Сварные конструкции (часть 1) (Сварные конструкции), страница 5

Для швов второй группы сталей допускаемые напряжения наз­начаются на основе специально проведенных экспериментов в усло­виях, соответствующих работе проектируемой сварной конструк­ции, видам соединений и т. д.

Аналогичным образом допускаемые напряжения назначаются на основе специальных экспериментов для соединения сталей первой группы при сварке холодным способом, трением, ультразвуком и другими специальными методами.

Определение действительного распределения напряжений с уче­том их концентрации в элементах и соединениях бывает трудным и при оценке работы конструкции, нагруженной статически, в боль­шинстве случаев себя не оправдывает.

Излагаемые ниже методы расчета прочности ставят задачи оценить несущую способность, т. е. допускаемое усилие для про­ектируемых объектов и соединений, не определяя действительного распределения напряжений. Проектант принимает упрощенную схему напряженного состояния без учета концентрации напряже­ний, которая для него становится руководящей. Несущая способ­ность конструкции определяется или по разрушающему напряже­нию σ_в и коэффициенту запаса п₁ или по напряжению σ_г, вызываю­щему текучесть, и коэффициенту запаса п₂, который меньше п₁. Расчеты проводятся на основе элементарных методов сопротивле­ния материала.

Более глубокий анализ напряженного состояния, имеющего ме­сто в сварных объектах, и определение коэффициентов концентра­ции напряжений в них осуществляются на базе теории упругости и пластичности. Такие пути определения напряжений бывают не­обходимы при оценке прочности конструкции под переменными нагрузками, для установления с позиций механики материалов условий распространения возникших в изделиях трещин, а также при учете собственных напряжений, вызванных сварочным про­цессом.

Методы определения напряжений в дополнение к излагаемым методам определения несущей способности будут рассмотрены в § 13.

§ 2. Сварные соединения, выполненные дуговом сваркой

Существует несколько наиболее распространенных способов дуговой сварки.

Ручная дуговая сварка является универсальным технологиче­ским процессом. Этим способом сваривают конструкции во всех пространственных положениях, из разных марок сталей, цветных сплавов в случаях, когда применение автоматических и полуав­томатических методов не представляется возможным, например при отсутствии требуемого оборудования, недостаточного осво­ения технологического процесса.

Соединения при автоматической и полуавтоматической сварке под слоем флюса, разработанной Институтом электросварки им. Е. О. Патона совместно с другими НИИ и заводами, широко применяются на заводах машиностроительной и строительной про­мышленности. Автоматической сваркой под флюсом сваривают из­делия с широким диапазоном изменения толщин, как правило, от 1 до 50 мм, иногда и более.

Применение автоматической и полуавтоматической дуговой сварки в среде защитного углекислого газа, разработанной ЦНИИТМашем, Институтом электросварки им. Е. О. Патона, МВТУ и другими организациями, непрерывно расширяется. Этим способом производится укладка швов во всех пространственных положениях, хорошо свариваются элементы малых, средних и больших (до нескольких десятков миллиметров) толщин из углеро­дистых, низколегированных и некоторых высоколегированных сталей.

Конструкции из аустенитных, мартенситных и ферритных жаропрочных, теплоустойчивых сталей, многих алюминиевых, титановых, медных, магниевых и других сплавов также успешно свариваются в среде защитных газов.

Сварные соединения должны быть по возможности равнопроч­ными с основным металлом элементов конструкций при всех тем­пературах во время эксплуатации, а также при всех видах нагрузок (статических, ударных и вибрационных).

Слабыми участками в сварных соединениях могут быть швы, зоны термического влияния и сплавления. Зоной термического влияния называют участок основного металла, прилегающий к швам, который в результате сварки изменяет механические свойства.

Последнее обстоятельство особенно имеет место при сварке термичечески обработанных, а также нагартованных сталей и сплавов.

Улучшение механических свойств сварных соединений достигается: 1) выбором рациональной конструктивной формы соедине­ния; 2) применением рациональных методов сварки; 3) термической и механической обработкой сварных конструкций после сварки.

Конструкции с равнопрочными сварными соединениями отвечают требованиям экономичности. Избыточная прочность сварного сое­динения по сравнению с целым элементом удорожает конструк­цию и не улучшает условий ее эксплуатации. Недостаточная проч­ность сварного соединения снижает несущую способность всей конструкции и не позволяет полностью использовать рабочие сечения ее элементов. Поэтому из условия равнопрочности расчет­ные усилия соединений определяют:

при растяжении

P = [σ]_pF; (2.3)

при сжатии

P = [σ]_сжF; (2.4)

при изгибе

M = [σ]_pW, (2.5)

где [σ]_p — допускаемое напряжение при растяжении; [σ]_сж — допускаемое напряжение при сжатии; F— площадь поперечного сече­ния; W— момент сопротивления сечения.

В конструкциях со сварными соединениями в металле швов могут возникать напряжения двух родов: рабочие и связующие. Чтобы установить различие между рабочими и связующими напря­жениями, рассмотрим несколько примеров.

На рис. 2.1, а изображены две полосы, соединенные стыковым швом. Полосы подвергаются растяжению. Очевидно, что при разрушении шва разрушится и вся конструкция. То же самое произой­дет и в соединении, изображенном на рис. 2.1, б.

Сварные соединения, разрушение которых влечет за собой выход из строя конструкции, будем называть рабочими, а напряжения, действующие в этих соединениях, — рабочими напряжениями.

Совершенно иначе работает наплавленный металл в шве, соеди­няющем две полосы, показанные на рис. 2.1, в. Наплавленный металл, соединяющий полосы, деформируется вместе с основным металлом; при этом в нем возникают напряжения. Если модуль упругости наплавленного металла незначительно отличается от модуля упругости основного, то в швах при их работе в преде­лах упругих деформаций образуются напряжения приблизительно той же величины, что и в растягиваемых полосах. Эти напряже­ния, возникающие в швах, вследствие их совместной работы с ос­новным металлом во многих случаях не опасны для прочности конструкции и называются связующими. Пример связующих швов показан и на рис. 2.1, г.

При расчете прочности сварных соединений определяют только рабочие напряжения. Исследования подтверждают, что в большин­стве случаев при анализе прочности сварных конструкций связую­щие напряжения можно не учитывать.

Основными типами сварных, соединений являются соединения стыковые, нахлесточные, тавровые, угловые. В сварных конструк­циях наиболее целесообразны стыковые соединения.

Стыковые соединения. Подготовка кромок стыкового соедине­ния определяется технологическим процессом сварки и толщиной соединяемых элементов. В табл. 2.5 приведены примеры подго­товки кромок стыковых соединений при сварке под флюсом по ГОСТ 8713—70. Можно видеть, что обозначения Cl, C2 и т. д. соот­ветствуют определенному характеру выполнения шва (односторон­ний, двусторонний, на подкладке и т. д.) и форме подготовленных кромок. При других методах дуговой сварки подготовка кромок регламентируется ГОСТ 14771—76 (в защитном газе) и 5264—69 (ручная).

При выполнении многослойных стыковых швов в защитном газе все чаще используют щелевую подготовку кромок без их скоса. Этот прием требует тщательной укладки слоев, его применяют при сварке элементов толщиной до 50 мм. Как правило, стыковые швы делают прямыми, т. е. направленными перпендикулярно дей­ствующим усилиям.

Таблица 2.5

Примеры стыковых соединений, выполняемых сваркой под флюсом (по ГОСТ 8713—70)

Примечание, Обозначение способов сварки рассмотрено в § 9 настоящей главы.

Если элемент работает на растяжение, то допускаемое усилие в сварном стыковом соединении

P = [σ`]_p sl; (2.6)

при сжатии