2.2. Сварные соединения

Соединения различают на соединения встык, внахлестку, по расположению швов на лобовой, фланговый, косой, прорезной, комбинированный. По форме раздела кромки — без разделки кромки, с V — образной, Y — образной, Х — образной разделкой.

По технологии сварки — нижнее положение, вертикальное и потолок.

Рис.2.4. Виды сварных соединений

m=dsin45°= 0,7d. (2.15)

Если шов односторонний — F= 0,7dl_расч[t]_ср. (2.16)

Если шов двухсторонний — F= 1.4dl_расч[t]¢_ср, (2.17)

где [t]¢_ср — для наплавленного материала

При расчете сварных соединений встык применяются два допущения: усилие равномерно распределяется по длине шва, напряжение распределяется равномерно по рабочему сечению шва.

s_р=Р/dе£[s]¢_р F=dе[s]_р, (2.18)

где l — рабочая длина сварного шва, как правило l = b, но не всегда.

Коэффициентом прочности сварного соединения называется отношение коэффициента прочности сварного шва к прочности листа

, если[s]_э=[s]_р, тоj=1, в заклепочных соединениях коэффициент прочности теоретически не может быть равен 1.

Вес сварного шва составляет 1,5…2% от веса конструкции, а вес заклепочного шва 3,5…4%.

Таблица 2.2.

Метод сварки	Соединение встык
	растяжение	сжатие
Ручной электрод Э34	0,6[s]	0,75[s]
Ручной, газовая сварка, электрод Э42	0,8[s]	0,9[s]
Автоматическая сварка, электрод Э42	0,9[s]	[s]

При знакопеременных напряжениях вводят коэффициент , гдеP—напряжение цикла.

Соединения встык.

Все виды подготовки кромок принимаются равноценными.

Рис. 2.5. Виды сварных швов

Наибольшее расчетное усилие растяжения или сжатия, допускаемого для данного соединения встык (а) и (б), определяется

N=lS[s]¢_р или N=lS[s]_сж¢ , (2.19)

где N — допускаемое усилие, кг, l — длина шва, см, S — толщина свариваемых листов, см.

Сварное соединение встык, выполненное косым швом (б) с углом b=45° при ручной сварке электродами Э42 и Э42А и автоматической сварки под слоем флюса, считается равнопрочным целому сечению

Расчет прочности соединения встык, работающего на сложное сопротивление (в) определяется

, (2.20)

где s — расчетное напряжение, кг/см^2, М_изг — изгибающий момент, кг/см,

h — высота листа, см, N — продольная сила, кг, S — толщина.

Соединения внахлестку.

Рис.2.6. Соединения внахлестку

Соединения внахлестку выполняются угловыми (валиковыми) швами: лобовыми (рис.2.6 (а)), фланговыми (рис.2.6 (б)), косыми (рис.2.6 (в)), и комбинированными (рис.2.6 (г)) с нормальной (рис.2.6 (д)) и улучшенной (рис.2.6 (е)) формой сечения углового шва.

Другой улучшенной формой углового шва является форма шва на (рис.2.6 (3)), которая чаще всего практически получается по (рис.2.6 (4)).

Минимальная длина углового шва не должна быть менее 30 мм, т.к. при меньшей длине дефекты в начале и конце шва значительно снижают его прочность. Длина фланговых швов не должна превышать 50…60 величин катета шва. Максимальная длина лобового и косого швов не ограничивается. Минимальная величина катета шва принимается равной 3 мм, если толщина металла ³3 мм. Величина нахлестки должна быть не менее4S_min.

Расчет прочности угловых швов всех типов производится на срез по критическому сечению, совпадающему с биссектрисой прямого угла. Нагрузочная способность соединения, состоящего из лобовых и фланговых швов, определяется

N=S0,7kl[t]¢_ср= 0,7kL [t]¢_{ср ,} (2.21)

где N—допускаемое продольное усилие, кг,l—длина отдельных участков швов, см,L—длина всего периметра угловых швов, см,k—величина натяга шва, см.

При сварке элементов с несимметричным сечением усилия на швы определяются

При расчете прочности соединений, состоящих из нескольких угловых швов и работающих на сложное сопротивление, исходят из принципа независимости действия сил и определяют напряжения

Рис.2.7. К расчету сварного шва

(2.22)

При этом принимается, что сила Qвоспринимается только вертикальными швами, вызывая в них напряжения

(2.23)

и проверка прочности производится по условной геометрической сумме

(2.24)

Одним из основных факторов, влияющих на ударную выносливость соединения, является очертание шва (плавность перехода к основному металлу). Наиболее действенными способами повышения ударной выносливости является заглаживание швов и мест перехода к основному металлу, а также поверхностный наклеп дробью или плавно молотками. Но при малом количестве циклов эффект применения наклепа уменьшается, наклеп снижает пластичность, что нежелательно для конструкций, работающих при низких температурах, предложен метод аргонодугового оплавления.

Виды сварки обозначаются: э/дуговая —Э, газовая—Г, контактная—Кт, в среде защитных газов—З. Монтажные швы обозначаются—М.

Прерывистый и точечный шов — /, прерывистый и точечный при шахматном расположении швов—Z, шов по периметру—, шов по незамкнутому—контуру ГОСТ 5263-58

Соединения втавр и угловые.

Рис.2.8. Соединения втавр

Соединения (по рис.2.8 (а)) при работе на растяжение рассчитываются

N=1.4.kl[t]¢_ср, гдеN—допускаемое усилие, кг,lиk— длина и натяг шва, см.

Соединения по (рис.2.8 (е), (д), (ж)) рассчитываются на растяжение

N=lS[s]¢_р(2.25)

На сжатие

N=lS[s]¢_сж,(2.26)

где S—толщина листа, см;

соединения угловые (рис.2.8 (г), (е), (з)), как правило, формируют сечение из отдельных элементов и расчету прочности не подвергаются.

Соединение прорезное и пробочное.Прорезные соединения (рис.2.9 (а) и (б)) допускаются лишь в случаях, когда угловые швы достаточны для скрепления элементов. Рекомендуемые размеры прорезейа=29,l=(10…25)S, гдеS—толщина металла.

Расчет прорезных швов ведется по формуле

N=2lS[t]¢_ср(2.27)

Пробочные швы (проплавные электрозаклепки (рис.2.9 и и рис.2.9 г) допускаются в качестве не рабочих для плотности прилегания соприкасающихся элементов.

d

l

Рис.2.9. Соединения прорезные и пробочные

Соединения при контактной сварке.

Q

S

Б)\

А)

N

N

d

Рис.2.10. Контактная сварка

При точечной сварке число и толщина соединяемых элементов зависят от типа применяемых машин и режима сварки. Диаметр точки d=1.5S+5мм, гдеS—толщина свариваемых элементов, наименьшая. Расстояние между точками а³3d, но не менее 60мм при двух элементах (рис.2.10 (а) и (д)) а³4d, но не менее 80 мм при трех соединяемых толщинах (рис.2.10 (б) и (е)).

Расстояние от ряда точки до ребер жесткости, кромок уголков и тому подобных элементов (рис.2.10 (в) и (г)) должно быть не менее 2d.

Точки рассчитываются на срез

, (2.28)

где t—действующее напряжение, кг/см_2,N—продольное усилие,n—число точек в соединении.

Таблица 2.3

Допускаемые напряжения для швов металлоконструкций

Допускаемое напряжение при сварке
Тип сварного шва	Род напряжений	Ручная электродом Э=34	Ручная электродами и автоматич. под Ст0, Ст2	Э42,Э42А, слоем Ст3	Э50А,Э55А флюса 15ХСНД
Встык	Растяжение Сжатие	1000 1100	1100 1250	1300 1450	1800 2000
Встык, угловые и прочие	Срез	800	1000	1100	1550

Вид напряжения	При применении	Электродов Э42	При применении электродов	Э46, Э50
Сжатие	1100	С учетом доп. нагрузок 1100	1450	С учетом доп. нагрузок 1600
Растяжение	1000	1100	1300	1450
Срез	800	1000	1100	1250

Тип сварного соединения	Род напряжения	Допускаемые при ручная, электродом Э42	Напряжения сварке автоматич. под слоем флюса, ручная электродом Э42А
Встык	Растяжение Сжатие Срез	0,9[s]р [s]р 0,6[s]р	[s]р [s]р 0,65[s]р

При работе соединений при переменных и знакопеременных нагрузках допускаемые напряжения понижаются умножением на коэффициент g, величина которого зависит отN_min/N_max,Стыковой шов:g=0,75…1,0, основной металл точечных швовg=0,46…1,0, угловые швыg=0,6…1,0.

Расчет сварных соединений внахлестку.При этой сварке сварные швы по отношению к действительным могут быть лобовые, фланговые, комбинированные и прорезные. Длина фланговых швовl£50 толщин сварного листа.

Если сварка перпендикулярная —лобовая.

Рис.2.11. Соединения внахлестку

Установлено, что лобовые швы, как фланговые, работают на срез

(2.29)

где b=l частоk = SА_э= 2ml = 2∙0,7∙dl(2.30)

Расчет косых швов и комбинированных швов

Рис. 2.12. Виды сварных швов

b³45° F=0,7dl[d]¢_ср (2.31)

b<45° F=0,7dl[t]¢_ср (2.32)

F=0,7Ld[t]¢_ср(2.33)

где L—периметр,l₁для прорезных швов берется от 10…25 толщин сварного листа.

(2.34)

в этом случае шов от нагружения момента будет работать t=6М/0,7кl²

в этом случае

(2.35)

Расчет соединений, работающих на изгиб.

Рис.2.13. К расчету сварного шва соединений, работающих на изгиб

, где (2.36)

(2.37)

t=M/W£[t]¢, где W=0,7kl²/6 (2.38)

, где A = 0,7kh (2.39)

Таблица 2.4

Допускаемые напряжения для швов металлоконструкций

Метод сварки	Лобовые, фланговые, прорезные, косые, комбинированные
Ручной, электрод Э-34	0,5[s]
Ручной, газовая сварка, электрод Э-42	0,6[s]
Автоматич. сварка , электрод Э-42	0,65[s]

При знакопеременных нагрузках вводят коэффициент, гдеP- напряжение цикла

Метод расчета по осевому моменту.Исходят из предположения, что момент приложен извнеM=òtdAy=t1Y_z,

где y—текущая координата,t—касательные напряжения на площадкеdA,

t₁—напряжения на единичном от оси расстоянии,Y_z—момент инерции периметраLшвов относительно оси элемента

(2.40)

Эта формула годна для сплошного очертания периметров.

Рис.2.14. К расчету сварного шва по осевому моменту

Расчет швов по полярному моменту.В отличие от первого случая длина швов значительно больше

M=ò_AtdAl=t₁Y_p,(2.41)

где t—напряжения на площадкеdA,t₁—напряжение на единичном расстоянии от центра соединения,Y_p—полярный момент инерции периметраLиY_р=Y_z+Y_y.

Условие прочности по полярному моменту

. (2.42)

Если действует только центральная сила F, то уравнение прочности запишется

(2.43)

При наличии в соединении усилия Qпринимается, что усилия передаются только на вертикальные швы и напряжения буду равныt_Q=Q/0,7kh.

Результирующие напряжения будут

(2.44)

Рис.2.15. К расчету сварного шва по полярному моменту

В ряде машин (транспортных) надежность конструкций в значительной степени определяется сопротивлением усталости сварных соединений. Предел выносливости сварных соединений имеет значительное рассеяние (стыковые соединение до 15%, лобовые швы внахлестку до 35%, тавровые соединения до 40%, сварные коробчатые балки до 30…40%).

Соответственно коэффициент вариации вследствие разброса качества сварного шва:

Стыковое, сварка ручная V_cb=0,05

Стыковое, автоматическая V_cb=0,03

Внахлестку V_cb=0,06

Втавр с разделкой кромок V_cb=0,04

Балки двутавровые V_cb=0,05

Коробчатые балки V_cb=0,09

Вероятностный расчет сопротивления усталости сварного соединения сводится к определению квантили нормированного нормального распределения

, (2.45)

где n—коэффициент запаса прочности по средним напряжениям,V_-1g—коэффициент вариации предела выносливости сварной детали,Va—коэффициент вариации нагрузки.

Значение V_-1gвычисляется по формуле

, (2.46)

где V_g—коэффициент вариации предела выносливости детали одной плавки без сварного шва (0,06),V_пл—коэффициент вариации среднего предела выносливости по плавкам (принимают 0,06…0,08),V_пов—коэффициент вариации предела выносливости в зависимости от состояния поверхностных свариваемых деталей (если окалина не удалена и кромка повреждена кислородной резкой, то берут 0,06).

Значение n=s_-1g/s_a,