Сварные соединения и их расчёт

Соединение деталей при помощи сварки является наиболее совершенной и распространенной в настоящее время разновидностью неразъемных соединений. Классификация сварных соединений представлена на рис.5

Сварные соединения имеют большие преимущества: проще технология подготовительных операций, процесс сварки производителый и экономичный, допускает широкое применение автоматизации, бесшумен, обеспечивает непроницаемость соединения. С помощью сварки возможно создание позволяет добиться заметного снижения веса конструкций и экономии материала почти всегда на 15— 20%, а в некоторых случаях до 30—50% и более.

Это снижение веса обусловлено большим значением коэффициента прочности сварных швов (φ_пр →1) по сравнению с заклепочными (φ_пр ≈ 0,5…0,8), возможностью придания деталям более выгодных по прочности и жесткости форм, устранением сдваивания материала, неизбежного при клепке. [ где - предел прочности образуемого материала.

К недостаткам сварки следует отнести ее чувствительность к вибрационным нагрузкам, высокие коэффициенты концентрации напряжений, особенно для некоторых типов швов, коробление деталей сложной конфигурации, сложность и трудоемкость контроля качества сварных швов.

По мере совершенствования технологии сварки и методов контроля ее качества недостатки этого прогрессивного процесса неуклонно снижаются.

Отмеченные преимущества сварки позволили этому процессу за короткий период занять одно из ведущих мест в технике. В настоящее время свариваются детали, изготовленные из черных металлов, многих цветных металлов и пластмасс.

Применяются следующие типы технологических приемов сварки:

Рис. 6. Существующие виды сварки.

Сварка плавлением: термитная (рис. 6, д), газовая (рис. 6, е), электродуговая (рис. 6, ж) и ее разновидности. Здесь свариваемые детали нагреваются в зоне сварки (в пламени термита, газа, электрической дуги) до плавления. Одновременно плавится и подводимый присадочный металл, заполняя зазор между соединяемыми деталями.

Рис. 5. Классификация сварных соединений.

К этому же виду сварки относятся диффузионно-вакуумную, а также холодную сварку некоторых цветных металлов (алюминия) и пластмасс, в том числе ультразвуковую.

Наиболее распространенной является злектродуговая сварка (изобретенная русскими инженерами Н. И. Бенардосом и Н. Г. Славяновым в восьмидесятых годах 19 века) неплавящимся угольным или чаще всего плавящимся металлическим электродом. Процесс сварки ведется вручную (при коротких, неудобно расположенных швах) или автоматически (при длинных швах и серийном производстве).

Для предохранения расплавленного металла от вредного воздействия воздуха (окисления и насыщения азотом) используются шлакообразующие флюсы или среда защитного газа (аргона, углекислого газа).

Легко свариваемыми материалами являются низкоуглеродистые стали. Для высоколегированных сталей, чугунов и цветных металлов требуются с целью получения хороших результатов специальные приемы сварки (предварительный подогрев, специальные электроды, защитная среда и др.).

По конструкции различают сварные швы:

Встык (рис.7). Это наиболее распространенная и экономичная конструкция, обеспечивающая наименьшие вес и концентрацию напряжений в зоне шва. Для обеспечения надлежащего провара в зависимости от толщины свариваемых деталей s необходимо применять подготовку кромок под сварку. Швы делаются бесскосными (рис. 7, а) с обратной подваркой или на подкладке (при ручной сварке и s≤8…10 мм), V-образными (рис. 7,б; s=до 20…25 мм), U-образными (рис. 7, в) или Х-образными (рис. 7,г; s>20…25 мм). При автоматической сварке соответствующие толщины s, определяющие способ подготовки кромок, повышаются примерно в 1,5 раза.

Рис. 7. Сварные швы встык

Угол раскрытия шва α = 30…70°; зазор а =1…3 мм, размер u ≈ а при ручной сварке и u = (0,3…0,5)s— при автоматической. Меньшие значения а, а, и относятся к малым s и автоматической сварке, большие —к большим s и ручной сварке.

Повышенную прочность шва, гарантированно не меньшую, чем для целой детали, обеспечивает косой шов встык (рис. 7, д).

Рис. 8. Сварные швы внакрой (внахлёстку).

Внакрой (внахлестку — рис. 8). Конструкция менее выгодная, но нередко применяемая в металлоконструкциях. Осуществляется с помощью так называемых угловых (валиковых) швов нормального (рис. 4, а), облегченного (рис. 8, б) или улучшенного (рис. 8, г) типов. Вогнутые швы облегченного типа получаются механической обработкой нормальных швов глубокого проплавления.

В зависимости от расположения шва относительно направления внешнего усилия F различают швы лобовые (рис. 8, г), фланговые (рис. 8, д) и комбинированные (рис. 8, е).

Втавр (впритык — рис. 9). Очень распространенные виды швов в составных машиностроительных конструкциях. В зависимости от толщины привариваемой детали s их выполняют, как и стыковые, без подготовки кромок (рис. 9, а), с односторонней (рис. 9, б) или двусторонней (рис. 9, в) разделкой кромок. При автоматической сварке во всех случаях могут быть получены швы наилучшего качества с глубоким проплавлением (рис. 9, г). Разновидностью швов втавр является шов с заваркой угла соединения (рис. 9, д). Такие швы дают возможность получить красивую гладкую конструкцию, но малопригодны как силовые. Предпочтительней шов втавр с перепуском одной из деталей

Рис. 9. Сварные швы втавр Рис. 10. Точечная и роликовая (впритык). сварка.

Контактная точечная (рис. 6, а) и ленточная (герметичная— рис. 6, 6) сварка применяются при массовом изготовлении деталей из относительно тонких металлических листов (s<8…10 мм) и пластмасс. Размер d~ (l,5…2,0)s. Остальные размеры (t, e и др.) примерно те же, что и для заклепочных соединении.

Расчёт на прочность сварных швов

По ориентации относительно приложенных сил различают:

• лобовые швы – перпендикулярные силам;

• фланговые швы – параллельны силам;

• косые швы – под углом к силам.

Эти виды швов в различных сочетаниях применяются в разных соединениях.

Соединения встык обычно выполняются лобовыми швами. При качественной сварке соединения разрушаются не по шву, а в зоне температурного влияния. Поэтому рассчитываются на прочность по сечению соединяемых деталей без учёта утолщения швов. Наиболее частые случаи – работа на растяжение и на изгиб.

Рис.11. Лобовой шов, нагруженный силой и моментом

Напряжения растяжения: s_раст=Q/S=Q/bd ≤ [s^раст]_шва. (4.2)

Напряжения изгиба: s_изг = M_изг / W = 6 M_изг / bd ² ≤ [s^изг]_шва. (4.3)

Допускаемые напряжения шва [s ^раст]_шва и [s ^изг]_шва принимаются в размере 90% от соответствующих допускаемых напряжений материала свариваемых деталей. При совместном действии усилия Q и момента Μ (по суммарному напряжению)

С оединения внахлёстку выполняются лобовыми, фланговыми и косыми швами.

Рис.12. Лобовые швы и касательные напряжения

Лобовые швы в инженерной практике рассчитывают только по касательным напряжениям. За расчётное сечение принимают биссектрису m-m, где обычно наблюдается разрушение. Расчёт только по касательным напряжениям не зависит от угла приложения нагрузки. При этом τ = Q / (0,7 k l) ≤ [τ']_шва. (4.5)

Фланговые швы характерны неравномерным распределением напряжений, поэтому их рассчитывают по средним касательным напряжениям.

При действии растягивающей силы касательные напряжения

равны:

τ = Q / (2*0,7 d l) ≤ [τ']_шва. (4.6)

При действии момента:

τ = M / (0,707 k d l) ≤ [τ']_шва. (4.7)

Если швы несимметричны, то нагрузка на фланговые швы распределяется по закону рычага F_1,2 = F l_1,2 / ( l₁ + l₂), где l₁ и l₂ – длины швов.

При этом швы рассчитывают по соответствующим нагрузкам, а длины швов назначают пропорционально этим нагрузкам. Касательные напряжения в швах

τ_1,2 = Q_1,2 / (1,414 d l_1,2 ) ≤ [τ']_шва. (4.8)

Рис.13. Фланговые швы, нагруженные силой и моментом

.

Рис.14.Нессиметричные швы

Рис. 15. Косой шов

Косые швы рассчитываются аналогичным образом. Нагрузка F раскладывается на проекции в продольном и нормальном направлениях к шву, а далее выполняются расчёты лобового и флангового швов.

Комбинированные лобовые и фланговые швы рассчитывают на основе принципа распределения нагрузки пропорционально несущей способности отдельных швов. При действии силы Q касательные напряжения равны:

τ_F = Q / [0,7 k ( 2l_ф+ l_л )] ≤ [τ']_шва. (4.9)

Если действует момент M, то

τ_M = M / [0,7 k l_л ( l_ф+ l_л /6)] ≤ [τ']_шва. (4.10)

Рис. 16. Комбинированный шов

При совместном действии силы и момента касательные напряжения складываются τ = τ_М + τ_F ≤ [τ']_шва.

Т авровые и угловые швы соединяют элементы в перпендикулярных плоскостях. Выполняются либо стыковым швом с разделкой кромок (рис.16,а), либо угловым без разделки кромок (рис.16,б). При нагружении изгибающим моментом и силой прочность соединения оценивают: при действии силы Q и момента М (рис.17).

Рис.16. Рис.17. Напряжения в тавровом

соединении

для стыкового шва (а) по нормальным напряжениям

s = 6M/ (bd²) + Q / (ld ) ≤ [s^раст]_шва, (4.11)

для углового шва (б) по касательным напряжениям

τ = 6M/(1,414 l²k)+ Q / (1,414 l k ) ≤ [τ']_шва. (4.12)

В любом случае для расчёта самых сложных сварных швов сначала необходимо привести силу и момент к шву и распределить их пропорционально несущей способности (длине) всех простых участков. Таким образом, любой сложный шов сводится к сумме простейших расчётных схем.

Рис. 18. Классификация заклёпочных соединений.