6.1 Цель работы

Проведение теоретического исследования предельной несущей способности различных видов сварных соединений и экспериментального изучения распределения напряжений во фланговых угловых швах.

6.2 Задачи исследований

17. Изучение типов сварки и видов сварных соединений, а также теоретических основ расчета сварных соединений.

18. Проведение расчета предельных нагрузок различных видов сварных соединений для наиболее распространенных случаев нагружения.

19. Знакомство с принципом работы экспериментальной установки и методикой измерения напряженного состояния сварного соединения.

20. Экспериментальное определение напряжений в различных точках нахлесточного сварного соединения фланговыми угловыми швами.

21. Проведение сравнительного анализа теоретических и экспериментальных результатов.

22. Формирование отчета и выводы по результатам работы.

6.3 Ключевые слова и понятия

Неразъемные соединения, сварка, сварной шов, флюс, нагрузочная способность, предельные напряжения.

6.4 Объект исследования и оборудование

Универсальная лабораторная установка «Механические соединения», набор гаечных ключей. Контрольно-измерительная система: персональный компьютер (Windows 2000/NT/XP, LabVIEW, APM WinMachine), датчики измерения усилий и напряжений.

6.5 Теоретическая часть

Сварные соединения – это неразъемные соединения, основанные на использовании сил молекулярного сцепления и получаемые путем местного нагрева деталей до расплавленного состояния или до консистентного состояния с применением механической силы. Сварные соединения обеспечивают полную взаимную фиксацию деталей и являются наиболее совершенными неразъемными соединениями, так как максимально приближают габаритные составные детали к целым и позволяют изготавливать детали неограниченных размеров. Прочность сварных соединений очень высока и в некоторых случаях доходит до прочности целой детали.

Применение сварных конструкций позволяет в наибольшей мере снизить материалоемкость сборных изделий. Сварка технологична и особенно эффективна в единичном и мелкосерийном производстве. К недостаткам сварных конструкций относятся коробление соединяемых элементов вследствие местного нагрева шва и последующего неравномерного его остывания, нестабильность качества шва, возникновение концентрации напряжений в шве (но ее можно заметно уменьшить последующей механико-термической обработкой шва). Сварные конструкции ответственного назначения нуждаются в последующей термической и чистовой механической обработках.

Число видов сварки достаточно велико. Их выбор зависит от вида и марки материала, размеров и формы деталей, уровня требований к качеству шва и других условий. Основной характеристикой соединения служит суммарная длина сварного шва.

В зависимости от взаимного расположения соединяемых деталей различают четыре вида сварных соединений (ГОСТ 5264):

• стыковые соединения. В месте соединения детали лежат в одной плоскости (рисунок 6.1а). По стандарту соединение обозначается буквой С и устанавливается 25 их разновидностей (С1...С25), различающихся формой подготовки кромок (наличие отбортовки, скоса кромок с одной или двух сторон и т.д.);

• угловые соединения. Здесь кромки поверхностей соединяемых деталей перпендикулярны или наклонены друг другу (рисунок 6.1б). Соединение обозначается буквой У и устанавливается 15 их разновидностей (У1...У15);

• тавровые соединения. Плоскость одной соединяемой детали соприкасается торцом с плоскостью другой детали и перпендикулярна или наклонна к ней (рисунок 6.1в). Соединение обозначается буквой Т и устанавливается 16 их разновидностей (Т1...Т16);

• нахлесточные соединения (внахлест). Поверхности деталей частично накладываются друг на друга (рисунок 6.1г). Соединение обозначается буквой Н и устанавливается 8 их разновидностей (Н1...Н8).

Рисунок 6.1 – Виды сварных соединений

а – стыковое, б – угловое, в – тавровое, г – внахлест

Основными видами отказа сварных соединений являются разрушение шва, прочность которого, особенно при циклическом нагружении, меньше прочности основного материала.

Расчет сварных соединений на прочность ведется также как и для деталей вообще с той единственной особенностью, что величины допускаемых напряжений принимаются заниженными по сравнению с аналогичными значениями, принятыми при расчете монолитных деталей.

Рекомендованные значения допускаемых напряжений для сварных швов при статической нагрузке по отношению к допускаемому нормальному напряжению при растяжении σ_р основного материала приведены в таблице 6.1. Допускаемые напряжения в сварных швах для отличия от напряжений в целых сечениях отмечают штрихом и.

Допускаемое напряжение сварного шва при растяжении определяется как отношение предела текучестик коэффициенту запаса прочности

. (6.1)

Рекомендованные значения коэффициента запаса лежат в диапазоне S=1,31,5, причем меньшие значения берутся для более высококачественной сварки и наоборот. В том случае, если свариваются металлы с различными механическими свойствами, то расчет допускаемых напряжений ведется для материала, обладающего меньшим значением предела текучести.

Стыковые соединения (рисунок 6.1а) являются наиболее совершенными, так как максимально приближают размеры соединяемых деталей к монолитному изделию. Стыковые соединения в процессе работы могут воспринимать произвольно направленные нагрузки и моменты так же, как и соединяемые элементы.

Напряжения растяжения (сжатия)

, (6.2)

где l – длина шва; s – толщина соединяемых элементов.

Таблица 6.1 – Допускаемые напряжения для расчета статической прочности сварных соединений

Напряженное состояние	Тип шва	Способ сварки	Допускаемое напряжение
Растяжение, сжатие	Стыковой	Дуговая автоматическая и полуавтоматическая под флюсом Дуговая ручная Контактная, электронно-лучевая, диффузионная
Срез	Угловой Стыковой Угловой	Дуговая автоматическая и полуавтоматическая под флюсом Дуговая ручная

Напряжения от изгибающего момента

, (6.3)

где W_c – момент сопротивления расчетного сечения шва.

Напряжения от изгибающего момента в плоскости соединяемых элементов и растягивающей (или сжимающей) силы F

. (6.4)

Нахлесточные соединения – когда боковые поверхности частично перерывают друг друга. Соединения такого типа выполняют угловыми швами, которые имеют форму близкую к равнобедренному треугольнику (рисунок 6.1г). Угловые швы по направлению относительно нагрузки разделяют на: поперечные или лобовые, расположенные перпендикулярно направлению силы (рисунок 6.2б); продольные или фланговые, расположенные параллельно направлению силы (рисунок 6.2а); косые, расположенные под углом к направлению силы (рисунок 6.2в); комбинированные, представляющие собой сочетание двух или всех трех перечисленных швов (рисунок 6.2г).

Геометрически угловой шов можно характеризовать катетом k (значение катета в машиностроительных конструкциях рекомендуется выбирать из диапазона 3≤ k ≥20 мм). Разрушение угловых швов происходит по наименьшему по площади сечению плоскостью n-n, проходящей через биссектрису прямого угла (рисунок 6.3). Площадь опасного сечения A=lkcosα, где l – длина шва. Так cos45°≈0,707, то площадь опасного сечения можно упрощенно записать в виде A=0,7lk.

а) б) в) г)

Рисунок 6.2 – Виды нахлесточных соединений

Рисунок 6.3 – Расчетная схема флангового шва

Значения наибольших касательных напряжений  находится из уравнения равновесия, которое при условии постоянного характера распределения напряжения по длине шва имеет вид

, (6.5)

где L=2l – периметр сварного шва.

Исходя из этого условие расчета на прочность флангового шва можно представить в виде

. (6.6)

Схема работы лобового шва более сложна, а именно, опасными сечениями в этом случае являются наклоненные под углом 45° (рисунок 6.4) и в данном сечении помимо касательных действуют еще и нормальные напряжения.

Рисунок 6.4 – Расчетная схема лобового шва

Так как разрушение таких швов происходит по наклонным (под углом α=45°) линиям, то в предположении равномерности нагружения шва по его длине из уравнения равновесия следует

; . (6.7)

Очевидно, что расчет статической прочности в условиях подобного нагружения следует проводить по эквивалентным нормальным напряжениям. Но в инженерной методике вводятся следующие допущения: 1) направление действия касательных напряжений считается совпадающим с плоскостью стыка, ошибка, которая при этом получается, компенсируется коэффициентом запаса прочности; 2) действием нормальных напряжений в опасном сечении пренебрегают. Все это позволяет рассчитывать с достаточной точностью лобовой шов только по касательным напряжениям.

Необходимо отметить, что в действительности во фланговых швах наблюдается концентрация напряжений по длине шва. Равномерная эпюра напряжений имела бы место, если бы шов был существенно податливее, чем соединяемые элементы, чего нет в действительности. В действительности характер распределения напряжений по длине шва значительно отличается от принимаемого. Рассмотрим напряженное состояние отдельных участков флангового сварного соединения.

Так как на протяжении сварного шва нагрузка постепенно передается с одной полосы на другую, то усилия, действующие на различных участках каждой из них, будут неодинаковы. В сечении, отстоящем, на расстояние x от начала шва (рисунок 6.5), полоса I будет нагружена силой , а полосаII – силой , причем всегда будет соблюдаться условие

. (6.6)

Участок ab длиной dx на каждой из полос под действием указанных сил соответственно удлинится и займет положение на полосе I – a₁b₁, на полосе II – a₂b₂ (рисунок 6.5б). При этом удлинения участка ab на полосе I и II определяются следующим образом

; , (6.7)

где A_I, A_II – площади сечений полос I и II.

Разность удлинений сопряженных участков полос I и II

, (6.8)

Как видно из рисунка 6.5б, отрезок представляет собой результат сдвига шва на длинеdx и с некоторым приближением может быть принят равным

. (6.9)

Поскольку φ мало отличается от прямого угла, можно принять

.

Напряжение сдвига в сварном шве может быть определено из уравнения

. (6.10)

Из этого уравнения следует, что на крайних участках шва, где разность деформаций соединяемых полос наибольшая, напряжения в швах максимальные. В средней части разность удлинений, а следовательно, и напряжения, будут наименьшими. На рисунке 6.5в показано распределение напряжений в швах при одинаковых сечениях соединяемых полос, а на рисунке 6.5г при разных сечениях полос (A_II >A_I).

На самом деле при соединении двух полос конечной жесткости по длине шва наблюдается эпюра напряжений с минимумом в средней части и пиками по концам шва (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5 – Схема распределения напряжений по длине флангового шва ()

и в поперечном сечении полосы (σ)

Аналитическое решение уравнения для распределения напряжений имеет следующий вид

, (6.11)

где x – координата текущей точки шва; ;E – модуль Юнга; G – модуль упругости второго рода.

Более сложные виды нагружений сварных швов изложены в литературе по курсу «Детали машин».

Необходимо отметить, что расчет сварных соединений на статическую прочность является не единственным, так как в большинстве случаев детали испытывают знакопеременные нагрузки. В этих случаях сварные соединения оказываются значительно слабее, чем монолитные.