сварные швы

1

1. ВВЕДЕНИЕ

Широкое применение при изготовлении металлических конструкций находит технология сварки.

При правильном выборе конструкции, материалов и технологии проведения сварочных работ создаваемые сварочные соединения по надежности не уступают заклепочным и болтовым соединениям.

Сварочные соединения подразделяются на стыковые, на-

хлёсточные, соединения с накладками, угловые, тавровые.

Важнейшими элементами любого сварочного соединения являются сварные швы, которые подразделяются на стыковые

(лобовые, косые), угловые (лобовые, фланговые и комбинированные). Проверка надежности сварочных соединений в основном сводится к проверке прочности сварных швов.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Сварочное соединение состоит из четырех зон: сварного шва, околошовной зоны, зоны сплавления и основного металла. Наиболее слабым местом соединения является околошовная зона. Эта зона берется в расчет сварочного соединения, хотя и неправильно называется сварным швом.

Сварные швы в зависимости от способа соединения листов, в основном, подвергаются деформированию двух видов – растя- жению-сжатию или сдвигу.

В зависимости от вида деформирования в них могут возникать внутренние усилия: продольная сила N или поперечная сила Q.

Соответственно, должны возникать нормальные напряженияэ или касательные напряжения τэ. Индекс "э" у напряжений показывает, что они появляются именно в сварных швах, т.е. напряжения сварочные, электродные.

Напряжения по сечениям сварных швов при растяжениисжатии и сдвиге считаются условно равномерно распределенными.

2

При расчете на прочность сварочных соединений используются специальные допускаемые напряжения: [σ]э и [τ]э. Они отличаются от допускаемых напряжений основного металла в меньшую сторону и получаются при испытаниях на растяжение и сжатие стандартных образцов со сварным швом. Разрушающие напряжения в сварочном соединении значительно ниже, чем при испытаниях образцов из основного металла, т.к. в сварочном соединении присутствуют все его зоны и в том числе ослабленная околошовная зона.

Также необходимо учитывать отличия результатов испытаний на растяжение и сжатие сварных швов, полученных с использованием некоторых металлических сердечников электродов. В этом случае допускаемые напряжения обозначаются особо: на растяжение [σ]э+, на сжатие [σ]э–.

Из всех сварочных соединений наиболее простым является стыковое, образованное путем заполнения зазора между торцами соединяемых листов расплавленным металлом электрода.

Самым опасным сечением стыкового соединения, с точки зрения расчета на прочность, является среднее сечение сварного шва (рис. 1, б, сечение I-I). Стыковой сварной шов работает на растяжение и поэтому в его среднем (расчетном) сечении возникает продольная сила N, равная внешней нагрузке Р и нормальные напряжения σэ.

При расчете на прочность используется геометрическая характеристика – площадь сечения стыкового сварного шва. Она

Длина стыкового сварного шва шв принимается равной ширине соединяемых листов, уменьшенной на 0,01 м (1 см) за счет непровара с каждой стороны, т.е. недоведения качественного сварного шва до ширины соединяемых листов. Неучёт непровара шва ослабляет сварочное соединение.

3

Высота стыкового сварного шва hшв принимается равной толщине соединяемых листов с пренебрежением наплавления металла сверх толщины листов, что не ослабляет сварочное соединение, а идет в запас его прочности.

= hшв

Р Р

I

b шв

I

Рис. 1. Сварочное стыковое соединение

Для усиления стыкового сварного шва возможно его создание в косом исполнении (рис.2). Длина такого шва увеличивается, в связи с чем прочность сварочного соединения возрастает.

Р Р

Рис. 2. Сварочное соединение косым стыковым швом

Также, возможно усиление сварочных соединений путем введения в него дополнительных сварных швов. Например, ис-

5

В опасном (расчётном) сечении возникают максимальные сдвигающие поперечные силы Q, а, следовательно, и максимальные касательные напряжения τэ.

Пример 1

Дано:

Сварочное стыковое соединение (рис.5), состоящее из двух листов, связанных одним лобовым швом.

Ширина листов b = 0,5 м (50 см), толщина = 0,02 м (2 см). Листы изготовлены из стали марки ВСт3сп5.

Сварной шов выполнен с применением электродов типа Э 48, марки УОНИ 13/48 с допускаемым напряжением на растяжение [ э]+ = 100 МПа, (1000 кг/см2).

Соединение нагружено растягивающей силой Р = 100 кН (10 т).

Задание.

Проверить стыковый лобовой сварной шов на прочность. Решение:

Определим по методу сечений внутреннее усилие при растяжении сварного шва – продольную силу N. Она равна внешней силе (рис. 5, в)

N = Р = 100 кН (10 т).

Определим длину стыкового сварного шва с учетом непроварашв b 0,01 0,5 0,01 0,49м (49 см).

Определим высоту стыкового лобового сварного шва без учета наплавления металла при сварке

hшв = = 0,02 м (2 см).

Определим площадь сечения стыкового лобового сварного шва

Fшв = ℓ hшв = 0,49·0,02 = 0,0098 м2 = 98·10-4 м2 (98 cм2).

6

Определим нормальные напряжения в расчетном сечении стыкового лобового сварного шва

Рис. 5. Определение внутренних усилий в сварочном стыковом соединении по методу сечений:

а) фронтальная проекция сварочного соединения; б) горизонтальная проекция сварочного соединения; в) оставшаяся часть соединения после рассечения; г) расчетное сечение сварного шва

Проверим прочность стыкового лобового сварного шва

σэ = 10,2 МПа < э = 100 МПа.

Вывод: условие прочности стыкового лобового сварного шва удовлетворяется.

7

Пример 2

Дано:

Сварочное стыковое соединение (рис. 6.), состоящее из двух листов, связанных косым сварным швом с углом наклона 45о .

Ширина листов b = 0,5 м (50 см), толщина = 0,02 м (2 см). Листы изготовлены из стали марки ВСт3сп5.

Сварной шов выполнен с применением электродов типа Э 48, марки УОНИ 13/48 с допускаемым напряжением на растяжение [ э]+ = 100 МПа, (1000 кг/см2).

Соединение нагружено растягивающей силой Р = 100 кН (10 т).

I

b

I

Рис. 6. Сварочное стыковое соединение косым сварным швом

Задание.

Проверить косой стыковый сварной шов на прочность. Решение:

Определим нормальные напряжения в расчетном сечении сварного шва

э cos 100 103 cos 45o 7191000 н/м2 = Fшв 98 10 4

= 7,19·106 Па = 7,19 МПа (72,9 кг/см2).

Проверим прочность косого стыкового сварного шва

8

σэ = 7,19 МПа < э = 100 МПа.

Вывод: напряжение в косом стыковом сварном шве меньше, чем напряжение в лобовом стыковом сварном шве (см. Пример 1).

Пример 3

Дано:

Сварочное нахлёсточное соединение (рис. 3), состоящее из двух листов, связанных двумя угловыми лобовыми сварными швами.

Толщина листов = 0,015 м(1,5 см), ширина листов b = 1,0 м (100 см).

Листы изготовлены из стали марки ВСт3сп5.

Сварные швы выполнены с применением электродов типа Э 48, марки УОНИ 13/48 с допускаемым напряжением на сдвиг [ э] = 80 МПа (800 кг/см2).

Нагрузка, действующая на сварочное соединение, Р = 200 кН (20 т).

Задание.

Проверить угловые лобовые сварные швы на прочность. Решение:

Из рис. 4, а видно, что в каждом из двух угловых лобовых швов возникают одинаковые внутренние сдвигающие усилия Q, равные половине внешней нагрузки Р.

Для расчетов на прочность необходимо знать геометрическую характеристику сечения. В данном случае это площадь расчетного сечения углового лобового шва. Вводятся упрощение за счет неучёта наплавления сварного шва (лишний наплавленный металл идет в запас прочности сварочного соединения). Из рис. 4, б видно, что наименьшая сторона (с) поперечного сечения сварного шва может быть найдена через высоту шва hшв, путем рассмотрения прямоугольного треугольника, схематично изображающего поперечное сечение сварного шва.

Определим внутреннее усилие, возникающее в угловом лобовом сварном шве

9

Q P 200 100 кН (10т).

22

Определим наименьшую сторону сечения углового лобового сварного шва

с = hшв sin45о = sin45о = 0,015·0,707 = 0,00106 м (1,06 см).

Определим длину углового лобового сварного шва, которая равняется ширине листа за вычетом 0,01 м (1 см) на непровар

шв = b – 0,01 = 1 – 0,01 = 0,99 м (99 см).

Площадь расчетного сечения углового лобового сварного шва равна

Fшв = шв с = 0,99·0,00106 = 0,00105 м2 ( 10,5 см2).

Определим касательные напряжения в угловых лобовых

Проверка прочности угловых лобовых сварных швов

э 9,53 МПа < э 80 МПа.

Вывод: условие прочности угловых лобовых сварных швов удовлетворяется.

Пример 4

Дано:

Сварочное нахлёсточное соединение, состоящее из двух листов с двумя фланговыми сварными швами (рис. 7). Толщина листов = 0,01 м (1см). Длина нахлёста b = 0,5 м (50см). Листы изготовлены из стали ВСт3сп5.