Рис. 10.27. Основные типы сварных соединений:
и) стыковые соединения: 1 — двухсторонним швом со скосом кромок, 2 двух сторонним швом со скосом одной кромки; 3 - односторонним швом со скосом кромки;
4 — односторонним швом без скоса кромки; б) угловые соединения: 1 - односторонним швом со скосом кромок; 2 - двух
сторонним швом со скосом кромок; 3 — накладным швом со скосом двух кромок, в) тавровые соединения: 1 — односторонним швом со скосом кромок, 2 — двух
сторонним швом со скосом кромок; 3 - односторонним швом без скоса кромок; г) нахлесточные соединения: 1 - односторонним швом без скоса кромок; 2 -
Двухсторонним швом без скоса кромок.
Сварные швы рассчитывают по прочности из условий предель ного состояния первой группы (рис. 10.27). В стыковом шве при дей ствии на него центрально-приложенной силы N распределение на пряжений по длине шва считается равномерным, рабочая толщина шва принимается равной меньшей из толщин соединяемых элемен тов. Поэтому напряжения в шве, расположенном перпендикулярно оси элемента, при сжатии — растяжении (рис. 10.28.а.1), определя ются по формуле:
|
С,«ч=МДв1<Кву • Тс |
(10.2) |
откуда |
4»=^Ш«у-ус, |
(10.3) |
где: N |
— расчетное усилие; |
|
X |
— рабочая толщина шва; |
|
/а, |
— расчетная длина шва, равная его полной длине, если нача |
|
|
ло и конец шва выведены за пределы стыка; |
|
Ка,у— расчетное сопротивление сварного стыкового соединения |
||
Ус |
сжатию или растяжению; |
|
— коэффициент условий работы элемента. |
|
|
В ином случае: |
|
|
|
|
(Ю.4) |
где / — фактическая длина шва.
Расчетное сопротивление стыкового соединения при сжатии не зависит от методов контроля Ка,у=Ку При осевом растяжении или изгибе сварного соединения, не проверенного физическими метода ми контроля, К«у=0,85Ку При сдвиге соединения Кшу=К5, где Ку и Кз — расчетные сопротивления основного металла.
В тех случаях, когда необходимо снизить напряжение, следует рассчитывать и косые швы (рис. 10.28.а.2). Первоначально действу ющее усилие распределяют по направлениям перпендикулярно и вдоль оси шва. Затем находят напряжения перпендикулярно шву:
|
Ощу= |
(10.5) |
и вдоль шва: |
|
|
|
т"у=ы \ с°1~ <Км,' 7с; |
(10-6) |
в |
21 — расчетная длина шва. |
(10.7) |
где ^ш= |
При действии изгибающего момента «М» на соединение (рис. 10.28.а.З) напряжения в шве определяется по формуле:
298
_ = М = 6М |
( 10.8) |
*Ус |
|
где Ж* — момент сопротивления шва. |
|
При действии изгибающего момента и поперечных сил: |
|
а й)= ^о2а)Х+ а 2с1)У- а й)Ха шу+Зт2а>ху <1915Кдау • уСэ |
(10.9) |
где: а** и ошу — нормальные напряжения в сварном соединении по двум взаимно перпендикулярным направлениям;
Тшху — напряжение от среза.
Угловые швы могут быть фланговыми или лобовыми. Фланго вые швы, расположенные по кромкам прикрепляемого элемента па раллельно действующему усилию, вызывают большую неравномер ность распределения напряжений по длине и ширине соединения.
Неравномерность работы шва по длине заставляет ограничивать расчетную длину шва на величину не менее 4 Кг, или 40 мм, и не более 85рКг (за исключением швов, в которых усилие возникает на всем протяжении шва, например, поясные швы в балках). В соответ ствии с характером передачи усилий фланговые швы работают одно временно на срез и изгиб. Разрушение шва обычно начинается с конца и может происходить как по металлу шва, так и по основному металлу на границе его сплавления с металлом шва, особенно, если наплавленный металл прочнее основного. Лобовые швы передают усилия равномерно по ширине элемента, но неравномерно по тол щине шва вследствие резкого искривления силового потока при пе реходе усилия с одного элемента на другой. Особенно велики на пряжения в корне шва.
Уменьшение концентрации напряжений в соединении может быть достигнуто плавным примыканием привариваемой детали, механи ческой обработки поверхности шва и конца накладки, увеличением пологости шва, применением вогнутого шва и увеличением глубины проплавления. Эти приемы уменьшения концентрации напряжений в соединении желательно применять в конструкциях, работающих на переменные нагрузки или при низкой температуре.
Разрушение лобовых швов от совместного действия осевых, изгибных и срезающих напряжений происходит аналогично фланго вым швам по двум сечениям. Ввиду сложности действительной ра боты угловых швов расчет их носит условный характер и должен быть подтвержден экспериментальными данными. Угловые швы рас считывают независимо от их ориентации по отношению к дейст вующему усилию. Усилие принимают равномерно рспределенным вдоль шва. В расчете рассматривают возможность разрушения шва от условного среза по одному из двух сечений:
— по металлу шва:
N |
^КшгУ*гУс, |
( 10. 10) |
Рг-Кг-4 |
299
— по металлу границы сплавления:
р • Кг* I |
(10.11) |
где: К; — катет шва; р/И рг — коэффициенты глубины проплавления шва зави
сят от вида сварки и положения шва для сталей
с пределом текучести а т<580 МПа;
Л— расчетная длина шва, принимаемая меньше его фак тической длины на 10 мм за счет непровара и крате ра на концах шва;
Ужи у*/ — коэффициенты условий работы сварного соединения; Я„/и Як — расчетные сопротивления срезу металла шва.
При расчете следует определить, какая из двух проверок будет иметь решающее значение. С этой целью сравнивают величины про изведений РгК*ги р2К*г. Меньшее из них будет иметь решающее зна чение.
Удобнее определить необходимую длину швов, задаваясь их Кг:
N
■* Кг(рК») • у» • ус |
( 10. 12) |
|
|
где (РКк) т!„— меньшее из значений: Р/Д„/и ргА*. |
|
Если значение I» превышает 85рКг, то определяют Кг: |
|
Кг= ^ 8 5 К „ Ку„-ус' |
(1(Ш) |
При действии силы на «фасонку», прикрепленную двумя угловы ми швами к элементу, на швы будут действовать сдвигающая сила и изгибающий момент. Напряжения от силы сдвига и момента, дей ствующие на одну площадку, но в перпендикулярных направлениях, должны геометрически суммироваться:
— по металлу шва:
а ш=^(Н/2РгКЛ)2+(6М/2РгКЛ2)ЧК„гу»гУс; |
(10.14) |
— по металлу границы сплавления:
(10.15)
При действии изгибающего момента на прямоугольный элемент, приваренный угловыми швами к конструкции, нормальные напря жения в швах рассчитывают по формулам:
300
— по металлу шва:
( 2л
а ш=М/\Уш=[м/2(РгКг) -|]=ЗМ /ргКЛ 2< К Л Л с; |
(Ю. 16) |
— по металлу границы сплавления: |
|
аш=ЗМ/ргКЛг<Кмутеус, |
(101?) |
где (у, — расчетная длина одного шва.
При креплении угловыми швами нессиметричных профилей же лательно, чтобы линия действия усилий проходила через центр тяжести соединения, т. е. площади швов должны быть распределены обратно пропорционально расстояниям от шва до оси элемента.
Таким образом, при общей требуемой площади швов:
Аг=(рКг)тХ = к ^ . |
(Ю-18) |
Площадь большего шва на «обушке» уголка:
А^АНЬ-ТоУЬ. (Ю.19)
Площадь меньшего шва на «пере» уголка:
АГ=А&о/Ъ. (10.20)
При расчете сварных соединений алюминиевых конструкций нуж
но учитывать свойственные им особенности:
— стыковые швы, расположенные перпендикулярно действую щей силе, при сжатии или растяжении рассчитывают по формуле:
( 10.21)
— угловые швы, работающие на срез, рассчитывают по формуле:
|
N |
(10.22) |
|
(РгКг)^<1иус’ |
|
где: / — |
наименьшая толщина соединяемых элементов; |
|
р/ — |
0,9 — при автоматической одно- и двухпроходной сварке |
|
|
и 0,7 — при автоматической многопроходной, ручной и |
|
К/ — |
полуавтоматической сварке; |
|
катет шва; |
|
|
уе — коэффициент условий работы конструкции (0,6^0,9); |
||
д, — |
расчетная длина одного шва. |
|
Комбинированные соединения (рис. 10.28.г) рассчитывают при условии, что напряжения в стыковом шве и в накладке равны.
301
При расположении накладок с двух сторон напряжение в стыко вом шве определяют по формуле:
а=^(Ал+ЕА„)<К*у • ус, |
(10.23) |
где: Ал — площадь сечения соединяемых листов; ЕЛ — сумма площадей сечения накладок;
К„у — расчетное сопротивление стыкового шва растяжению или сжатию.
Требуемая длина угловых швов, соединяющих накладку с одной стороны стыка:
1Чн |
(10.24) |
2&= (рьи)т1пк*ус 5 |
|
где Н,=А„ • о — усилие в накладке. |
(10.25) |
При соединении элементов металлических конструкций на свар ке следует иметь в виду факторы, являющиеся причиной хрупкого разрушения.
Хрупкому разрушению металла способствуют пя т ь о с н о в н ы х фа к т оров:
1.Низкая температура эксплуатации.
2.Высокая скорость нагружения.
3.Наличие конструктивных и технологических концентрантов на пряжения.
4.Большие сечения свариваемых элементов.
5.Неблагоприятная микроструктура проката.
Разрушение, как правило, зарождается в сварных швах, краях отверстий и сопряжениях элементов конструкций. Хрупкие разру шения обычно происходят неожиданно, мгновенно, имеют тяжелые последствия, и возникают, как правило, при сочетании нескольких неблагоприятных факторов. Горячие трещины в сварных соедине ниях образуются непосредственно в процессе сварки при кристалли зации металла шва, при остывании шва при еще высокой температу ре металла. Кристаллизирующийся металл разрушается под воздей ствием растягивающих напряжений.
Чувствительность металла к образованию кристаллизационных трещин возрастает с увеличением в его составе углерода, кремния, серы и фосфора. Отрицательные воздействия серы и фосфора взаим но усиливаются, а марганец препятствует образованию кристаллиза ционных трещин. Содержание углерода в строительных сталях не дол жно превышать 0,22%. Холодные трещины образуются при остыва нии сварных швов ниже 200°С и являются типичным дефектом. Они могут возникать через 1—2 суток после окончания сварки. Склонность к образованию холодных трещин снижается при понижении в строи тельных сталях углерода и других легирующих элементов.
302