3.4. Проектування зварних з'єднань з кутовими швами

Кутові шви використовуються в основному для створення зварних з'єднань внакладку і таврових з'єднань.

Основними факторами, що впливають на міцність кутового шва слід виділити два - орієнтацію шва відносно напрямку зусилля, що діє на зварне з'єднання і властивості (міцність) металу шва.

В залежності від орієнтації шва відносно напрямку зусилля, діючого на зварне з'єднання, розглядають зварні з'єднання з лобовим швом (зусилля перпендикулярно осі шва, рис. 3.17, а) і з'єднання з фланговими швами (зусилля вздовж осі шва, рис. 3.17, б). Розглянемо напружений стан кутових швів відповідно навантажень.

Фланговий шов. Щоб оцінити напружений стан кутового флангового шва розглянемо шляхи можливого його руйнування. Аналізуючи силову ситуацію, що утворюється в металі зварного шва (рис. 3.18), визначаємо два можливих перерізи ймовірного руйнування: по площині 1 і по площині 2, яка проходить через бісектрису прямого кута шва

Розглянемо напружений стан кутових швів відповідно навантажень. В обох випадках на площинах руйнування утворюються дотичні напруження

Визначимо напруження на відповідних площинах:

Порівнюючи значення напружень, визначаємо, що найбільша ймовір­ність руйнування флангового шва буде мати місце по перерізу 2, оскільки

Лобовий шов. У лобовому шві внаслідок дії сили існує три перерізи ймовірного руйнування

В перерізі діють нормальні напруження (рис. 3.19, б):

Приймаючи підрахуємо максимальне значення руйнуючої

сили для цього перерізу:

В перерізі 3 діють тільки дотичні напруження:

Максимальне значення руйнуючої сили для цього перерізу: В перерізі 2 одночасно діють нормальні і дотичні напруження:

Для кута значення однакові, тому:

Визначимо максимальну допустиму інтенсивність напружень, якщо одночасно діють нормальні і дотичні напруження:

Знайдемо максимальне значення руйнуючої сили: Розділивши чисельник і знаменник на 1,4, отримаємо:

або приймаючи, ще отримуємо:

Порівнюючи максимальні значення руйнуючих сил зробимо висновок, що найбільша ймовірність руйнування кутового флангового шва буде мати місце по перерізу

Отже, на основі аналізу напруженого стану кутових швів прийняли:

1) при проведенні розрахунків на міцність кутових швів вважати, що їх руйнування має місце по площині, яка проходить через бісектрису прямого кута шва. Площа руйнування Оскільки площа руйнування залежить від глибини проварювання кутового шва (рис. 3.20), то в загальному вигляді замість параметру 0,7/С записують параметр де β - коефіцієнт в залежності від глибини проварювання тобто

2) при проведенні розрахунків на міцність кутових швів вважати, що флангові кутові шви руйнуються внаслідок дії дотичних напружень, а руйнування лобових кутових швів відбувається внаслідок нормальних і дотичних напружень, але представляти (для уніфікації форми запису) умову міцності через дотичні напруження

З'єднання внакладку з лобовим швом. Осьове навантаження (рис. 3.21). Як вже було показано, умову міцності для кутових швів потрібно складати за дотичними напруженнями, тобто:

О скільки діє осьова сила, приймаємо, що напруження в перерізі шва розподілені рівномірно по довжині:

Якщо з'єднання матиме два лобових шви, умова міцності буде:

Навантаження моментом (рис. 3.22). Враховуючи загальну формулу для напруження від дії моменту, розподіл дотичних напружень по довжині шва набере вигляду:

момент інерції перерізу шва, що руйнується.

Найбільше значення напружень буде в точці для якої умова міцності приймає вид:

момент опору перерізу шва (прямокутник розмірами і тому:

Для з'єднання з двома швами:

Одночасна дія сили та моменту (рис. 3.23). Оскільки діють два силових фактори і від кожного з них утворюються відповідні дотичні напруження то умову міцності треба записати як:

сумарні напруження від осьової сили та моменту

Напруження підраховуються, як це було вказано вище. Лишається з'ясувати якою повинна бути сума. Для цього треба зробити аналіз напряму дій напружень. Напруження співпадає з напрямком дії сили (рис. 3.23). При повороті внаслідок дії моменту у точці А (де діють найбільші напруження), напрямок напруження буде збігатися з напрямком дії напруження Отже, сумарні напруження становитимуть:

Розглянемо ще один приклад (рис. 3.24). Сила Р викликає одночасно дію як від осьової сили, так і від моменту, тобто:

Але на відміну від попереднього випадку, напрямки напружень відрізняються - від дії сили, напрямок напружень збігається з напрямком дії сили Р (рис. 3.24), а від дії моменту - як і в попередньому випадку. Отже, сумарне напруження:

З'єднання внакладку з фланговими швами. Осьове навантаження (рис. 3.25). В кутовому шві руйнування відбувається в наслідок дії дотичних напружень, тому:

Навантаження моментом (рис. 3.26). В цьому випадку приймаємо, що у зварних швах діятиме реактивний момент

У свою чергу реактивний момент можна подати як пару сил Т, помножених на плече В, тобто Сила Сила Т діє окремо на кожний шов як осьова сила, і тому умова міцності має вигляд:

Навантаження силою та моментом (рис. 3.27). Оскільки в швах напруження утворюються від дії двох силових факторів Р і М, то:

Окремо від сили Р і моменту М напруження визначаються як і в попередніх випадках. Залишається визначити якою буде

Аналізуючи дію сили Р і моменту М, бачимо, що для шва 1 напрямок напружень, які вони спричинюють, збігається, тому

Комбіновані з'єднання. Осьове навантаження (рис. 3.28). Розраховуючи міцність такого з'єднання, приймають, що напруження в усіх швах однакові, тоді площа, яка руйнується:

Навантаження моментом (рис. 3.29). Насамперед припустимо, що напруження в усіх швах однакові. Діючий момент сприйматиметься як лобовим, так і фланговим швами, тобто Підрахуємо чому дорівнюють ці моменти за умови, що напруження однакові за відповідними формулами і просумуємо:

Розрахункові дотичні напруження:

Можлива й інша ситуація (рис. 3.30). В цьому випадку неможливо розподілити діючий момент між лобовим і фланговим швами.

Розв'язання буде таким. На відстані від центра ваги швів візьмемо елементарну площадку площею на якій діє напруження Тоді елементарний момент який сприймається цією площадкою, буде Приймемо наступний закон зміни напружень залежно від відстані г.

відстань, яка дорівнює одиниці. Тоді Загальний момент, який сприймається всіма швами:

Інтеграл полярний момент інерції швів.

Отже:

Оскільки необхідно визначити максимальні значення напружень, то замість тх, необхідно, відповідно до прийнятого закону, записати:

а розрахункові напруження дорівнюватимуть:

В разі одночасної дії сили й моменту необхідно аналізувати напрямки дії відповідних напружень у кожному шві й брати їх відповідну суму.

Таврові з'єднання. Розрахунок міцності таврових з'єднань виконується залежно від виду підготовки окрайок. Якщо з'єднання без розкриття окрайок, воно формується кутовими швами, і обчислення міцності не відрізняється від методики розрахунку з'єднань внакладку, тобто за дотичними напруженнями (рис. 3.31, а). Якщо є розкриття окрайок, у цьому випадку змінюється площина руйнування, і обчислення міцності треба проводити за нормальними або дотичними напруженнями в залежності від схеми навантаження (рис. 3.31, б, в).

Приклади проектування зварних з'єднань з кутовими швами

Завдання 1. Спроектувати (визначити довжину швів) зварне з'єднання внакладку кутника мм з косинкою. Площа перерізу кутика Граничні напруження металу кутника

Граничні напруження металу зварних швів на зріз

Розв'язання:

1. Виходячи з вимоги забезпечення однакової міцності кутника і зварного з'єднання, визначаємо максимальне значення зусилля розтягнення для кутника:

2. Призначаємо механізований спосіб зварювання у середовищі вуглекислого газу Згідно стандарту на спосіб зварювання призначаємо катет шва

3. Розглянемо два варіанти: перший - з'єднання з фланговими швами і другий - лобовий і флангові шви (комбіноване з'єднання).

Зусилля Р розподіляється між швами (кутник рівнобокий) у співвідношенні:

Завдання 2. Спроектувати зварне з'єднання внакладку полоси з листом і навантаженою силою Граничні напруження металу полоси Граничні напруження металу зварних швів на зріз

Розв'язання:

1. Визначаємо розміри перерізу полоси. Приймаємо ширину полоси і визначаємо її товщину, виходячи з умови міцності полоси в перерізі 1—1. В перерізі діє поперечна сила і згинаючий момент Від сили виникнуть дотичні напруження:

а від моменту нормальні напруження:

Використовуючи умову міцності визначаємо товщину полоси:

2. Призначаємо спосіб зварювання - ручне дугове за Згідно стандарту на спосіб зварювання призначаємо тип з'єднання катет шва

3. Визначаємо величину напуску Можливі три варіанти зварного з'єднання.

Перший варіант - двома фланговими швами

В металі зварних швів утворюються дотичні напруження від зсуву і

від дії моменту Від моменту М в зварних швах виникає реактивний момент Представимо реактивний момент через пару сил Тоді на кожен шов буде діяти сила і відповідні напруження:

Оскільки напрям напружень не співпадає, умова міцності буде:

Приймаємо, що в усіх швах мають місце однакові дотичні напруження, які складаються з напружень від зсуву і напружень від моменту Як у лобовому, так і у фланговому швах напрям цих напружень не співпадає, тому:

Складові напруженого стану визначаємо:

Виходячи з умови міцності:

визначаємо величину напуску чисельним методом Третій варіант (рис. 3.36).

Тоді (напрям напружень не співпадає) і, виходячи з умови міцності, визначаємо величину напуску 1:

Завдання 3. Спроектувати зварне таврове з'єднання двох пластин зі сталі СтЗ і навантажених силою Р (рис. 3.37). Граничні напруження металу пластин Граничні напруження металу зварних

швів на зріз а на відрив

Розв'язання:

Призначаємо спосіб зварювання - ручне дугове за Згідно стандарту розглянемо два типи зварного з'єднання: без роз­криття кромок і з розкриттям кромок катет шва

Визначаємо потрібну довжину шва для першого випадку (рис. 3.38).

Напружений стан металу шва в перерізі руйнування шва складається з двох складових компонентів: дотичних напружень від зсуву:

і дотичних напружень від моменту Оскільки напрям складових не співпадає, умова міцності буде:

Розв'язуємо відносно

3. Визначаємо довжину шва для другого випадку

У цьому випадку напружений стан у металі шва буде складатися з двох компонентів:

від зсуву - дотичні напруження:

і моменту - нормальні напруження (максимальні).

Виходячи з умови міцності за еквівалентними напруженнями:

визначаємо довжину шва