3.2. Робочі і з'єднувальні шви

В металі шва зварних з'єднань можлива поява напружень двох родів: робочих та з'єднувальних. Щоб пояснити відмінність між ними, розглянемо кілька прикладів.

На рис. 3.3, а зображені дві смуги, які з'єднані стиковим швом. Смуги навантаженні зусиллям розтягування. Очевидно, що в разі руйнування шва зруйнується і вся конструкція. Тобто, зварні з'єднання, руйнування яких призводить до руйнування конструкції, називаються робочими, а напруження, які діють в цих з'єднання (швах), - робочими напруженнями.

Зовсім інакше поводить себе метал шва у випадку навантаження двох смуг, як показано на рис. 3.3, б. В цьому випадку руйнування шва не призведе до руйнування усієї конструкції, оскільки зварний шов не передає зусилля від однієї смуги до іншої. Такі з'єднання називають з'єднувальними.

Розрахунку на міцність підлягають тільки робочі зварні з'єднання.

3.3. Проектування зварних з'єднань зі стиковими швами

При проектуванні стикових з'єднань у першу чергу призначають розміри шва і тип з'єднання згідно стандарту на спосіб зварювання. Наступним кроком проектування стикового з'єднання в основному є або перевірка міцності (розрахунок руйнуючої сили), або визначення потрібної довжини зварного шва.

Під розрахунком міцності маємо на увазі складання відповідної умови міцності. Для скорочення запису приймемо методику за граничними напруженнями. Розглянемо три варіанти навантаження зварних з'єднань: осьовою силою, моментом та одночасно силою і моментом.

Навантаження має статичний характер. Як уже було розглянуто, за статичного навантаження концентрація напружень до уваги не приймається. Приймається також, що руйнування буде мати місце по металу зварного шва.

Залежно від того, як взаємно орієнтовані стиковий шов і зусилля, стиковий шов може руйнуватися під впливом нормальних (рис. 3.4, а) дотичних (рис. 3.4, б) та одночасної дії цих напружень (рис. 3.4, в, г).

Далі наведені відповідні умови міцності.

Осьове навантаження (рис. 3.5). У цьому випадку руйнування відбудеться внаслідок нормальних напружень в будь-якій точці поздовжнього перерізу шва (всі точки перерізу напружені однаково).

- площа руйнування шва, довжина шва, товщина шва. Іноді використовують стикові шви, орієнтовані під кутом до лінії дії сили. Тоді в поздовжньому перерізі зварного шва (рис. 3.6) діятимуть нормальні й дотичні напруження:

Тоді умова міцності:

Якщо діють сили, як показано на рис. 3.7 (без урахування моменту), руйнування буде наслідком дотичних напружень.

В разі одночасної дії сил у двох напрямках (рис. 3.8) у зварному шві діятимуть як нормальні, так і дотичні напруження. Тому умова міцності має вигляд:

У випадку дії сил, як показано на рис. 3.9 (сила прикладена по осі шва), в металі зварного шва будуть діяти нормальні напруження у двох напрямках, тобто має місце плоский напружений стан, і тоді умова міцності:

Навантаження моментом (рис. 3.10). Під дією моменту у зварно­му шві утворяться нормальні напруження, нерівномірно розподілені по довжині шва. Максимальні напруження діють в точці А. Тоді умова міцності буде:

максимальні напруження від моменту; осьовий момент опору перерізу шва, що руйнується відносно осі х (прямокутник довжиною

Для зварного з'єднання навантаженого як вказано на рис. 3.11, умова міцності набуває вигляду:

осьовий момент опору перерізу шва відносно осі у.

В даному випадку від сили і моменту діятимуть нормальні напруження. Це означає, що умову міцності необхідно записати за нормальними напруженнями:

сумарні напруження від дії сили і моменту, нормальні напруження від сили нормальні напруження від моменту, Отже:

Якщо навантаження викликає нормальні та дотичні напруження (рис. 3.13), умову міцності треба записати за еквівалентними напруженнями:

Для сталевих конструкцій при статичному навантаженні, використанні відповідних зварювальних матеріалів, повному проварі і фізичному контролі якості зварних з'єднань допускається розрахунки на міцність стикових швів не проводити через високу міцність зварного з'єднання, яка в багатьох випадках не поступається міцності основного металу.

Приклад проектування зварного стикового з'єднання

Завдання. Спроектувати стикове зварне з'єднання (визначити потрібну довжину шва в залежності від сили) стержня таврового профілю з косинкою, навантаженою силою Матеріал - Ст 3, товщина косинки

Якщо задані параметри навантаження, то проектування з'єднання полягає у призначенні способу зварювання і визначенні розмірів зварного шва - його ширини та довжини.

Розв'язання:

Враховуючи марку матеріалу, його товщину, вибираємо дугове механізоване зварювання у середовищі вуглекислого газу за і, згідно стандарту на цей спосіб, призначаємо тип з'єднання (тобто його ширину).

Визначаємо довжину зварного шва в залежності від значення сили Р, виходячи з умови міцності. Для складання умови міцності потрібно зробити аналіз напруженого стану в перерізі металу шва. Розкладаємо силу Р на складові:

Розглянемо дві точки шва -А і В (рис. 3.15). В точці А від дії сили виникають нормальні напруження Від дії сили в цій точці з'яв ляться дотичні напруження і нормальні напруження від моменту Аналогічна ситуація в точці В, окрім того, що напруження від моменту діятимуть у протилежному напрямку (рис. 3.15, 6). Порівнюючи напружений стан в точках А і В, робимо висновок, що руйнування ймовірніше в точці А (нормальні напруження додаються).

Оскільки в перерізі шва одночасно діють нормальні і дотичні напруження, умову міцності складаємо за еквівалентними напруженнями:

Визначаємо складові напруженого стану:

Підставляючи вихідні дані і приймаючи для сталі марки СтЗ граничні напруження розв'язуємо умову міцності відносно в залежності від значення сили Р (рис. 3.16).