2.2. Сварные соединения

Сварка - это технологический процесс соединения деталей, ос­нованный на использовании сил молекулярного сцепления и происходящий при их сильном местном нагреве до плавления (сварка плавления) или пластического состояния с применением механического усилия (сварка давлением).

Затвердевший после сварки металл, соединяющий сваренные детали, называется сварным швом. Сварные конструкции обеспечивают существенную экономию металла и значительно снижают трудоемкость процесса изготовления. Поэтому сварные конструкции в большинстве случаев гораздо дешевле клепаных и литых. В зависимости от расположения соединяемых частей различают следующие виды сварных соединений: стыковые, нахлесточные, накладками, угловые, тавровые (рис. 2.2).

Основное требование при проектировании сварных конструкций - обеспечение равнопрочности шва и соединяемых им деталей. Стыковые швы (рис. 2.3) в зависимости от работы рассчитывают на растяжение (2.3) и сжатие (2.4):

(2.3)

(2.4)

где и - соответственно, расчетное напряжение в шве при растяжении и сжатии; F - сила, растягивающая или сжимающая соединяемые элементы; δ - толщина более тонкой свариваемой детали; l - длина шва; [ ] и [ ] - соответственно, допускаемые напряжения для шва при растяжении и сжатии.

При действии на стыковой шов изгибающего момента М (рис. 2.4), расчет шва производят по формуле:

Если стыковой шов находится под действием того же момента растягивающей (сжимающей) силы F (рис. 2.5), то такой шов рассчитывают по формуле:

(2.6)

в формулах (2.5) и (2.6) - момент сопротивления расчетного сечения шва при изгибе; σ' - расчетное нормальное напряжение.

Сварные соединения угловыми швами, работающие на растяжение или сжатие, рассчитывают по формуле:

где расчетное напряжение среза в шве; l - длина шва; [ ] - допускаемое напряжение на срез шва, [ ] = 0,65 [σ_p] .

Если сварное соединение угловым швом нагружено изгибающим моментом или изгибающим моментом и силой, перпендикулярной шву, то такие швы рассчитывают по соответствующим формулам:

Пример 2.2. Полосы из стали Ст2 сварены встык вручную электродами Э42. Осевая сила изменяется в пределах от до . Определить допускаемое значение .

Решение

Основное (при статическом нагружении) допускаемое напряжение для свариваемых полос [ ] = 140 МПа. Допускаемое напряжение для шва при переменной нагрузке равно:

,

где γ - коэффициент понижения при знакопеременной нагрузке.

Условия прочности сварного шва:

откуда

[ ] = 200 *12 *108 = 259*10³ Н = 259 кН.

2.3. Клеевые и паяные соединения

Клеевые и паяные соединения применяют в тех же конструкциях, что и сварные соединения, но преимущественно в тонкостенных, выполненных из листового металла. Прочность клеевого соединения зависит от марки клея, материалов соединяемых деталей, качества подготовки склеиваемых поверхностей деталей, режима склеивания и толщины клеевого шва (0,05 ... 0,15 мм). Расчет на прочность клеевых соединений аналогичен расчету сварных соединений. Так, расчет клеевого шва нахлестного соединения проводят по формуле: ,

где - расчетное напряжение на срез в клеевом шве; F - сила, действующая на соединение; b - ширина соединяемых деталей.

Допускаемое напряжение на срез шва можно принимать для

клея БФ-2 = 15 ... 20 МПа, для клея БФ-4 = 25 ... 30 МПа.

Пайка - это технологический процесс соединения металлических деталей посредством присоединенного материала (припоем), основанный на диффузионном взаимодействии материалов соединяемых деталей и припоя. По конструкции паяные соединения подобны сварным и клеевым.

Расчет на прочность паяных соединений осуществляют по соот­ветствующим формулами, как для однотипных сварных и клеевых со­единений. Допускаемое напряжение для паяных швов из оловянно-свинцовых припоев можно принять = 25 ... 30 МПа, из медно-цинковых припоев = 175 ... 320 МПа.

Пример 2.3. Рассчитать стыковое клеевое соединение, находящееся под действием статической осевой нагрузки F = 19 кН (определить наружный диаметр D соединительных фланцев). Внутренний диаметр соединительных труб d = 20 мм, соединение работает при комнатной температуре клей БФ-2, σ_a = 15 МПа.

Решение

1. Напряжение при растяжении определим по формуле:

2. Допускаемое напряжение равно:

[σ_p] = σ_b/n = 15/ 1,5 = 10 МПа,

где коэффициент запаса прочности n = 1,5 (принимаем).

3. Наружный диаметр соединения равен:

Принимаем D = 54 мм.

Пример 2.4. Определить допускаемую

нагрузку на телескопическое соединение

(припоем ПОС 40) кронштейна подвески электрохимической ванны (медная плита). Материал детали соединения медь М3, τ_а = 16 МПа, рабочий диапазон температур - 20-85 , конструкция соединения показана на схеме. Размеры соединения: с = 20 мм; D = 40 мм; S₁ = 5 мм; S₂ = 4 мм.

Решение

1. Определим допускаемые напряжения на срез припоя ПОС 40

где n - коэффициент запаса прочности (n = 2,5 ... 3 - при статической нагрузке, n =3 ... 5 - при переменной нагрузке).

2. Допускаемая нагрузка вычисляется по формуле:

Таким образом, масса медного электрода не должна превышать