,9...1)[σ_р], где [σ_р]-

допускаемое напряжение при растяжении детали из основного материала (табл.1). Допускаемая растягивающая нагрузка

[F]=[σ’_р]ls. (2)

Напряжения в шве при совместном действии растягивающей силы и изгибаю­щего момента

где М_и — изгибающий момент в расчет­ном сечении шва; W_и— момент сопротив­ления сечения шва.

Нахлесточные соединения в отличие от стыковых имеют более высо­кую концентрацию напряжений. В лобо­вом шве (см. рис. 2, б) концентрация напряжений обусловлена поворотом сило­вого потока (изгибом, см. рис. 5, в). Во фланговых швах максимальные касатель­ные напряжения действуют на краях (рис. 6, а, б), а средняя часть соедине­ния менее нагружена. Угловые швы нахлесточных соедине­ний, строго говоря, испытывают сложное напряженное состояние. В упрощенном расчете швов при постоянной силе учиты­вают лишь номинальные касательные на­пряжения, уравновешивающие эту силу:

τ=F/A, где А— площадь расчетного сечения. Экспериментальные исследования и

практика показали, что фланговые и лобовые (угловые) швы разрушаются по сечению, проходящему через биссектрису прямого угла (рис. 7, а). Площадь рас­четного сечения

где L — общая длина (периметр) сварно­го шва; - расчетный катет шва. С учетом этого условие прочностей надежности углового шва

τ=F/(0.7k_pL)≤[τ_ш ] (3)

где [τ_ш] — допускаемое напряжение в сварном шве при срезе.

При проектировании соединений из условия (рис.2) определяют размеры шва L и к_р- переменные проектирования. Для упрощения задачи порядок этих перемен­ных понижают, принимая из опыта к_р=(0,9...1,0) s_min, где s_min — наименьшая тодщина свариваемого элемента; k_{р min}=3 мм при s≥3 мм.

Тогда требуемая длина шва

L≥F/(0.7k_p[τ_ш];(4) Наибольшая длина лобового шва (см. рис.2, б) не ограничивается, но длина нахлестки должна быть не менее 4s_min. Длину флангового шва не следует выполнять большей 60k_р из-за неравно­мерного распределения нагрузки по длине (см. рис.6 а, б). Минимальная длина

флангового шва должна быть не менее 30 мм, так как при меньшей длине де­фекты (непровары, шлаковые включения и др.) в начале и в конце шва существен­но снижают его прочность.

Допускаемая растягивающая нагрузка

[F]=0.7k_pL[τ_ш] (5)

Швы целесообразно располагать так, чтобы они были нагружены равномерно. Например, в соединении с уголком (рис.7,б) фланговые швы расположе­ны несимметрично относительно линии действия силы F. Силы F₁ и F₂, восприни­маемые соответственно первым и вторым швом, можно определить из уравнений равновесия:

F₁+F₂=F; F₁l₁- F₂l₂=0;

Откуда F₁= Fа₂/(a₁+а₂);

F₂=Fa₁/(a₁+а₂);

где a₁ и а₂ -расстояния от центра тяжести сечения элемента до центра тяжести сечения швов.

Если длина шва задана или определе­на, например, из расчета по формуле (4), то ее целесообразно разместить пропорционально нагрузкам F₁ и F₂, что ­бы выполнялось условие τ₁=τ₂=[τ_ш].

Тогда l₁=Lа₂/(a₁+а₂);

L₂=a₁/(a₁+а₂); (6)

Следовательно, для получения равно­мерного распределения нагрузки между швами необходимо длину каждого шва принимать обратно пропорциональной расстоянию между центром тяжести сече­ния детали и швами.

Расчет комбинированных угловых швов под действием момента в плоскости стыка (рис.8, а) выполня­ют, полагая, что швы работают независи­мо один от другого, а фланговые швы передают только силы вдоль своей оси.

Из условия равновесия одного из лис­тов следует момент

M=τA_шh+TW_ш, где A_ш=0,7k_рl— площадь продольного сечения флангового шва; W_ш— момент сопротивления продольного сечения лобо­вого шва,

W_ш=(0,7k_рh²)/6,

Откуда

τ=M/(A_шh+W_ш)≤[τ_ш]; В уточненном расчете можно принять, что листы являются абсолютно жесткими (недеформируемыми) и приваренный эле­мент под нагрузкой стремится повернуть­ся вокруг центра тяжести (ЦТ) сечений швов (рис.8, б). Тогда

τ_max=Mr_max/J_р≤[τ_ш]; (7)

где r_max-расстояние от центра тяжести до наиболее удаленной точки шва; J_р — по­лярный момент инерции швов, J_p=J_x+J_y (J_x и J_y — моменты инерции швов отно­сительно осей х и у). Тавровые соединения угло­выми швами рассчитывают по формулам (4) и (5).

Угловые соединения(см. рис.3) используют, как правило, для образования несиловых профилей из отдельных полос.

Точечное соединение (см.рис.4,а,б), нагруженное в плос­кости стыка, рассчитывают на срез, принимая, что точки воспринимают оди­наковые силы. Напряжение среза в свар­ной точке

τ=4F₁/(iπd²)≤[τ_ш],

где F₁ — усилие, приходящееся на одну точку; i — число плоскостей среза точек. Швы, получаемые на роликовых ма­шинах, рассчитывают по формуле

τ=F/(al);

Здесь а — ширина шва; l — его длина.

Допускаемые напряжения для свар­ных швов в долях от допускаемых напря­жений основного металла приведены в табл.1. Допускаемые напряжения для основного металла в металлоконструкци­ях вычисляют по формуле

[σ’_р]=σ_pm/K,(8) где σ_р=(0,85...0,9)σ_т — расчетное сопротивление с учетом неоднородности мате­риала (σ_т- предел текучести материа­ла); m-коэффициент, который прини­мают в зависимости от типа соедине­ния и условий его работы, обычно m=0,8...0,9; К— коэффициент перегрузки, обычно К=1...1,2; для резервуаров с внутренним давлением К=1,2; для под­крановых балок при тяжелом режиме ра­боты K=1,3...1,5.

В строительных конструкциях прини­мают расчетное сопротивление σ_R=0,9σ_т. Значения σ_R принимаемые в ряде отраслей машиностроения, приведены в табл.2.

Расчет при переменных нагрузках. Оценку прочностной надежности соединений при действии переменных сил производят по запасам прочности из условия

n_σ≥ [n_σ];(9)

Таблица 1.

Таблица 2.

где n_σ и [n_σ]-действительный и допускаемый запасы прочности; обычно [n_σ]≥2. Действительный запас прочности стыковых соединений при пропорциональном возрастании среднего напряжения цикла σ_m и амплитуды переменных напряжений

[n_σ]=σ_-1/(σ_aK_σ+ψ_σσ_m); (10)

где σ_-1-предел выносливости материала с учетом масштабного фактора; K_σ-эффективный коэффициент концентрации напряжений (табл.3);ψ_σ-коэффициент, учитывающий влияние на сопротивление усталости асимметрии цикла (ψ_σ=0,1,,,0,2-для стыковых соединений из низкоуглеродистых сталей, ψ_σ = 0,2...0,3-то же, для средне- и низкоуглеродистых сталей).

Расчет соединений угловыми швами выполняют по формулам, получаемым из соотношений (9) и (10), путем замены в них букв σ на τ.

Таблица 3.

Рис.2 Нахлесточные соединения

Рис.4 Соединения контактной электросваркой

Рис.7 Расчетные схемы нахлесточных соединений

Рис.5 Распределение напряжений на контуре стыкового шва (а и б) и в угловом шве (в)

Рис.3 Тавровые (а-в) и угловые (г-е)

Рис.8_Нахлесточные соединения при действии изгибающего момента

Рис.6 Распределение касательных напряжений вдоль флангового шва в зависимости от жесткости листов:

а-Е₁А₁<Е₂А₂; б-Е₁А₁=Е₂А₂;

Дата добавления: 2015-08-28