2.3.2. Конструктивна неоднорідність

Зварне з'єднання характеризується також конструктивною неодно­рідністю, що викликана як обрисом зварного шва, так і конструкцією з'єднання. Це призводить до концентрації напружень. Нижче розглянемо характер розподілу напружень у різних типах зварних з'єднань.

Стикові з'єднання. У стикових з'єднаннях з обробленими гладкими поверхнями швів, що не мають внутрішніх дефектів (непроварів, тріщин, nop, шлакових включень), напруження від поздовжньої сили розподіля­ються рівномірно по поперечному перерізу 1-1 елементів, що з'єднуються, і визначаються по формулі о= Ріід {о\лс. 2.14) (/-довжина шва).

Рис. 2.14. Концентрація напружень у стиковому з'єднанні

В зонах шва, що прилягають до основного металу (переріз 2—2), має місце концентрація напружень, яка визначається коефіцієнтом концентрації напружень

Рис. 2.15. Вплив на концентрацію напружень форми стикового шва

Стикові шви при усіх видах зварювання - дуговому, контактному, електроннопроменевому - є оптимальними у відношенні концентрації напружень. При якісному технологічному процесі, відсутності nop, непро­варів, включень, зсуву окрайок, при доведенні до мінімуму залишкових місцевих зварювальних деформацій і, нарешті, що особливо важливо, при раціональній формі швів, їхніх плавних сполученнях з основним ме­талом коефіцієнт концентрації напружень може бути зведений до зна­чень, близьких до одиниці. В інших типах з'єднань такий результат одер­жати практично неможливо.

З'єднання внакладку з лобовим швом. Розподіл напружень у лобових швах визначався теоретично - на основі положень теорії пруж­ності і пластичності та експериментально - на моделях із застосуванням поляризованого світла, лакових покриттів, тензометрування. Останнім часом розвивається метод числового моделювання на ЕОМ, який дозво­ляє одержати найбільш повну інформацію про напружено-деформо-ваний стан металу шва і, на відміну від інших розрахункових методів, досить добре погоджується з даними експериментів. Експерименти і розрахунки підтвердили наявність значної концентрації напружень в лобових швах і великий вплив на їх розподіл конфігурації поперечного перерізу шва, глибини проплавлення, кута при вершині шва і форми вільної поверхні шва. Концентрація напружень помітно знижується при збільшенні глибини проплавлення, збільшенні кута і введенні плавних переходів від шва до основного металу.

Рис. 2.16. Розподіл напружень в перерізі А-А (а) та В-В (б)

Розрахунки показали, що при зростанні навантажень відбувається вирівнювання деформацій в металі шва і зниження концентрації напружень. Розподіл напружень у з'єднаннях з лобовими швами показаний на рис. 2.16.

У з'єднаннях внакладку з двома лобовими швами зусилля між ними розподіляються рівномірно, у випадку якщо елементи мають рівні товщини.

З'єднання внакладку із фланговими швами. В цьому випадку має місце концентрація напружень у швах і в основному металі смуг між швами.

Розглянемо з'єднання двох смуг, зварних швами з катетом К і довжи­ною / (рис. 2.17). Через незначну ширину смуг умовно приймемо роз­поділ напружень у смугах рівномірним по їхній ширині. Основні елементи під дією зусиль розтягнення подовжуються і переміщуються, викликаючи у флангових швах утворення деформації зсуву.

Рис. 2.17. Розподіл напружень у з'єднанні з фланговими швами

Прямокутний елемент dx шва 1-1-2-2 перетворюється в паралело­грам і'-1"-2'-2" (рис. 2.6). Найбільші деформації спостерігаються в край ніх точках шва, найменші - у середніх. Тому дотичні напруження роз­поділяються по довжині шва нерівномірно.

Розглянемо розподіл нормальних напружень між фланговими швами в з'єднаннях внакладку (рис. 2.18). Допустимо, що флангові шви мають невелику довжину і приймемо умовно, що напруження т уздовж їх довжи­ни однакові. Ширину листів 2а будемо вважати значною, і визначимо кон­центрацію напружень у металі листів, що викликана фланговими швами.

Силовий потік у розтягнутому листі згущається в зоні флангових швів, а середня частина напружена мало. Тому в розглянутому з'єднанні відпо­відно розподіляються і нормальні напруження . Вони максимальні на краях накладки і мінімальні по середині.

У з'єднанні з фланговими швами завжди виникає концентрація напру­жень. У з'єднаннях з довгими фланговими швами при невеликій відстані між ними концентрація утвориться головним чином у кінцях флангових швів (концентрація дотичних напружень . У з'єднаннях з короткими фланговими швами при відносно великій відстані між ними концентра­ція виникає переважно в основному металі на ділянці між швами' (концентрація нормальних напружень . У з'єднаннях зварних кон­струкцій, утворюються обидва різновиди концентрацій у більш-менш різко вираженій формі.

З'єднання внакладку з лобовими і фланговими швами (комбіно­вані з'єднання). Розподіл напружень у з'єднаннях з накладками нерівно­мірний. У тих з'єднаннях, де стикові шви перекриті однобічними накладками, утворюється ексцентриситет сил і з'являється згинаючий момент. У таких з'єднаннях напруження не тільки не зменшуються в порівнянні зі стиковими швами без накладок, але навіть помітно зрос­тають. У з'єднаннях, що не мають стикових швів, накладки теж виклика­ють значну концентрацію напружень. На рис. 2.19. показані результати експериментального вивчення розподілу напружень у різних поперечних перерізах (А—А, Б—Б, В—В) з'єднань з однобічними накладками, коли накладки приварені до смуг, що з'єднуються, тільки фланговими швами.

Рис. 2.19. Розподіл напружень у з'єднанні з накладками

У точках, близько розташованих до флангових швів, утвориться кон­центрація напружень: точки, які віддалені від швів і знаходяться біля осі елемента, напружені дуже мало. При віддаленні від накладок епюра напружень у поперечному перерізі вирівнюється і елемент працює більш рівномірно.

Нерівномірність розподілу напружень по поперечному перерізу накладок значно зменшується при додаванні до флангових швів лобових. На рис. 2.19. показаний розподіл напружень у такому з'єднанні в перетинах Г—Г, Д—Д, Е—Е.

Таврові з'єднання. Концентрація напружень має місце також у лобо­вих швах таврових з'єднань. Так, біля ребер жорсткості, приварених до елемента, що розтягується (рис. 2.20), утвориться концентрації напру­жень по перерізу А—А. Епюра цих напружень показана на рис. 2.20, б.

Рис. 2.20. Концентрація напружень в тавровому з'єднанні

Коефіцієнт концентрації напружень у шві таврового з'єднання зале­жить від його обрису (геометрії) і від форми сполучення з основним ме­талом.

З'єднання при шовному контактному зварюванні. У з'єднаннях, виконаних шовним контактним зварюванням, нерівномірність розподілу викликана рядом причин:

1. Розподіл напружень - у зоні шва по довжині деталі при розтягненні відбувається нерівномірно. Коефіцієнт концентрації напружень при розтягненні деталей, як правило, невеликий і лише незначно перевищує одиницю.

2. При розтягненні з'єднання відбувається вигин деталі (рис. 2.21), що звичайно не враховується при розрахунку.

Рис. 2.21. Концентрація напружень О в з'єднанні з шовним швом

Варто пам'ятати, що за межею текучості відбувається деяке вирівню­вання напружень, і коефіцієнт концентрації при цьому знижується.

З'єднання при точковому контактному зварюванні. У точкових з'єднаннях виникає концентрація напружень, обумовлена рядом факторів:

І. У результаті згущення силових ліній по ширині і товщині основного металу утворюється концентрація напружень у зоні точки (рис. 2.22). Інтенсивність згущення визначає концентрацію. Вона росте з ростом значення tld {t - відстань між точками в напрямку, перпендикулярному дії сили; d - діаметр точки).

На рис. 2.22 показана епюра розподілу нормальних напружень у поздовжньому перерізі з'єднання А—А. Максимального значення напру­ження досягають в поперечному перерізі 0—0.

Рис. 2.22. Концентрація напружень в точкових з'єднаннях: а) загальний вигляд; б) розподіл напружень у поздовжньому перерізі А—А

Зусилля в окремих точках з'єднання, розташованих у поздовжньому ряді, при їхній роботі в пружній області не однакові. За умови, що попе­речний переріз елементів, що з'єднуються, однаковий, крок точок у по­здовжньому ряді - t, ширина зразка чи крок у поперечному напрямку -3d, розподіл зусиль між точками в поздовжньому ряді даний в таб­лиці 2.13.

Таблиця 2.13. Розподіл зусиль між точками в поздовжньому ряді

Номера точок	Число точок у поздовжньому ряду
	3	4	5
1	0.444Р	0,436Р	0.435Р
2	0,112Р	0.064Р	0.058Р
3	0,444Р	0.064Р	0.014Р
4	—	0.436Р	0.058Р
5	—	—	0.435Р

Крайні точки виявляються навантаженими значно сильніше, ніж се­редні. Зі збільшенням числа точок у поздовжньому ряду така диспро­порція зростає. Подібне явище має місце при роботі в межах пружності. За межею текучості настає значне вирівнювання зусиль.

Щоб оцінити вплив концентрації напружень на міцність, розглянемо процес їхнього формування при навантаженні пластини з отвором статичною силою (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Розподіл напружень в пластині з концентратором при статичному навантаженні

Розподіл напружень в пластині з концентратором при статичному навантаженні в перерізі А—А показаний на рис. 2.23, а. Виберемо силу Р такою, щоб . Збільшимо силу Р так, щоб , одночасно

виростуть і (рис. 2.23, б). Якщо далі збільшувати силу Р, то напру­ження не зростуть, тому що пройде тільки пластична (залиш­кова) деформація, а напруження досягнуть значення . Епюра напру­жень у цьому випадку зображена на рис. 2.23, в, тобто концентрація напружень відсутня,-Якщо пластина буде навантажуватися перемінною силою Р, то в результаті кожного циклу навантаження в місці концентрації напружень буде відбуватися накопичення пластичної деформації і, врешті, вичерпання запасу пластичності металу, що призведе до початку руйнування.

Таким чином, при розрахунках на міцність наявність концентрації напружень варто враховувати тільки при дії змінного навантаження, а при статичному навантаженні її не враховують.