Сварные конструкции (часть 1) (Сварные конструкции), страница 6

Р ₌ [σ`]_сж sl, (2.7)

где s — толщина основного металла, так как усиление шва не учитывается; l — длина шва; [σ`]_p —допускаемое напряжение ра­стяжения сварного соединения; [σ]_сж—допускаемое напряжение сжатия сварного соединения.

Если [σ']_р = [σ]_р, то сварной шов равнопрочен основному металлу.

П ри работе элементов из высокопрочных сталей наиболее сла­бым участком в сварном соединении оказывается не металл шва, а прилежащая к нему зона, которая в резуль­тате термического дей­ствия дуги или образо­вания концентраторов напряжений может ока­заться разупрочненной. В таких случаях необ­ходимо заменить расчет прочности швов расче­том прочности соедине­ний в ослабленных зо­нах с учетом особен­ностей механических свойств металла, его термической обработки и других факторов, зависящих от конкретных условий. Если стыковой шов направлен под углом α к усилию (как правило, α = 45°), то его следует счи­тать равнопрочным основному элементу.

Нахлестанные соединения. В нахлесточных соединениях швы называются угловыми.

При ручной сварке угловые швы имеют различные очертания: нормальные, условно принимаемые очерченными в форме равнобед­ренного треугольника, выпуклые, вогнутые (рис. 2.2, а—в).

Выпуклые швы нецелесообразны ни с технической, ни с эконо­мической стороны. Они требуют больше наплавленного металла, вызывают концентрацию напряжений.

Целесообразны швы, имеющие очертания неравнобедренных тре­угольников с отношением основания шва к высоте 1,5:1; 2:1 (рис. 2.2, г, д). В швах этого типа иногда производят механиче­скую обработку концов, чтобы обеспечить плавное сопряжение наплавленного металла с основным (рис. 2.2. е). Подобного рода швы, как будет показано ниже, целесообразно применять в кон­струкциях, работающих при циклических нагружениях.

В широкой практике конструирования распространено приме­нение угловых швов с нормальными очертаниями (рис. 2.2, а). Размер катета углового шва нормального очертания обозначают К.

Угловые швы при сварке под слоем флюса получаются с более глубоким проплавлением, чем при ручной сварке. Их очертания показаны на рис, 2.3 Расчетная высота шва зависит от глубины проплавлення, от технологического процесса сварки. Она опреде­ляется величиной Kβ. При ручной и многопроходной автоматиче­ской и полуавтоматической сварке β = 0,7; для двух- и трехпроходной полуавтоматической сварки β = 0,8; для двух- и трехпроходной автоматической сварки и однопроходной полуавтоматической сварки β — 0,9; для одно­проходной автоматической сварки β = 1,1.

Наименьшая толщина рабочих швов в машино­строительных конструкци­ях 3 мм. Исключение со­ставляют конструкции, в которых толщина самого металла меньше 3 мм. Верхний предел толщины швов не ограничен, но применение швов, у кото­рых К ≥ 20 мм, встреча­ется редко. В местах зажигания и обрыва дуги механические свойства швов ухудшаются, поэтому минимальную длину рабо­чих швов целесообразно ограничивать и принимать равной 30 мм. Швы меньших размеров применяют лишь в качестве нера­бочих соединений. В зависимости от направления угловых швов по отношению к действующему усилию их разделяют на лобо­вые, косые, фланговые, комбинированные.

Лобовые швы направлены перпендикулярно усилию. В соедине­нии, показанном на рис. 2.4, а, усилие Р передается двумя лобовыми швами. Вследствие эксцентриситета элементы несколько искривляются. Расстояние между лобовыми швами следует прини­мать С ≥ 4s. На рис. 2.4, б усилие Р передается через один лобовой шов на накладку; далее это же усилие переходит с накладки на второй лист. Таким образом, в соединении этого рода имеется лишь один расчетный шов.

Рассмотрим несущую способность угловых швов. В лобовом шве возникает несколько составляющих напряжений (рис. 2.4, в): нормальные напряжения σ на вертикальной плоскости шва и каса­тельные т на горизонтальной.

По методу, принятому в инженерной практике, расчет проч­ности лобовых швов производится на срез. Этот метод является условным и приближенным. При статических нагрузках и треугольном очертании шва слабым сечением считают наименьшее сечение, совпадающее с биссектрисой О—О прямого угла. По этой плоско­сти проверяют прочность лобового шва; напряжение при этом не должно превышать допускаемого [τ'].

Формула определения допускаемого усилия Р для соединения, состоящего из одного расчетного лобового шва (рис. 2.4, б), имеет следующий вид:

Р = [τ']βKl, (2.8)

и для соединения, приведенного на рис. 2.4, а, —

Р = 2[τ'] βKl, (2.9)

где βK — расчетная высота шва, l — длина шва.

Фланговые швы направлены параллельно усилию (рис. 2 4, г). В них возникают два рода напряжений. В результате совместной деформации основного и наплавленного металла во фланговых швах образуются связующие напряжения. Как было указано выше, их не учитывают при определении прочности соединения. По пло­скостям соприкосновения валика флангового шва с каждым из ли­стов, а также в самом валике возникают напряжения среза, которые являются рабочими напряжениями соединения.

Расчет прочности швов производится по опасной плоскости среза, совпадающей с биссектрисой прямого угла. Расчетная фор­мула несущей способности составлена в предположении, что напря­жения вдоль флангового шва распределены равномерно.

Для конструкции, приведенной на рис. 2.4, г, расчетная фор­мула имеет вид

Р = 2[τ']βKl. (2.10)

С учетом концентрации напряжений (см. § 12) расчетная длина фланговых швов l ≤ 50K.

Косые швы направлены к усилию под некоторым углом (рис. 2.4, д). Их часто применяют в сочетании с лобовыми и фланю-иыми.

Расчет прочности косых швов производится аналогично описан­ному выше:

P = [τ']βKl. (2.11)

Пример комбинированных швов приведен на рис. 2.4, е.

Распределение усилий в отдельных швах, составляющих комби­нированное соединение, не одинаково. Однако расчет прочноаи комбинированных соединений производится согласно хорошо из-иесшому из курса сопротивления материалов принципу незави­симости действия сил. В соединении с лобовыми и фланговыми швами определение несущей способности следующее:

Р = Р_л + Р_фл, (2.12)

где Р — допускаемое усилие для комбинированного соединения, Р_л, — допускаемое усилие для лобового шва; Р_фл,— допускаемое усилие для фланговых швов. Таким образом,

Р = [т'](βKl_л + 2βKl_фл). (2.13)

Если катеты всех швов, входящих в состав комбинированного соединения, равны между собой, то

P = [τ']βKl, (2.14)

|де L—длина периметра швов. Этим соотношением пользуются при расчете соединения, показанного на рис. 2.4, е.

Некоторую особенность представляет расчет прочности швов, прикрепляющих уголок, работающий под действием продольной силы. Принимаем, что усилие Р в уголке действует в плоскости прикрепленной полки (рис. 2.4, ж).

Усилие, воспринимаемое лобовым швом,

Р_л = [τ']βKl_л (2.15)

Эксцентриситет приложения силы в расчете не учитывается. Усилие, передаваемое на фланговые швы,

Р_фл = Р-Р_л (2.16)

Это усилие распределяется между швами обратно пропорцио­нально расстоянию от оси уголка до обеих кромок. Таким образом, усилие в шве l₁ будет

P₁ = P_флl_л1/l₁, (2.17)

усилие в шве l₂

Р₂ = Р_фяl_л2/l_1л (2-18)

При расчете прочности прикреплений равнобоких уголков приближенно можно принять

P₁ = 0,ЗР_фл; Р₂ = 0,7Р_фл (2.19)

Касательные напряжения в швах равны

τ₁ = P₁/(βKl_л1); τ₂ = Р₂/(βKl_л2). (2.20)

Напряжение в каждом из фланговых швов не должно превышать допускаемого [τ'].

Конструктивно можно увеличить длину l₁ относительно разме­ров, требуемых по расчету прочности, до значения l₂.

Более точный метод расчета предусматривает учет не только срезывающей силы, но и момента силы относительно центра тяже­сти сечения швов (см. §10).

Тавровые соединения. Применяют для соеди­нения элементов, распо­ложенных во взаимно перпендикулярных пло­скостях. Тавровые сое­динения обычно можно выполнять без подготов­ки кромок (рис. 2.5, а). На рис. 2.5, б пока­заны тавровые соедине­ния с односторонней подготовкой кромок и подваром при толщине листов от 4 до 26 мм, а на рис. 2.5, е — с двусторонней подготов­кой кромок для элементов толщиной 12—60 мм.

При работе соединений (рис. 2.5, а) на растяжение расчетная формула прочности имеет такой вид:

Р = 2[τ']βК1, (2.21)

а для соединения, приведенного на рис. 2.5, б, в,

P = [σ']_p sl. (2.22)

При работе узла, изображенного на рис. 2.5, а, на сжатие усилие Р в действительности частично передается с горизонталь­ного листа на вертикальный через плоскость соприкосновения ли­стов. Проверка прочности швов соединения в этом случае производится исходя из условного предположения, что усилие передается через швы. При этом [τ'] повышается до величины [σ']_сж.

При сварке полуавтоматами тавровые соединения могут выпол­няться угловыми точечными швами (рис. 2.5, г). Применение точеч­ных швов целесообразно главным образом в конструкциях с толщи­ной листов s ≤ 4 ÷ 5 мм.

Угловые соединения. Угловые соединения, выполняемые дуго-1юй сваркой вручную, показаны на рис. 2.6, а.

При автоматическом и полуавтоматическом способах сварки

соединения имеют вид, приведенный на рис. 2.6, б (s = 10 ÷ 14 мм). и на рис. 2.6, в (s =

= 10 ÷ 40 мм).

Угловые соединения в основном применяются в связующих элементах и расчету на прочность не подлежат.

Пробочные проплавные соединения. Пробочные соединения ставят при нахлесточном расположении листов, проплавляя верхний более тонкий лист, в результате чего образуются круглые проплавные сварные соединения (рис. 2.7).

Пробочные соединения рациональны при толщине верхнего листа s не более 5 мм.

При применении усовершенствованного оборудования с прину­дительной подачей электродной проволоки в зону дуги можно сва­ривать проплавными пробочными соединениями элементы толщиной более 12 мм. Такие соединения можно получить сверлением отвер­стий в одном из соединяемых лис­тов и заполнением их наплавлен­ным металлом. При этом диаметр отверстий d может достигать 40 мм. Разработаны установки для вы­полнения пробочных соединений различных марок сталей в защит­ной среде СО₂.

Ввиду простоты оборудования и высокой производительности процесса проплавные пробочные соединения весьма экономичны. Их применяют, в частности, при изготовлении конструкций сельско­хозяйственных машин.

В большинстве случаев пробочные соединения являются связу­ющими и рабочих усилий не передают. Расчет прочности соедине­ний, участвующих в передаче усилий, производят аналогично рас­чету прочности точечных соединений при контактной сварке.

Дуговые соединения алюминиевых сплавов. Дуговой сваркой сваривают практически все алюминиевые сплавы, но свариваемость их различна. Сварные соединения алюминиевых сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений по сравнению с рядом сталей, применяемых в конструкциях (см. § 2 гл. 1). Поэтому к соединениям из алюминиевых сплавов предъяв­ляют ряд требований к их конструктивному оформлению и предот­вращению повреждений изделий в процессе производства. На рис. 2.8 приведены рациональные виды сварных соединений при сварке алюминиевых сплавов.

На рис. 2.9, а, б приведены примеры стыковых соединений де­талей из алюминиевых сплавов разных толщин при отсутствии экс­центриситета, а на рис. 2.9, в, г — при наличии эксцентриситета.

Предусмотрены варианты плавных сопряжений радиусом r швоб с основным металлом (рис. 2.9, а, в). Это сделано в целях устране­ния концентраторов напряжений, понижающих предел прочности соединений (рис. 2.9, б, г).