Конструирование и работа сварных соединений

4.2.1. Стыковые соединения (выполняемые с помощью стыковых швов). Хорошо сваренные встык соединения имеют весьма небольшую концентрацию напряжений от внешних сил, поэтому прочность таких соединений при растяжении или сжатии, в первую очередь, зависит от прочностных характеристик основного металла и металла шва. Различия разделки кромок соединяемых элементов практически не влияют на статическую прочность соединения и могут не учитываться.

Сварной шов в начале и в конце, как правило, насыщен дефектами (в силу неустановившегося теплового режима сварки), поэтому начало и конец шва следует выводить на технологические планки 1 (рис. 4.24, а и б); после окончания сварки и остывания шва эти планки удаляются. В случае невозможности вывести концевые участки шва на технологические планки расчетная длина шва (с учетом дефектных участков) будет меньше его фактической длины (меньше на 2t, где t — толщина соединяемых элементов).

Гарантировать допустимые величину и число дефектов в сварном соединении на любом его участке затруднительно, поэтому необходим контроль качества соединения.

Надежными методами контроля являются физические методы (ультразвук, рентгеновское просвечивание, просвечивание гамма-лучами). Как правило, стыки в строительных конструкциях выполняются прямыми. Лишь при невозможности (или затруднительности) использования физических методов контроля стык проектируют косым (ось шва наклонена к оси элемента. Большая длина шва компенсирует снижение качества металла шва в соединении.

Практика эксплуатации сварных конструкций показывает, что наклон шва 60° к оси элемента гарантирует достаточную прочность соединения. Стыковой шов, работающий в условиях сжатия, может быть прямым, и требование проверки физическими методами контроля для него необязательно, так как сжимающие напряжения тормозят развитие разрушения и наличие дефектов становится менее опасным. В этом случае при статических нагрузках можно ограничиться визуальным осмотром поверхности.

Виды сварных стыковых соединений:

а — прямой стык; б — косой стык; в, г — при разной ширине соединяемых элементов; д, е — при разной толщине соединяемых элементов; ж — однослойный с подваркой корня; 1 — технологические планки; 2 — подварочный шов

Соединения, выполненные с помощью угловых швов

С помощью угловых швов выполняются различные виды соединений в металлических конструкциях: тавровые, в угол, нахлесточные.

Соединения внахлестку выполняются угловыми швами; они могут быть как фланговыми, так и лобовыми.

Фланговые швы, расположенные по кромкам прикрепляемого элемента параллельно действующему усилию, вызывают большую неравномерность распределения напряжений по ширине соединения. Неравномерно работают они и по длине, так как помимо непосредственной передачи усилия с элемента на элемент концы шва испытывают дополнительные усилия вследствие разной напряженности и неодинаковых деформаций соединяемых элементов (рис. 4.25, а).

В соответствии с характером передачи усилий фланговые швы работают одновременно на срез и изгиб. Разрушение шва обычно начинается с конца и может происходить как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления, особенно если наплавленный металл прочнее основного.

Лобовые швы передают усилия достаточно равномерно по ширине элемента, но крайне неравномерно по толщине шва вследствие резкого искривления силового потока при переходе усилия с одного элемента на другой (рис. 4.26). Особенно велики напряжения в корне шва. Уменьшение концентрации напряжений в соединении может быть достигнуто плавным примыканием привариваемой детали, механической обработкой (сглаживанием) поверхности шва и конца, увеличением пологости шва (например, шов с соотношением катетов 1:1,5), применением вогнутого шва и увеличением глубины проплавления. Эти приемы уменьшения концентрации напряжений в соединении особенно желательно применять в конструкциях, работающих на переменные нагрузки и при низкой температуре.

Фланговые швы: а — распределение напряжений в соединении с фланговыми швами; б— вид разрушенного шва

Работа лобового шва:

траектория силовых линий; б— распределение напряжений в сечении с—с с учетом концентрации напряжений; в — сечение вогнутого лобового шва