Основные виды и характеристики сварочных соединений

Оглавление

Введение 4
1. Общие сведения 5
2. Сварное строение шва 10
3. Сварное соединение встык 16
4. Сварное соединение внахлестку 18
5. Сварное соединение втавр 24
6. Соединение контактной сваркой 26
7. Прочность сварных соединений и допускаемые напряжения 28
Заключение 30
Список использованных источников 31

Введение

Сварным соединением как конструктивным элементом называют участок конструкции, в котором отдельные ее элементы соединены с помощью сварки. В сварное соединение входят сварной шов, прилегающая к нему зона основного металла со структурными и другими изменениями в результате термического действия сварки (зона термического влияния) и примыкающие к ней участки основного металла.
Свойства сварного соединения определяются свойствами металла самого шва и зоны основного металла, прилегающего к шву, с измененной структурой и во многих случаях с измененными свойствами - зоны термического влияния. Данная работа посвящена рассмотрению вопроса о методике оценки трещино-стойкости сварных соединений.
Контроль сварных соединений имеет большое значение при производстве металлоконструкций, разработано большое количество методик оценки сварных соединений, но для полной оценки требуется использование нескольких методик одновременно.
Общие сведенияСварное соединение — неразъемное. Оно образуется путем сваривания материалов деталей в зоне стыка и не требует никаких вспомогательных элементов (заклепок, болтов и т. д.). Прочность соединения зависит от неоднородности и непрерывности материала сварного шва и окружающей его зоны.
Применяемые в современном машиностроении способы сварки весьма разнообразны. Каждый из них имеет свои конкретные области применения . Из всех способов сварки наиболее широко распространена электрическая. Различают два основных вида электросварки: дуговую и контактную.
Сварные соединения и швы классифицируются по следующим основным признакам 2:
виду соединения;
положению, в котором выполняется сварка;
конфигурации и протяженности;
применяемому виду сварки;
способу удержания расплавленного металла шва;
количеству наложения слоев;
применяемому для сварки материалу;
расположению свариваемых деталей относительно друг друга;
действующему на шов усилию;
объему наплавленного металла;
форме свариваемой конструкции;
форме подготовленных кромок под сварку.
По виду соединения сварные швы бывают стыковыми и угловыми.
По расположению в пространстве швы сварных соединений подразделяются на нижние, вертикальные, горизонтальные и потолочные. Выход шва из потолочного положения в вертикальное при сварке цилиндрических изделий называется полупотолочным положением.
По конфигурации швы сварных соединений бывают прямолинейными, кольцевыми, вертикальными и горизонтальными. По протяженности швы разделяются на сплошные и прерывистые. Сплошные швы в свою очередь делятся на короткие, средние и длинные.
По виду сварки швы сварных соединений разделяются на 3:
швы дуговой сварки
швы автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом
швы дуговой сварки в защитных газах
швы электрошлаковой сварки
швы электрозаклепочные
швы контактной электросварки
швы паяных соединений
По способу удержания расплавленного металла швы сварных соединений делятся на швы, выполненные без подкладок и подушек; на съемных и остающихся стальных подкладках: на медных, флюсомедных. керамических и асбестовых подкладках, а также флюсовых и газовых подушках. В зависимости от того, с какой стороны накладывается шов, различают односторонние и двусторонние швы.
По применяемому для сварки материалу швы сварных соединений подразделяются на швы соединения углеродистых и легированных сталей; швы соединения цветных металлов; швы соединения биметалла; швы соединения винипласта и полиэтилена.
По расположению свариваемых деталей относительно друг друга швы сварных соединений могут быть под острым или тупым углом, под прямым углом, а также располагаться в одной плоскости.
По объему наплавленного металла различают нормальные, ослабленные и усиленные швы. По форме свариваемой конструкции швы сварных соединений выполняются на плоских и сферических конструкциях, а по расположению на изделии швы бывают продольными и поперечными.
Сварными называют неразъемные соединения, выполненные при помощи сварки. Они могут быть стыковыми, угловыми, нахлесточными, тавровыми и торцевыми. 6
Стыковым называют соединение двух деталей их торцами, расположенными в одной плоскости или на одной поверхности. Толщина свариваемых поверхностей может быть одинаковой или отличаться одна от другой. На практике стыковое соединение чаще всего применяют при сварке трубопроводов и различных резервуаров.
Угловое — сварное соединение двух элементов, расположенных под углом относительно друг друга и сваренных в месте примыкания их краев. Такие сварные соединения нашли широкое применение в строительной практике.
Нахлесточное — сварное соединение предусматривает наложение одного элемента на другой в одной плоскости с частичным перекрытием друг друга. Такие соединения чаще всего встречаются в строительно-монтажных работах, при сооружении ферм, резервуаров и т.д. 7
Тавровым называют соединение, в котором к плоскости одного элемента приложен торец другого соединения под определенным углом.
Участок сварного соединения, сформированный как результат кристаллизации расплавленного металла, называется сварочным швом. В отличие от соединений сварные швы бывают стыковыми и угловыми.
Стыковой — это сварной шов стыкового соединения.
Угловой — это сварной шов углового, нахлесточного и таврового соединений. 4
Сварочные швы различают по количеству слоев наложения, ориентации их в пространстве, по длине и т.д. Так, если шов полностью охватывает соединение, то его называют сплошным. Если в пределах одного соединения шов разрывается, то его называют прерывистым. Разновидностью прерывистого шва является прихваточный шов, который применяют для фиксации элементов относительно друг друга перед сваркой. Если сварочные швы накладывают один на другой, то такие швы называют многослойными.
По форме наружной поверхности сварочные швы могут быть плоскими, вогнутыми или выпуклыми. Форма сварочного шва оказывает влияние на его физико-механические свойства и на расход электродного металла, связанный с его формированием. Наиболее экономичны плоские и вогнутые швы, которые, к тому же, лучше работают при динамических нагрузках, так как отсутствует резкий переход от основного металла к сварному шву. Чрезмерный наплыв выпуклых, швов приводит к перерасходу электродного металла, а резкий переход от основного металла к сварному шву при концентрированных напряжениях может вызвать разрушения соединения. Поэтому при изготовлении ответственных конструкций выпуклость на швах снимают механическим способом (фрезы, абразивные круги и т.д.). 1
Различают сварочные швы по их положению в пространстве. Это нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные швы.
Элементы геометрической формы подготовки кромок под сварку
Элементами геометрической формы подготовки кромок под сварку являются: угол разделки кромок α; зазор между стыкуемыми кромками а; притупление кромок S; длина скоса листа L при наличии разности толщин металла; смещение кромок относительно друг друга δ.
Угол разделки кромок выполняется при толщине металла более 3 мм, поскольку ее отсутствие (разделки кромок) может привести к непровару по сечению сварного соединения, а также к перегреву и пережогу металла; при отсутствии разделки кромок для обеспечения провара электросварщик всегда старается увеличить величину сварочного тока. 6
Разделка кромок позволяет вести сварку отдельными слоями небольшого сечения, что улучшает структуру сварного соединения и уменьшает возникновение сварочных напряжений и деформаций.
Зазор, правильно установленный перед сваркой, позволяет обеспечить полный провар по сечению соединения при наложении первого (корневого) слоя шва, если подобран соответствующий режим сварки.
Длиной скоса листа регулируется плавный переход от толстой свариваемой детали к более тонкой, устраняются концентраторы напряжений в сварных конструкциях.
Притупление кромок выполняется для обеспечения устойчивого ведения процесса сварки при выполнении корневого слоя шва. Отсутствие притупления способствует образованию прожогов при сварке.
Смещение кромок ухудшает прочностные свойства сварного соединения и способствует образованию непровара и концентраций напряжений. ГОСТ 5264—69 допускает смещение свариваемых кромок относительно друг друга до 10% толщины металла, но не более 3 мм.
Элементами геометрической формы сварного шва являются: при стыковых соединениях — ширина шва «b», высота шва «h», при тавровых, угловых и нахлесточных соединениях— ширина шва «b», высота шва «h» и катет шва «К».
Сварные швы классифицируются по количеству наплавленных валиков —однослойные и многослойные; по расположению в пространстве — нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные; по отношению к действующим усилиям на швы —фланговые, лобовые (торцовые); по направлению - прямолинейные, круговые, вертикальные и горизонтальные.
На качественные показатели сварных соединений накладывает отпечаток множество факторов, к которым относятся свариваемость металлов, их чувствительность к термическим воздействиям, окисляемость и т.д. Поэтому для соответствия сварных соединений тем или иным эксплуатационным условиям следует эти критерии учитывать.
Сварное строение шваНаиболее широкое применение в сварных конструкциях имеет малоуглеродистая сталь. Рассмотрим поэтому вопрос о строении сварного шва на примере сварки малоуглеродистой стали. Основой стали является железо, в котором размещены частицы углерода и других элементов, входящих в ее состав. Железо может находиться в стали в виде феррита и аустенита. 1
Ферритом называется чистое железо, очень мягкое, обладающее высокой пластичностью, прочностью и магнитными свойствами. В виде феррита железо может находиться при температуре до 910°. Атомы кристалла феррита расположены по схеме, показанной на рис. 25, а. При температуре 910° (называемой критической ) и выше феррит переходит в а у с т е н и т , характеризуемый более уплотненным расположением атомов (рис. 25, б). Аустенит не магнитен и отличается большей твердостью и вязкостью.
При охлаждении ниже 910° аустенит способен снова превращаться в феррит. Углерод содержится в стали в виде химического соединения с железом — цементита (Fe3C), отличающегося высокой твердостью и хрупкостью. Цементит в мягкой малоуглеродистой стали располагается в виде очень тонких пластинок, скопления которых распределены в основной массе феррита.
Такое строение (структура) стали называется перлитом, представляющим собой механическую смесь феррита с цементитом. По мере увеличения содержания углерода в стали количество перлита в ней возрастает. Сталь, содержащая 0,83% углерода, состоит только из перлита. При дальнейшем повышении содержания углерода начинается выделение отдельных зерен цементита и структура стали будет состоять из перлита с распределенным в нем цементитом.
Углерод понижает критическую температуру. Как указывалось выше, для чистого железа она равна 910°, для стали, содержащей 0,9 /о углерода, она составляет всего 720°. Аустенит способен хорошо растворять углерод, вследствие чего при нагревании стали до температуры, незначительно (на 20—30°) превышающей критическую, включения цементита исчезают и сталь приобретает равномерную мелкозернистую структуру. Если затем сталь медленно охладить, то она сохранит мелкозернистое строение. Это свойствостали используется для придания ей мелкозернистой структуры отжигом. 5
Если нагревать сталь до температуры, значительно превышающей критическую, то получается крупнозернистая структура, которая понижает прочность стали и делает ее более хрупкой. Повторно нагревая перегретую сталь до температуры несколько выше критической и затем медленно охлаждая ее, можно вновь получить мелкозернистую структуру.
Описанные выше превращения происходят в стали не мгновенно, а требуют некоторого времени. Поэтому при быстром охлаждении стали, которое имеет место при сварке, эти превращения не успевают произойти полностью, вследствие чего получаются другие, промежуточные структуры. Так, например, в стали с повышенным содержанием углерода растворенный в аустените углерод при быстром охлаждении не всегда успевает полностью выделиться и остается в феррите. При этом образуется новая, твердая структура — мартенсит.
Мартенситная сталь отличается высокой твердостью, но она более хрупкая. Нагрев и последующее быстрое охлаждение (закалка) придают стали повышенную твердость. Чем больше углерода в стали, тем она более склонна к закалке при нагреве и быстром охлаждении. Изменяя скорость охлаждения, можно получить различную твердость стали. Закалке подвержены стали, содержащие" свыше 0,3% углерода. Последующий нагрев и медленное охлаждение (отпуск) устраняют действие закалки на сталь, способствуя частичному или полному выделению углерода из феррита и образованию перлитной структуры. Степень отпуска (т. е. степень уменьшения твердости) может быть различной в зависимости от температуры нагрева и длительности выдержки стали при этой температуре. 3
Это явление, имеет место, например, при наложении многослойных швов. В процессе наложения вышележащих валиков отжигается металл нижележащих слоев шва.
На тщательно отшлифованной поверхности разреза сварного шва, протравленной специальным раствором, можно ясно видеть отдельные его части, имеющие различное строение зерен и называемые зонами сварного шва.
Основной металл в процессе сварки нагревается и частично расплавляется, подвергаясь действию высокой температуры сварочной дуги или сварочного пламени. Чем выше температура нагрева, тем большие изменения будет претерпевать металл. В той зоне основного металла, где температура нагрева углеродистой стали не превышает 720°, металл сохраняет те же свойства, которыми он обладал до сварки.
Наплавленный металл получается за счет расплавления присадочного, или электродного металла и частичного смешивания его с основным металлом. При ручной дуговой сварке стали в наплавленный металл за счет расплавления свариваемых кромок добавляется до 10% основного металла; при сварке под флюсом проволокой диаметром 4—5 мм эта добавка основного металла составляет до 50% и более.
Наплавленный металл по составу, строению и свойствам отличается как от присадочного (электродного), так и от основного металла. Образование первых кристаллов начинается в жидком металле у поверхностей охлаждения и вокруг так называемых центров кристаллизации, образующихся в процессе затвердевания сварочной ванны. Из этих начальных центров образуются зерна металла за счет присоединения новых кристаллов. Чем быстрее охлаждение металла, тем больше образуется центров кристаллизации и тем мельче будут зерна. При медленном охлаждении в процессе затвердевания металл приобретает крупнозернистое строение.
Находящиеся в жидком металле примеси и загрязнения (окислы, шлаки и др.) имеют более низкую температуру затвердевания, чем металл, и при застывании располагаются по границам зерен металла, ухудшая их сцепление между собой. Это снижает прочность и пластичность наплавленного металла.
Чем чище наплавленный металл, тем выше его механические свойства. При автоматической сварке под флюсом получается более глубокое проплавление кромок основного металла, чем при ручной сварке, и он имеет зерна разветвленной формы, напоминающие ветвь дерева. Зерна такой формы называются дендритами (от греческого слова дендрон — дерево) или столбчатыми и характерны для образовавшегося при застывании жидкого литого металла.
Таким образом, зерна наплавленного металла по своей форме и расположению будут иными, чем зерна основного металла, которые всегда вытянуты в направлении прокатки. Если жидкий наплавленный металл или соседний с ним участок основного металла был очень сильно перегрет, то при охлаждении его зерна принимают игольчатую форму и пересекаются друг с другом в разных направлениях. Перегретый металл обладает меньшей прочностью и является более хрупким. 1
Зона сплавления расположена между основным и наплавленным металлом. В этой зоне основной металл расплавляется и смешивается с наплавляемым металлом электрода. Если зерна основного и наплавленного металла хорошо срослись и как бы проникают друг в друга, то такие швы обладают наибольшей прочно. Зона сплавления имеет ничтожные размеры и даже при рассмотрении под микроскопом часто сливается с границей шва. Однако это бывает не всегда. В некоторых случаях можно довольно ясно различить границу между зернами основного и наплавленного металла. Иногда на границе между основным и наплавленным металлом образуется цепочка из пленок окислов. В таком месте шов всегда будет обладать пониженной прочностью из-за недостаточного сцепления частиц наплавленного металла с основным. За зоной сплавления в основном металле имеется участок, где металл не изменяет своего химического состава. Но так как он довольно сильно нагревается, то строение и размеры его зерен изменяются. Эта часть основного металла носит название зона термического (теплового) влияния или просто хоны влияния.
Зона влияния имеет особое значение при сварке тех сортов сталей, которые чувствительны к закалке (высокоуглеродистых, хромистых). При нагреве и последующем быстром охлаждении таких сталей в зоне влияния резко повышается твердость и хрупкость, часто сопровождающиеся даже появлением трещин в металле шва и прилегающей к нему зоне основного металла. Для таких сталей приходится применять специальные режимы сварки, а также предварительный подогрев и последующую термическую обработку сварных швов.
Рядом с наплавленным металлом расположена зона сплавления, с которой граничит участок перегрева. Здесь основной металл уже не нагревается до температуры плавления, хотя температура нагрева его достаточно высока и лежит в пределах 1100—1500°, что вызывает значительный рост зерен металла на данном участке, и почти всегда сопровождается образованием зерен игольчатой (видманштеттовой) структуры.
Эта часть шва обычно является наиболее слабым местом и здесь металл будет обладать наибольшей хрупкостью, хотя и не будет влиять существенно на прочность сварного соединения в целом, за исключением тех случаев, когда перегрев значителен. По мере удаления от оси шва температура нагрева снижается. В пределах температур 900—1100° находится участок нормализации, характеризующийся наиболее мелкозернистым строением, так как здесь температура нагрева лишь незначительно превышает критическую температуру 4. Следующий участок, лежащий в пределах температур 720—900°, подвержен лишь частичному изменению структуры основного металла и потому называется участком неполной кристаллизации
В нем имеются наряду с отдельными довольно крупными зернами скопления мелких зерен. В этой части металла подведенного количества тепла уже недостаточно для измельчения всех зерен. Участок, соответствующий нагреву от 500 до 720°, называется участком рекристаллизации ; в нем структура стали не изменяется, а происходит лишь восстановление прежней формы и размеров зерен, разрушенных и деформированных при прокатке металла. При дальнейшем понижении температуры от 500° и ниже уже нельзя заметить признаков теплового воздействия на основной металл.
Наибольшей прочностью и пластичностью металл сварного соединения будет обладать на участке нормализации. Наименьшую величину зона термического влияния имеет при дуговой сварке тонкопокрытыми электродами и при сварке под слоем флюса. При ручной дуговой сварке электродами с толстым покрытием зона влияния несколько больше и достигает 5—6 мм. Ширина зоны влияния главным образом зависит от сварочного тока, скорости сварки и условий отвода тепла от места сварки. Так, например, при автоматической сварке стали со скоростью 10 —12 м/час током 2000—2500 а ширина зоны влияния достигает 8—10 мм при толщине стали 40 мм; при автоматической сварке стали толщиной 2 мм током 1200—1400 а при скорости 360 м/час зона влияния имеет ширину всего 0,5—0,7 мм.
Сварное соединение встыкСвариваемость металлов определяет способность отдельных металлов или их сплавов образовывать при соответствующей технологической обработке соединения, отвечающие заданным параметрам. На этот показатель оказывают влияние физические и химические свойства металлов, строение их кристаллической решетки, наличие примесей, степень легирования и т.д. Свариваемость может быть физическая и технологическая.
Под физической свариваемостью понимают свойство материала или его составов создавать монолитное соединение с устойчивой химической связью. Физической свариваемостью обладают практически все чистые металлы, их технические сплавы и ряд сочетаний металлов с неметаллами.
К технологической свариваемости материала относят его реакцию на сварочный процесс и способность создать соединение, удовлетворяющее заданные параметры. 5
Соединение встык во многих случаях является наиболее простым и надежным. В зависимости от толщины соединяемых элементов его выполняют по одному из вариантов, изображенных на рис.
При малых толщинах обработка кромок не обязательна, а при средних и больших толщинах она необходима по условиям образования шва на всей толщине деталей. Автоматическая сварка под флюсом позволяет увеличить предельные толщины листов, свариваемых без обработки кромок, примерно в два раза, а угол скоса кромок уменьшить до 30—35° .Сваривать встык можно не только листы или полосы, но также трубы, уголки, швеллеры и другие фасонные профили. Во всех случаях составная деталь получается близкой к цельной.
Соединения встык могут разрушаться по шву, месту сплавления металла шва с металлом детали, сечению самой детали в зоне термического влияния.
Рис.2.1
Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок детали, в котором в результате нагревания при сварке изменяются механические свойства металла. Понижение механических свойств в зоне термического влияния особенно значительно при сварке термически обработанных, а также наклепанных сталей. Для таких соединений рекомендуют термообработку и наклеп после сварки.
Практикой установлено, что при качественное выполнении при качественном выполнении сварки соединения стальных деталей происходит преимущественно в зоне термического влияния. Поэтому расчет прочности сварного соединения встык принято выполнять по размерам сечения детали в этой зоне. Возможное снижение прочности деталей, связанное со сваркой учитывают при назначении допускаемых напряжений. 4
Например, при расчете полосы, сваренной встык на растяжение
на изгиб SKIPIF 1 < 0
где b и s — ширина и толщина полосы; [ σ']—допускаемое напряжение для сварных соединений Отношение [σ'] к допускаемому напряжению для основного металла [σ]р является коэффициентом прочности сварного соединения встык
φ=[σ']/[σ]р.
Величина φ колеблется в пределах от 0,9 до 1,0 ,т. е. соединение встык почти равнопрочно с соединенными деталями. В тех случаях, когда требуется повысить прочность соединения, применяют косые швы .Расчет косого шва выполняют по формуле первой, в которой принимают [σ'] = [σ]р.
Сварное соединение внахлесткуСоединения внахлестку выполняют с помощью угловых швов . В зависимости от формы поперечного сечения различают следующие виды угловых швов: нормальные 1, вогнутые .2, выпуклые 3. На практике наиболее распространены нормальные швы.
Рис.3.1
Выпуклый шов образует резкое изменение сечения деталей в месте соединения, что является причиной повышенной концентрации напряжений. Вогнутый шов снижает концентрацию напряжений и рекомендуется при действии переменных нагрузок. Вогнутость шва достигают обычно механической обработкой, которая значительно увеличивает стоимость соединения. Поэтому такой шов применяют только в особых случаях, когда дополнительные расходы оправдываются.
Основные геометрические характеристики углового шва — катет k и высота h; для нормального шва h = k sin 45° ≈ 0,7k. По условиям технологии минимальную величину k принимают равной 3 мм, если толщина листа s ≥ 3 мм. В большинстве случаев k = s.
В зависимости от расположения различают швы: лобовые, фланговые и косые.
Лобовой шов расположен перпендикулярно ,а фланговый – параллельно линии действия нагружающей силы.
Фланговые швы накладывают параллельно линии действия силы.
Основными напряжениями флангового шва являются касательные напряжения τ в сечении m — m. Это сечение проходит через биссектрису прямого угла и является наименьшим. По длине шва напряжения τ распределены неравномерно. На концах шва они больше, чем в середине. Неравномерность распределения напряжений объясняется следующим.
Рис.3.2
Предположим, что деталь 2 абсолютно жесткая, а деталь 1 и швы упругие. Тогда относительное перемещение точек b под действием силы Р больше относительного перемещения точек a на величину удлинения детали 1 на участке ab. При этом деформации сдвига и напряжения в шве непрерывно уменьшаются по всей длине шва справа налево. Если обе детали упругие, но жесткость их различна, напряжения в шве распределяются по закону некоторой кривой. При одинаковой жесткости деталей эпюра напряжений симметрична. 4
Учитывая жесткость деталей, можно вычислить величину напряжений в любом сечении по длине шва. Ясно, что неравномерность распределения напряжений возрастает с увеличением длины шва и разности жесткостей деталей.
В практике длину фланговых швов ограничивают условием l ≤ 50 k. Расчет таких швов приближенно выполняют по среднему напряжению, а условия прочности записывают в виде:
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0 Здесь 0,7 k — толщина шва в сечении по биссектрисе m — m.
В тех случаях, когда короткие фланговые швы недостаточны для выполнения условий равно прочности, соединение усиливают прорезными. Условие прочности соединения с прорезным швом при k = s
SKIPIF 1 < 0
Если одна из соединяемых деталей асимметрична, расчет прочности производят с учетом доли нагрузки, воспринимаемой каждым шагом. Пример — к листу приварен уголок .Равнодействующая нагрузка Р проходит через центр тяжести уголка и распределяется по швам обратно пропорционально плечам e1 и e2 Соблюдая условие равно прочности, швы выполняют с различной длиной так, чтобы
l1/l2= e1/ e2
При этом напряжения в обоих швах равны
SKIPIF 1 < 0
Если соединение нагружено моментом то напряжения от момента распределяются по длине шва неравномерно, а их направление различно. Неравномерность распределения напряжений тем больше, чем больше длина шва в отношении к ширине полосы b. В общем случае максимальные напряжения на концах шва можно определить по формуле кручения
Рис.3.3
τ=M/Wp
где Wp — полярный момент сопротивления, который подсчитывают для сечения швов в плоскости разрушения.
Рис.3.4
Для сравнительно коротких швов (l < b), распространенных в практике, применяют приближенный расчет по формуле
SKIPIF 1 < 0
При выводе формулы условно полагают, что напряжения направлены вдоль швов и распределены по длине швов равномерно.. При этом напряжения в двух швах образуют пару сил с плечом b, которая уравновешивает момент нагрузки M.
Рис.3.5
Лобовые швы накладывают перпендикулярно к линии действия нагрузки Р. Напряженное состояние лобового шва неоднородно. Здесь наблюдается значительная концентрация напряжений, связанная с резким изменением сечения деталей в месте сварки и эксцентричным приложением нагрузки. Основными являются касательные напряжения τ на горизонтальной плоскости и нормальные напряжения σ на вертикальной плоскости.
По методу, принятому в инженерной практике ,лобовые швы рассчитывают только по τ . За расчетное сечение, так же как и во фланговых швах, принимают сечение по биссектрисе m — m. Разрушение швов именно по этому сечению подтверждают исследования.
Для одного лобового шва
τ=Р/(0,7kl)≤[τ']
Для двух швов (нежелательная конструкция)
τ=Р/( 2·0,7kl)≤[τ']
Косой шов обычно применяют в сочетании с фланговыми. Условие прочности косого шва имеет вид
τ=Р/(0,7kl)≤[τ']
моментом M На рис. изображен случай, когда соединение одним угловым швом нагружено. При этом напряжения σ по торцу полосы будут распределяться подобно тому, как распределяются нормальные напряжения в поперечном сечении балки при изгибе. Переходя к ранее рассмотренному условному расчету лобовых швов по касательным напряжениям, получаем:
Рис.3.6
SKIPIF 1 < 0
Комбинированное соединение лобовыми и фланговыми швами рассчитывают на основе принципа распределения нагрузки пропорционально несущей способности отдельных швов. При этом для соединения, изображенного на рис. получим
SKIPIF 1 < 0
В приближенном расчёте полагают, что сопротивление комбинированного шва равно сумме сопротивлений составляющих швов или
SKIPIF 1 < 0 ,
где SKIPIF 1 < 0 и SKIPIF 1 < 0 - моменты, воспринимаемые фланговым и лобовым швами.
Если учесть, что по условиям равнопрочности необходимая длина фланговых шагов SKIPIF 1 < 0 в комбинированном соединении не превышает SKIPIF 1 < 0 , здесь модно применить формулу SKIPIF 1 < 0 для определения SKIPIF 1 < 0 . Для определения SKIPIF 1 < 0 используем формулу SKIPIF 1 < 0 и запишем SKIPIF 1 < 0 . В месте пересечения швов SKIPIF 1 < 0 и SKIPIF 1 < 0 одно и тоже напряжение, т.е. SKIPIF 1 < 0 . Обозначая это напряжение через SKIPIF 1 < 0 , после подстановки и несложных преобразований получим
SKIPIF 1 < 0 .
Напряжения в швах от действия силы SKIPIF 1 < 0 определяют по формуле SKIPIF 1 < 0 . Обозначив эти напряжения через SKIPIF 1 < 0 , то получим суммарное максимальное напряжение SKIPIF 1 < 0 .Оценивая соединения внахлестку, отметим, что формуле расходу материала они уступают соединениям встык, но не требуют обработки кромок.
Сварное соединение втаврВтавр (впритык) соединяют элементы, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Это соединение выполняют стыковым швом с разделкой кромок или угловыми швами без разделки кромок . При нагрузке, показанной на рис .прочность соединения определяют по формулам:
для стыкового шва SKIPIF 1 < 0
для угловых швов SKIPIF 1 < 0
Рис.4.1
При выводе формулы учтено, что напряжения от момента М распределяются по длине шва аналогично напряжениям изгиба в поперечном сечении балки. За расчетное сечение по-прежнему принято сечение по биссектрисе m — m.
На рис.показано соединение втавр, нагруженное изгибающим и крутящим моментами. Напряжения в шве от крутящего момента
SKIPIF 1 < 0
В уравнении принято, что катет шва k мал в сравнении с размером детали d. При этом можно считать, что напряжения τk распределены равномерно по кольцевой площадке разрушения шва, Равной 0,7kπdср, а средний диаметр этой площадки
dср=(d+0,7k)≈d
Напряжения в шве от изгибающего момента
τи=M/Wи≈4M/(0,7kπd2).
В этой формуле Wи для сварного шва определяют по сечению условной трубы с внутренним диаметром d и толщиной стенки 0,7 k. Для такого сечения приближенно Wи≈π/4(d2срt), где dср≈d — средний диаметр, а t ≈ 0,7 k — толщина стенки.
Напряжения τk и τи в сечении m — m. взаимно перпендикулярны: τk перпендикулярно к плоскости чертежа, а τи лежит в плоскости чертежа. Поэтому суммарное напряжение
SKIPIF 1 < 0
Соединение контактной сваркойСтыковая контактная сварка при соблюдении установленных правил технологии обеспечивает равно прочность соединения и деталей, поэтому можно не выполнять специальных расчетов прочности соединения при статических нагрузках. 4
Это справедливо только в том случае, если разогрев металла в зоне сварки не влечет за собой снижения его прочности (например, низкоуглеродистые и низколегированные конструкционные стали, не подвергающиеся термообработке). В противном случае допускаемое напряжение при расчете деталей в месте стыка снижают с учетом уменьшения прочности материала в зоне термического влияния. При переменных нагрузках допускаемые напряжения ; понижают против статических так же, как и для стыковых соединений дуговой сваркой (см. ниже).Точечная сварка применяется преимущественно для соединений деталей из тонкого листового материала при соотношении толщин ≤3. Диаметр сварной точки выбирают в зависимости от толщины, меньшей из свариваемых деталей:
d = 1,2 s+4 мм при s ≤ 3 ммd = 1,5 s+5 мм при s ≤ 3 ммМинимальный шаг t ограничивается явлением шунтирования тока ранее сваренной точкой. Расстояние от кромок t1 и t2 нормируется с учетом технологических и силовых факторов. Обычно принимают:t=3d; t1=2d; t2=1,5d
Соединения точечной сваркой работают преимущественно на срез.
SKIPIF 1 < 0
Где z-число сварных точек; i-число плоскостей среза. Для конструкции по рис. , а, z = 4,i = 1 , б, z = 2, 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 .Точечному соединению свойственно высокая концентрация напряжений. Поэтому оно сравнительно плохо работает при переменных нагрузках. Концентрация напряжений образуется не только в сварных точках, но и в самих деталях в зоне шва.
Рис.5.1
Это явление учитывают снижением допускаемых напряжений при расчете прочности деталей при переменных нагрузках .Точечные сварные соединения часто применяют не как рабочие, воспринимающие основную нагрузку, а как связующие (крепление обшивки к каркасу, продольные швы составных штампо -сварных балок и т. п.).
Ленточная или роликовая сварка при расчетах может рассматриваться как непрерывный ряд перекрывающих друг друга точек. Напряжения среза
SKIPIF 1 < 0
Исследования показывают, что концентрация напряжений в ленточных швах меньше, чем в точечных
Прочность сварных соединений и допускаемые напряженияПрочность сварного соединения зависит от следующих основных факторов: качества основного материала, определяемого его способностью к свариванию; совершенства технологического процесса сварки; характера действующих нагрузок (постоянные или переменные нагрузки).
Хорошо свариваются низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали. Высокоуглеродистые стали, чугуны и сплавы цветных металлов свариваются хуже.
Значительно снижают прочность такие пороки сварки, как не провары и подрезы , шлаковые и газовые выключения, скопление металла в месте пересечения швов и т. п. Эти дефекты являются основными причинами образования трещин как в процессе сварки, так и при эксплуатации изделий.
Влияние технологических дефектов сварки значительно усиливается при действии переменных и ударных нагрузок.
Эффективными мерами повышения прочности сварных соединений являются: автоматическая сварка под флюсом и сварка в среде защитных газов; термообработка сваренной конструкции ,наклеп дробью и чеканка швов. Эти меры позволяют повысить прочность сварных соединений при переменных нагрузках в 1,5 — 2 раза и даже доводить ее до прочности целых образцов. 1
При точечной сварке концентрация напряжений связана с сосредоточенной передачей нагрузки в зоне сварной точки, резкими переходами сечений в этой точке и др.
Многообразие факторов, влияющих на прочность сварных соединений, а также приближенность и условность расчетных формул вызывают необходимость экспериментального определения допускаемых напряжений. Нормы допускаемых напряжений устанавливают с учетом конкретных качеств сварки и характера нагрузки швов.
Для переменных нагрузок допускаемые напряжения, взятые из табл ., понижают умножением на коэффициент γ, меньший единицы [см. формулу ], а расчет выполняют по максимальному напряжению цикла (σmax или τmax) так, как если бы это нап