1427 / MU_po_KP

На рис. 8.2.10 изображен случай, когда соединение лобовым швом нагружено моментом. При этом напряжения σ по торцу полосы (см. рис. 8.2.9) распределяются подобно тому, как распределяются нормальные напряжения в поперечном сечении балки при изгибе.

Переходя к ранее рассмотренному условному расчету лобовых швов по касательным напряжениям, получаем:

Комбинированные соединения лобовыми и фланговыми швами рассчитывают на основе принципа распределения нагрузки пропорционально несущей способности отдельных швов. При этом для соединения, изображенного на рис. 8.2.11, получим:

На рис. 8.2.12 показан случай, когда соединение нагружено моментом и силой. При расчете такого соединения значение касательных напряжений от момента Т может быть определено по полярному моменту опасного сечения швов (рис. 8.2.13). В приближенных расчетах полагают, что сопротивление комбинированного шва равно сумме сопротивлений составляющих швов или:

где Тф и Тл – моменты, воспринимаемые фланговыми и лобовым швами (здесь наименования «фланговые» и «лобовые» условны, так как момент характеризуется не линией, а плоскостью действия).

132

для угловых швов

При выводе формулы (8.2.16) учтено, что напряжения от момента σм распределяются по длине шва аналогично напряжениям τм в поперечном сечении балки. За расчетное сечение по-прежнему принято сечение по биссектрисе тт. На рис. 8.2.15 показано тавровое соединение трубы, нагруженное изгибающим и крутящим моментами. Напряжения в шве от крутящего момента:

В уравнении (8.2.17) принято, что катет k шва мал в сравнении с d. При этом можно считать, что напряжения τT распределены равномерно по кольце-

Соединение контактной сваркой. Стыковая контактная сварка при соблюдении установленных правил технологии обеспечивает равнопрочность соединения и деталей, поэтому можно не выполнятьспециальных расчетов прочности соединения при статических нагрузках. Это справедливо только в том случае, если разогрев металла в зоне сварки не влечет за собой снижения его прочности (например, низкоуглеродистые и низколегированные стали, не подвергающиеся термообработке). В противном случае допускаемое напряжение при расчете деталей в месте стыка снижают с учетом уменьшения прочности материала в зоне термического влияния. При переменных нагрузках допускаемые напряжения понижают по сравнению со статическими так же, как и для стыковых соединений, дуговой сваркой (см. ниже).

Точечная сварка (рис. 8.2.17) применяется преимущественно для соединения деталей из тонкого листового материала при соотношении толщин

134

не более 3 мм. Диаметр сварной точки выбирают в зависимости от толщины меньшей из свариваемых деталей:

d =1,2δ+4 мм при δ <3 мм; d=l,5δ+5 мм при δ>3 мм.

Минимальный шаг t ограничивается явлением шунтирования тока ранее сваренной точкой. Расстояние от кромок t1 и t2 нормируют с учетом технологических и силовых факторов. Обычно принимают

t=3d; t1=2d; t2=l,5d.

Соединения точечной сваркой работают преимущественно на срез. При расчете полагают, что нагрузка распределяется равномерно по всем точкам. Неточность расчета компенсируют уменьшением допускаемых напряжений (см.

табл. 8.2.1):

где z — число сварных точек; i — число плоскостей среза. Для конструкции по рис. 8.2.17,а z=4, i=1; по рис. 8.2.17,б z=2, i=2.

При нагружении точечных сварных соединений моментом в плоскости стыка деталей расчетную точку и ее нагрузку определяют так же, как и для заклепочных соединений или соединений с болтами,поставленными без зазора. Точечному соединению свойственна высокая концентрация напряжений (см. табл. 8.2.3). Поэтому оно сравнительно плохо работает при переменных нагрузках. Концентрация напряжений образуется не только в сварных точках, но и в самих деталях в зоне шва.

Точечные сварные соединения чаще применяют не как рабочие,воспринимающие основную нагрузку, а как связующие (например, крепление обшивки к

Концентрация напряжений в швах меньше, чем при точечной сварке(см. табл. 8.2.3).

Прочность сварных соединений и допускаемые напряжения

Прочность сварного соединения зависит от следующих основных факторов: качества основного материала, его способности к свариванию; конструкции соединения; способа сварки; характера действующих нагрузок (постоянные или переменные). Хорошо свариваются низко- и среднеуглеродистые стали. Высокоуглеродистые стали, чугуны и сплавы цветных металлов свариваются хуже.

Рис. 8.2.19. Дефекты сварки

Значительно снижают прочность такие дефекты сварки, как непровары и подрезы (см. рис. 8.2.19), шлаковые и газовые включения, скопление металла в месте пересечения швов и т. п. Эти дефекты являются основными причинами образования трещин как в процессе сварки, так и при эксплуатации изделий.

135

Влияние технологических дефектов сварки значительно усиливается при действии переменных и ударныхнагрузок.

Эффективными мерами повышения прочности сварных соединенийявляются: автоматическая сварка под флюсом и сварка в защитном газе; термообработка сваренной конструкции (отжиг); наклеп дробью и чеканка швов. Эти меры позволяют повысить прочность составных сваренных деталей при переменных нагрузках в 1,5...2 раза и даже доводить ее до прочности цельных деталей.

Многообразие факторов, влияющих на прочность сварных соединений, а также приближенность и условность расчетных формул вызывают необходимость экспериментального определения допускаемых напряжений. Принятые нормы допускаемых напряжений для сварных соединений деталей из низко- и среднеуглеродистых сталей, а также низколегированных сталей (типа 14ГС, 15ГС, 15ХСНД, 09Г2, 10Г и пр.) при статических нагрузках см. в табл. 8.2.1.

Для переменных нагрузок допускаемые напряжения, взятые из табл. 8.2.1, понижают умножением на коэффициент γ < 1 [см. формулу (8.2.22)], а расчет выполняют по максимальному (абсолютному значению) напряжению цикла (σтах или τтах) так, как если бы этонапряжение было статическим.

риала соединяемых деталей при статических нагрузках. (Для металлических конструкций запас прочности s ≈ l,4.. .1,6).

При переменных нагрузках рекомендуют рассчитывать прочность не только сварного шва, но и самих деталей в зоне этого шва. Допускаемое напряжение для деталей в зоне шва также умножают на коэффициент γ. Для углеродистых сталей у вычисляют по формуле

где R = σmin/σmax или τmin/τmах – коэффициент асимметрии цикланапряжений;

Кэф – эффективный коэффициент концентрации напряжений, который относится и к нормальным напряжениям σ и к касательным напряжениям τ (см. табл. 8.2.2 и 8.2.3). Верхние знаки при растягивающем, наибольшем по абсолютному значению напряжении, и при касательных напряжениях. Ниж-

136

ние при сжимающем. В переходной зоне (R = - 1 или близко к этому) расчет ведут по более опасному напряжению.

Если при вычислении у по формуле (8.2.22) получают γ >1, то в расчет принимают у=1. Это обычно получается при большой асимметрии цикла R>0 и указывает на то, что для данного цикла решающее значение имеет не сопротивление усталости, а статическаяпрочность.

Таблица 8.2.2

В таблице 8.2.4 приведены допускаемые напряжения в МПа для металлоконструкций промышленных сооружений (подкрановые балки, строительные фермы и т.п.)

137

Таблица 8.2.4

Допускаемые напряжения в металлоконструкциях промышленных сооружений

Пример 8.2.1. Рассчитать кронштейн и сварное соединение (см. рис.

8.2.12) при F =105 H ; T =153 Hм, нагрузка статическая, толщина листа δ =14 мм, материал листа сталь Ст З (σт=220 МПа), сварка ручная электродом Э-42.

Решение 1. Определяем ширину b листа по условию его прочности. Принимая s =1,5 (см. табл. 8.2.1), находим [σ]p = σT/s = 220/1,5 =147 МПа.

Учитывая только основную нагрузку Т, получаем

С учетом нагрузки F принимаем δ =250 мм и проверяем прочность при суммарной нагрузке

2. Определяем размеры швов. Принимаем lл= b = 250 мм, k = δ= 14мм. Предварительно оцениваем lф только по основной нагрузке Т, используя формулу (8.2.13). При этом согласно табл. 8.2.1 принимаем

[τ'] = О,6[σ]р = 88 МПа;

τТ = 88 = 15*106/(lф*0,7*14*250+0,7*14*2502/6),

из этого равенства найдем lф=28 мм. Примем lф =60 мм (исполнительный размер с учетом неполноценности шва на концах lф =70...80 мм).

Проверяем прочность швов по суммарной нагрузке [см. формулу (8.2.14)]:

τF =105/[0,7*14(2*70+ 250)] ≈25 МПа [см. формулу (8.2.11)];

уточняем τТ =15*106/(0,7*14*70*250 + 0,7*14*2502 /6) =54,8 МПа [см.

формулу (8.2.3)];

138

τ =τТ +τМ =25+54.5 = 79.8 < [τ′]=88 МПа.

Пример 8.2.2. Рассчитать сварной шов (см. рис. 8.2.16): d=140 мм, толщина стенки трубы δ =12 мм, T=1,5*104Нм, М = 9*103Нм, нагрузка статическая. Материал трубы— сталь СтЗ, сварка ручная электродом Э42. Сама труба рассчитана по [σ]р=147 МПа

Решение. Напряжение от Т по формуле (8.2.17)

τТ ≈ 2Т /(0,7kπd 2 ) =2*1,5*107 /( 0,7*3,14*1402*к) = 696/к.

Напряжения от М по формуле (8.2.18)

τМ ≈ 4М /(0,7kπd 2 ) = 4*9*106 / (0,7*3,14*1402к) =835/к.

Суммарное напряжение по формуле (18.19)

τ = τТ2 +τМ2 = (1/к)6962 + 8352 =1087/к ≤[τ′] = 88МПа.

Отсюда находим к =1087 / 88 =12,5мм.

Отметим, что для принятой конструкции шва при условии равнопрочности шва и трубы требуется размер катета шва k больше толщины стенки трубы, а это противоречит изложенным выше рекомендациям. Более совершенно данное соединение выполнить стыковым швом с разделкой кромок. В этом случае

тивления изгибу в 2 раза меньше, причём при изгибе действуют не касательные напряжения, а нормальные. Суммарное напряжение запишется в виде

σ = σМ2 + 4τТ2 ≤[σ′]р

8.3Оформление чертежей сварных металлоконструкций

Недостаточно чёткое оформление чертежа, даже правильно сконструированной и тщательно рассчитанной сварной конструкции, может привести к тому, что после изготовления она уйдёт в брак, если в полной мере не были указаны требования по технологическому процессу сварки, по допускаемым отклонениям от размеров, по наложению швов, по снятию остаточных напряжений и неправильно обозначены сварные швы.

В технических требованиях на чертеже сборочной единицы металлоконструкции и даже детали, получаемой методом тепловой резки из металлопроката, должны обязательно указываться:

1. Стандарт на отклонение от геометрических размеров с учётом припусков на последующую механическую обработку. Предприятия тяжёлого машиностроения, вагоностроения и тяжёлого транспортного машиностроения применяют ОСТ 24.940.01-82. Руководящие технические материалы для разных отраслей машиностроения разработаны головными отраслевыми институтами. Единый Российский стандарт по данному разделу не разработан, поскольку от-

139

раслевые требования и технологические возможности предприятий весьма различны.

2. Стандарт на исполнение сварных швов. Ниже указан ряд стандартов. ГОСТ 5264 – Швы сварных соединений из углеродистых и низколегированных сталей, выполняемые ручной электродуговой сваркой металлическим плавящимся электродом во всех пространственных положениях. Стандарт не распространяется на швы сварных соединений труб и швы, выполняемые мето-

дом сварки глубокого проплавления.

ГОСТ 11534– Сварные соединения из углеродистых и низколегированных сталей, выполняемые ручной дуговой сваркой плавящимся электродом во всех пространственных положениях при толщине свариваемого металла до 60 мм включительно с расположением свариваемых деталей под острыми и тупыми углами.

ГОСТ 8713 – Швы сварных соединений из углеродистых и низколегированных сталей, выполняемые автоматической или полуавтоматической сваркой под флюсом.

ГОСТ 11533 – Сварные соединения из углеродистых и низколегированных сталей, выполняемые автоматической и полуавтоматической сваркой под флюсом с расположением свариваемых деталей под острыми и тупыми углами.

ГОСТ 14771 – Швы сварных соединений из сталей, выполняемые сваркой в защитных газах. Стандарт не распространяется на сварные соединения труб.

ГОСТ 15164 – Швы сварных соединений, выполняемые электрошлаковой сваркой в конструкциях из низкоуглеродистой, низколегированной и легированной сталей.

ГОСТ 15878 – Расчетные сварные соединения конструкции из низкоуглеродистой и низколегированной стали, выполняемые контактной электросваркой. Стандарт не устанавливает основные типы и конструктивные элементы сварных соединений, выполняемых контактной Т-образной электросваркой.

3.Стандарт на применяемые сварочные и наплавочные материалы (электроды, сварочную проволоку, защитные газы и флюсы).

4.Требования по снятию остаточных деформаций (общий или местный отпуск, термопластическую обработку, дробеструйную обработку, прочеканивание швов и т.п.).

Пример технических требований на чертеже рядовой сварной рамы привода:

1.Изготовление по ОСТ 24940.01-82.

2.Сварные швы по ГОСТ 14 77195 в среде углекислого газа.

3.Варить проволокой Св08 -Г2С ГОСТ2246-80.

4.Неуказанные сварные швы Т1 - ∆ 5 по местам прилегания деталей.

5.Общая длина швов 12м. Масса швов 2,5 кг.

6.После сварки отпуск.

7.Общие допуски по ГОСТ 30893.1: Н14; h14; +/- JT14 /2 .

140

Условные изображения и обозначения сварных соединений.

Шов сварного соединения независимо от способа сварки условно изображают:

видимый – сплошной основной линией (рис. 8.3.1, а, в), невидимый – штриховой линией (рис. 8.3.1, г). Видимую сварную точку, независимо

от способа сварки, изображают знаком «+», невидимую не изображают.

От изображения шва или одиночной точки проводят линию-выноску, заканчивающуюся односторонней стрелкой (см. рис. 8.3.1). Линию-выноску предпочтительно проводить от изображения видимого шва.

На изображение сечения многопроходного шва допускается наносить контуры отдельных проходов, при этом их необходимо обозначать прописными буквами русского алфавита (рис. 8.3.2).

Рис. 8.3.1. Условные обозначения

сварных швов

Шов, размеры конструктивных элементов которого стандартами не установлены (нестандартный шов), изображают с указанием размеров конструктивных элементов, необходимых для выполнения шва по данному чертежу (рис. 8.3.3).

Вспомогательные знаки обозначения сварных швов приведены в табл. 8.3.1, в которой следует учитывать следующее: З а лицевую сторону одностороннего шва сварного соединения принимают сторону, с которой производят сварку. За лицевую сторону двустороннего шва сварного соединения с несимметрично подготовленными кромками принимают сторону с которой производят сварку основного шва. За лицевую сторону двустороннего шва сварного соединения симметрично подготовленными кромками может быть принята любая сторона.

Таблица 8.3.1

141