4.2. Соединения неразъёмные - сварные и заклёпочные сварные соединения.

Виды сварки и сварных швов. Виды сварки: сварка плавлением (газовая и электродуговая) и сварка давлением (контактная и сварка трением). Преимущества сварных швов по сравнению с заклёпочными швами: экономия до 20% металла; уменьшение трудоёмкости; проще автоматизация процесса сварки и легче контроль качества шва. Недостатки: вероятность возникновения при сварке дефектов швов (непровар, подрезание, шлаковые включения); возник­новение остаточных напряжений в деталях конструкции; изменение механических свойств металла в зоне термического влияния.

Сварка всех видов в настоящее время широко используется в стальных конструкциях. Наиболее сложной является электрическая дуговая сварка. При обычно используемом напряжении в 30...50 Вольт дуга длиной около 7 мм об­разует на конце электрода небольшое количество расплавленного металла, ко­торым сварщик заполняет сварной шов шириной 5... 10 мм, двигаясь вдоль со­единения. Для увеличения ширины шва процесс повторяют несколько раз.

Сварка, выполненная надлежащим образом, как правило, очень прочна и служит надёжно, но недостаточное мастерство или невнимание сварщика к ра­боте влекут за собой дефекты сварных швов, которые уменьшают прочность соединения. Сварщик может перегреть металл вокруг соединения, вызвав тем самым значительные деформации конструкции, особенно при сварке тяжёлых и толстых деталей.

ЗАКЛЁПОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. В стальных конструкциях соединения заклёпками применяют реже, чем сварные соединения. Однако заклёпочные соединения надёжны, а в больших конструкциях они способны до некоторой степени останавливать рост трещин. Важным является также то, что заклёпки допускают небольшие взаимные смещения соединяемых элементов. За счёт этого происходит перераспределение нагрузки, позволяющее избежать послед­ствий концентрации напряжений - бича всех видов соединений.

Конструкции стандартных заклёпок и формирование замыкающей голов­ки заклёпки показаны на рис. 57.

Рис. 57. Некоторые виды стандартных заклёпок и образование

заклёпочного соединения (1 - закладная головка; 2 - обжимка; 3 - прижим;

4 - формируемая головка; 5 - поддержка)

Отверстия под заклёпки в больших стальных конструкциях (корабли, котлы и т.п.) обычно пробивают. Это быстрый и дешевый способ, но при этом металл на краях отверстий становится хрупким и часто содержит небольшие трещины. Лучше сначала пробивать отверстия меньшего размера, а затем их рассверливать, — это повышает прочность и надёжность соединения, но увели­чивает стоимость изделий.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В СОЕДИНЕНИЯХ И ИХ РАСЧЁТ. В со­единении происходит передача нагрузки от одного элемента конструкции к другому, одновременно и напряжение должно перейти от одного из присоединяемых элементов на другой. При этом возможна сильная концентрация на­пряжений и угроза разрушения материала или конструкции.

Соединения стыковыми швами. В случае соединения встык двух пла­стин металла сварным швом (рис. 58) напряжения переходят от одного присое­диняемого элемента к другому с возникновением лишь небольшой концентрации напряжений. Стыко­вые швы являются наиболее рациональными, при­ближающимися по прочности к целому изделию. Для этого кромки соединяемых деталей механически об­рабатывают (разделывают), т.е. выполняют различ­ной формы скос кромок.

Стыковые сварные соединения при статическом нагружении чаще всего разрушаются по сварному шву или в зоне термического влияния. При действии центральной силы F условие прочности имеет вид:

Рис. 58. Соединение встык сварным швом

где S - площадь опасного сечения,

- допускаемые напряжения для разрушаемого металла, МПа.

Использование стыковых соединений не всегда возможно, поэтому ши­роко Применяют соединение элемен­тов конструкций внахлёст.

Прочность соединений внахлёст зависит в основном от ширины соеди­няемых элементов и почти не зависит от длины их взаимного перекрытия. Поэому даже наиболее простые фор­мы сварных и заклёпочных соедине­ний двух металлических пластин (рис. 59) эффективны при конструировании.

Однако расположение соединяе­мых элементов внахлёст приводит к значительной концентрации напряже­ний на концах соединения (рис. 60). При этом не играет роли, какими сред­ствами оно выполнено, с помощью заклёпок или сварки, клея или гвоздей, винтов или болтов.

Рис. 60. Распределение касательных напряжений в соединении внахлёст

Соединения угловыми швами. Угловые швы выполняют при сваривании деталей нахлёсточных (рис. 61, а), тавровых (рис. 61, б) и угловых (рис. 61, в) соединений, кромки которых не имеют скосов, что упрощает технологию. При статическом нагружении часто применяют нормальные угловые швы как наи­более простые и технологичные, которые в поперечном сечении имеют форму равнобедренного (рис. 61,а) или неравнобедренного (рис. 61, г) прямоугольного треугольника. Для таких швов расчётная высота шва р ≈ 0,7k, при этом величину катета k шва принимают по условию δ_min ≥ к ≥ 3 мм.

Разрушение угловых швов происходит в опасном сечении - по биссектрисе прямого угла. В этом сече­нии угловые швы испытывают сложное напряжённое состояние, поэтому расчёт швов на прочность ведут по касательному напряжению, которое счита­ют равномерно распределённым в опасном сечении. Условие статиче­ской прочности при действии цен­тральной силы F можно записать в ви­де:

Рис. 61. Сварные соединения угловыми швами

где S — площадь опасного сечения, мм²;

р - расчётная высота опасного попе­речного сечения углового шва, мм;

k— катет сварного шва, мм;

L_Σ - суммарная длина угловых швов в соединении, мм;

[τ'] - допускаемое касательное напря­жение для материала шва, МПа.

Рис. 62. Варианты разрушения заклёпочного соединения:

а - сдвиг по самим заклёпкам; б - вырыв материала одной из пластин; в-разрыв материала пластины

Расчёт заклёпочных соединений. Заклёпочные (рис. 62), как и болтовые

соединения при постановке болтов без зазора (см. рис. 52, б), имеют разную форму и размеры, но возможные виды их разрушения сводятся к трём видам:

• сдвиг по самим заклёпкам - заклёпки срезаются (рис. 62, а);

• заклёпки вырывают материал из одной пластины (рис. 62, б);

• разрыв материала пластины вдоль линии заклёпок (рис. 62, в).

Во всех случаях, когда используются указанные виды соединений, необходимо проверить с помощью расчётов, не разрушится ли проектируемое соединение каким-либо из этих трёх путей.

Уяснив простейшие случаи, приступают к изучению более сложных схем нагружения сварных соединений силами и моментами. Например, расчёт сварных стыковых швов при действии центральной силы F, изгибающего М и вра­щающего Т моментов (рис. 63) проводят по эквивалентным напряжениям σ_эк в опасном сечении, испытывающем сложное напряженное состояние. Для опре­деления σ_эк обычно используют четвёртую теорию прочности, согласно кото­рой эквивалентные напряжения в опасном сечении (зона А) и условие прочно­сти можно записать в виде:

_где

- нормальные напряжения растяжения, МПа;

- нормальные напряжения изгиба, МПа;

касательные напряжения кручения, МПа;

[σ_р'] - допускаемое напряжение для материала сварного шва, МПа.

Рис. 63. К расчёту сварного соединения стыковым швом

Из приведенного условия прочности путём математических преобразова­ний можно получить зависимости для проектного расчёта сварных швов, т.е. ДЛЯ определения размеров сварного шва.