книги из ГПНТБ / Майзель В.С. Сварные конструкции учебник

Конечным участком сварного соединения, принимающим на себя всю передаваемую нагрузку, являются сварные точки, рабо­ чая площадь которых определяется их диаметрами и их общим количеством.

Не менее важным участком точечно-сварного соединения яв­ ляется также и промежуточный участок перехода от основного элемента к сварным точкам.

Размеры этого участка определяются размерами основного элемента и сварной точки. В зависимости от условий работы со­ единения этот участок может характеризоваться двумя значе­ ниями своих рабочих площадей. Одна из рабочих площадей участка перехода (отнесенная к одному срезу сварной точки) К0 = bs0 представляет собой часть поперечного сечения основного элемента, расположенную непосредственно перед сварной точкой в зоне наибольшей концентрации напряжений. Эта рабочая площадь определяется шириной зоны Ь, передающей нагрузку на сварную

средственно примыкающая к сварной точке, определяется пери­ метром окружности сварной точки и толщиной основного эле­ мента S .

Для всех этих участков (в общем случае), кроме различий по форме и размерам рабочих сечений, имеют место еще и разли­ чия в свойствах их материала.

Все отмеченные участки соединения принимают участие в пере­ даче нагрузки, и поэтому между размерами, определяющими их расчетные сечения, могут быть установлены определенные соот­ ношения исходя из условий обеспечения необходимой проч­ ности соединения.

При передаче осевых нагрузок таким необходимым условием будет условие равнопрочности для всех этих участков сварного соединения.

Условие, выраженное формулой (4.38), представляет собой условие равнопрочности для двух первых из названных участков: основного элемента и сварных точек. Однако участок перехода условием (4.38) не учитывается. Поэтому необходимы дополни­ тельные условия, которыми участок перехода мог бы быть связан с основным элементом и сварными точками.

Все усилие, передаваемое с основного элемента на сварную точку, должно пройти через участок перехода, и поэтому условия равнопрочности в соответствии с двумя значениями рабочих пло­ щадей участка перехода могут быть выражены в виде двух сле­

также и условия работы сварной точки на отрыв, возможный в ре­ зультате появления нормальных напряжений от изгиба.

Экспериментальная проверка прочности сварной точки на от­ рыв проводится на образце, представленном на рис. 4.10, а.

По условию передачи растягивающего усилия с изогнутого элемента образца на сварную точку наиболее напряженными ока-

Рис. 4.10. Образец для испытания сварного точечного соединения на отрыв (а) и расчетная эпюра распределения в нем напряжений (б)

зываются участки, расположенные вблизи крайних точек про­ дольной оси сечения сварной точки (точки А на рис. 4.10). Участки, расположенные по поперечной оси сечения (по оси ВВ на рис. 4.10), оказываются нагруженными весьма слабо.

При применении упрощенных расчетов для учета такой не­ равномерности обычно снижают значения допускаемых напря­ жений.

Если в соответствии с эпюрой на рис. 4.10, б принять распре­ деление нормальных напряжений в сечении сварной точки по линейному закону (который соответствует не только условиям данного неравномерного распределения нормальных напряжений при отрыве, но также соответствует и изгибу), то усилие, прихо-

дящееся на элементарную единичную площадку, может быть выра­ жено следующим образом:

dP1 = oxdF.

В соответствии с рис. 4.10, б можно написать

dF = bxdx = -j-d*.

После подстановки и интегрирования получим

Если считать, что закон распределения касательных напряже­ ний в сечении переходной зоны по периметру сварной точки дол­ жен быть подобным закону распределения нормальных напряже­ ний в сечении сварной точки, то из равенства усилий, приходя­ щихся на соответствующие единичные площадки, следует:

Ру = Ту

или

что близко подходит к значениям, полученным эксперименталь­ ным путем.

Из условия (4.39) можно видеть, что с увеличением диаметра сварной точки значение допустимого для нее усилия Ясв растет быстрее, чем значение усилия, допустимого для переходной зоны Рп.

Это связано с тем, что рабочая площадь сварной точки FCBпро­ порциональна квадрату диаметра точки, тогда как рабочая пло­ щадь переходной зоны Еп пропорциональна только его первой степени.

При выборе диаметра сварной точки превышать значение, установленное соотношением (4.39"), нецелесообразно, так как запас прочности сварной точки при этом будет чрезмерно повы­ шенным, а слабым местом соединения станет ее переходная зона.

При этом также нарушается условие равнопрочности, поло­ женное в основу формулы (4.38), которая поэтому в этйх условиях становится уже неприменимой.

ИЗ

При работе соединения на осевую силу весьма интенсивному нагружению подвергается поперечное сечение, расположенное не­ посредственно у сварной точки.

В этом сечении нормальные напряжения распределены не­ равномерно. Наибольшая концентрация напряжений имеет место в средней части сечения, тогда как крайние части этого сечения нагружены незначительно. В таких условиях увеличение ширины поперечного сечения элемента сверх некоторого определенного предела не может повысить его несущую способность. В связи с этим, как показывают результаты экспериментальных исследо­ ваний, необходимо ограничить ширину участка площади попереч­ ного сечения элемента.

Такое ограничение ширины участка, приходящегося на одну сварную точку, может быть установлено на основании экспери­

Сопоставляя это выражение с формулой (4.39'), найдем

откуда, принимая т = 4,3, а также

іт' ] _Rcр ^ л 7

[о]R ~ ’ »

окончательно будем иметь

£ ~ 4,3-^- 0,7 я» 2,4.

Таким образом, из условия (4.40) следует, что наибольшая ширина сечения участка переходной зоны составляет

У точечно-сварных соединений (в отличие от соединений кле­ паных конструкций) ослабление сечения отверстиями отсутствует, в связи с чем определение минимальных размеров для шага точек в поперечном шве (а также и для расстояния их от края прикреп­ ляемой детали) не должно быть связано с условиями прочности.

Вполне очевидно, что по условиям прочности может быть до­ пустимым даже такое уменьшение шага сварных точечных швов, которое превращает их в непрерывные сплошные швы, являю­ щиеся не менее прочными, чем любые прерывистые швы.

В случае применения сложных профилей возникает необхо­ димость размещения сварных точек в продольном направлении, т. е. создание продольных рядов.

метра. Значения и и с при этом также будут пропорциональны первой степени диаметра сварной точки. Поэтому при значении

Приведенные в табл. 4.6 значения для расстояния сварной точки от края и шага продольного шва являются предельными значениями, уменьшение которых недопустимо по условиям проч-

Рис. 4.11. К распределению усилий в продольном шве сварного точечного соединения: а — схема соединения; б — эпюра распределения усилий между отдельными сварными точками; в — изменение несущей способ­ ности соединения в зависимости от количества сварных

точек в продольном шве

ности, — но увеличение их вполне возможно. Учитывая это, при окончательном выборе этих расстояний можно руководствоваться условиями, связанными с технологией процесса точечной сварки,

инесколько увеличивать приведенные здесь данные.

Впродольных швах сварных точечных соединений при осевой нагрузке распределение усилий между отдельными сварными точ­ ками является неравномерным, хотя по условиям принятых в обыч­ ных расчетах допущений эта неравномерность не учитывается.

Наиболее нагруженными оказываются крайние сварные точки продольного шва. Об этом можно судить по графику на рис. 4.11.

Степень неравномерности распределения усилий, определяемая отношением максимального значения усилия в крайней точке Ртах к среднему расчетному значению Рср, вычисленному исходя из

растет по мере увеличения числа сварных точек в продольном шве.

В связи с этим при увеличении числа сварных точек разру­ шающая нагрузка, приходящаяся на все соединение в целом, не всегда растет пропорционально их числу (рис. 4.11, в). При этом существует некоторый предел, после достижения которого даль­ нейшее увеличение числа сварных точек не приводит к повыше­ нию значения разрушающей нагрузки. Этот предел определяет также и возможность применения принятого упрощенного расчета. Отклонение от расчетных значений отмечается, начиная уже от числа сварных точек п = 3. Однако при этом еще возможно даль­ нейшее их увеличение, которое сопровождается некоторым по­ вышением значения разрушающей нагрузки. Считают, что окон­ чательный предел для дальнейшего увеличения числа сварных точек наступает при числе сварных точек в продольном шве, рав­ ном п = 5, когда дальнейший рост значений разрушающей на­ грузки совсем прекращается.

§ 18. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Пример 1. Определить величину расчетного растягивающего усилия для сварного стыкового соединения двух элементов из стали марки Ст. 3, имеющих прямоугольное поперечное сечение размерами 20 X 300 мм2.

В соответствии с формулой (4.25) расчетное усилие может быть принято равным

N = зІшЯІв.

При выполнении шва с применением выводных планок расчет­ ная длина шва может быть принята равной полной ширине основ­ ного элемента

/ш = 30 см.

Если при этом с помощью повышенного контроля, будет обес­ печено высокое качество сварного шва, то его расчетное сопротив­ ление может быть в соответствии с данными табл. 4.2 принято, как и для основного металла, равным

Ярв = 2100 кгс/см2 = 210 МПа.

При этом

N = 2 30 2100 = 126 тс = 1,26 МН.

Такое значение расчетного усилия при указанных условиях может быть принято в случаях применения любого способа элек­ тродуговой сварки (автоматического, полуавтоматического или ручного).

Расчетное усилие для стыковых соединений не зависит от формы подготовки свариваемых кромок и для всех их видов является одинаковым. Исключением является только случай применения односторонних швов, выполняемых без подварки корня шва или

без обеспечения формирования шва с обратной стороны. Для таких швов расчетное сопротивление должно быть снижено на 30%. Та­ кое положение приводит к значительному понижению расчетного усилия и поэтому его необходимо избегать. Оно встречается сравни­ тельно редко и может возникнуть только в случае, когда совсем нет доступа к сварному шву с его обратной стороны.

В случае, если контроль качества сварного шва будет обычным (будет осуществляться без применения физических методов), рас­ четное сопротивление для шва, выполняемого ручным (или даже полуавтоматическим) способом, снижается и принимается равным

/?рВ= 1800 кгс/см2 = 180 МПа.

Если при этом шов будет выполняться также и без применения выводных планок, то его расчетная длина должна быть снижена на 1 см по сравнению с шириной основного элемента

/ш = 30—1 = 29 см.

Для таких случаев величина расчетного усилия будет равна

N = 2-29-1800 = 104 тс = 1,04 МН.

При таком значении расчетного усилия нормальное напряже­ ние в сечении основного элемента будет равно

а = -у- = = 1730 кгс/см2 = 173 МПа,

что на 17,6% ниже расчетного сопротивления.

При большой длине основных элементов такое снижение рас­ четного усилия и связанное с этим их недонапряжение могут при­ вести к значительным излишним затратам металла и поэтому следует принимать указанные выше меры для соответствующего повышения качества сварного соединения', при котором обеспе­ чивается его равнопрочность с основными элементами конструкции.

Пример 2. Проверить условия равнопрочности угловых швов сварного соединения впритык с основным металлом и определить величину расчетного растягивающего усилия для случая приме­ нения основных элементов таких же, как и в предыдущем примере.

По аналогии с формулой (4.26) расчетное усилие будет равно

N = 1,4klmRyB.

При условии применения выводных планок длина угловых

В соответствии с данными табл. 4.2 значение расчетного сопро­ тивления принимаем равным

RСу = 1500 кгс/см2 = 150 МПа,

Величина расчетного усилия по данным предыдущего примера будет равна

N = 2-30-2100 = 126 тс = 1,26 МН.

Для обеспечения условий равнопрочности катет угловых швов соединения впритык должен быть равен

Пример 3. Определить размеры накладок и катет сварных угловых швов, необходимые для осуществления равнопрочного соединения тех же элементов, как и в двух предыдущих примерах, с применением двусторонних накладок и лобовых угловых швов.

По аналогии с формулой (4.32) величина расчетного усилия будет равна

N = l,4 k lluRCyB.

При условии применения выводных планок для сварки угло­ вых швов длина их может быть принята равной ширине накладок.

В случае применения в соединении только лобовых угловых швов ширина накладок принимается равной ширине основных элементов. При этом Іш — 30 ом.

Толщина накладок в этом случае не может быть меньше катета угловых лобовых швов и должна быть определена по условию

sH о? k.

Расчетное усилие по данным предыдущих примеров равно N = 126 тс = 1,26 МН.

Для обеспечения равнопрочного соединения катет сварных угловых швов должен быть равным

Толщина накладок может быть принята равной

sH= k = 2 см.

Длина накладок определяется с учетом обеспечения необхо­ димого нахлеста и может быть прийята равной

/„ = 2-3s = 2-3-/2 = 12 см.

Пример 4. Определить размеры накладок и катет сварных угловых швов, необходимые для осуществления равнопрочного соединения, как и в предыдущем примере, при дополнительном условии, что накладки могут быть приварены с применением ло­ бовых и боковых швов.