Зварні зєднання -посібник

- по металу шва

- по металу межі сплавлення

- розрахункові довжини шва відповідно без виведення кінців шва за межі з'єд- нання та з виконанням цієї умови; зменшення розрахункової довжини шва на 1см у порівнянні з його геометричною довжиною ураховує можливий непровар та кратер на початку та на кінці шва; n - кількість швів у з'єднанні. У з'єднаннях внапуск (рис. 2.19, а), які мають тільки флангові шви, n = 2 , а при наявності ло- бового шва (рис. 2.19, б) за L ω слід приймати сумарну довжину швів при n = 1.

В процесі проектування досить часто доводиться визначати або катет шва, або його довжину. Тоді, використовуючи вирази (2.26), (2.27), можна за- писати:

- при розрахунку по металу шва

33

Остаточно приймаються більші значення розмірів шва, визначені за (2.31), (2.33), або за (2.32), (2.34). При цьому зауважимо, що фактичні (геомет- ричні) довжини зварного шва приймають та позначають на кресленнях з ураху- ванням виразів (2.30).

в

Рис. 2.19. До розрахунку кутових швів симетричних зварних з'єднань: а - при дії поздовжньої сили; б - при дії згинального моменту в площині швів; в - при дії згинального моменту в тавровому з'єднанні

Перевіряючи міцність флангових швів, необхідно пам'ятати, що їх роз- рахункова довжина не повинна перевищувати значень:

34

Щоб пом'якшити концентрації напружень на кінцях шва, а також винести зони непроплавлення та кратера за межі довжини шва, рекомендується заводи- ти кутові шви за торці з'єднуваних елементів на 15-20мм.

Розрахунок з'єднань на дію згинаючого моменту виконують з урахуван- ням орієнтації зварних швів відносно площини дії моменту.

При дії моменту в площині розміщення швів (рис. 2.19, б), перевірка міцності по металу шва виконується за формулою:

де Ifx та Ify - моменти інерції розрахункового перерізу відносно головних осей

з'єднання; x2 + y2 - відстань від центра ваги периметра швів до найбільш віддаленої точки шва (точка А на рис. 2.19, б); x та y — координати найбільш віддаленої точки відносно головних осей з'єднання.

При наявності флангових та лобових швів з'єднання є симетричним ві-

дносно головної осі x − x (y = 0,5L 2 ), а вісь y-y віддалена від лобового шва на від-

стань xц:

Моменти інерції розрахункового перерізу за металом шва відносно го- ловних осей з'єднання обчислюються за наступними виразами:

При відсутності лобового шва з'єднання є симетричним відносно осі y-y,

тобто xц = 0,5L 2 , при цьому вирази (2.38) спрощуються:

35

При дії моменту в площині, перпендикулярній розміщенню швів (рис. 2.19, в, 2.20, в), максимальні дотичні напруження визначаються за формулою:

де Wω - момент опору перерізу шва шириною βf kf чи βz kf (залежно за яким з перерізів ведуть розрахунок) і висотою, що дорівнює розрахунковій довжині шва L ω (рис. 2.20, в):

На таврове зварне з'єднання, окрім згинаючого моменту М , можуть

діяти окремо: поздовжня сила N (рис. 2.20, а), або поперечна сила Q (рис.

2.20, б). Епюри дотичних напружень, які виникають у кутових швах таврового з’єднання від дії зазначених вище зусиль, зображені на рис. 2.20.

Фактичні значення відповідних дотичних напружень та умови міцності кутового шва таврового з’єднання описуються виразами (2.26), (2.27).

При одночасній дії нормальної сили N, перерізуючої сили Q та згинаючо- го моменту виконують геометричне додавання дотичних напружень, зумовле- них цими зусиллями (відповідно τωN , τωQ , τωM ), оскільки напрямки дії дотичних напруженьτωN і τωM паралельні, а напрямок дії τωQ є перпендикулярним до них. З урахуванням останнього, перевірки міцності шва приймуть вигляд:

36

Рис. 2.20. Епюри дотичних напружень у кутових швах таврового з'єднання: а, б, в- відповідно від дії нормальної та перерізуючої сил і згинаючого моменту

Увага! Не треба плутати таврове з’єднання на стиковому шві із аналогіч- ним з кутовими швами, оскільки стикові і кутові шви принципово відрізня- ються своєю роботою при дії одних і тих же зусиль: у перших можуть виника- ти як нормальні, так і дотичні напруження, а у других – умовно лише дотичні, тобто стикові шви працюють і на розтяг, стиск, згин, і на зріз, і одночасно на ці види напружених станів і в останньому випадку перевіряються за зведеними напруженнями, а кутові шви – завжди працюють лише на умовний зріз!

37

2.8. Конструктивні вимоги при проектуванні з'єднань з використанням кутових швів

Згідно з вимогами норм проектування [1] розміри та форму кутових швів приймають з урахуванням наступних рекомендацій.

1. Катети кутових швів приймають згідно з розрахунком, але обов'язково більшими чи рівними найменшим значенням, зазначеним у нормах. Най- менші значення визначені з метою забезпечення достатньої глибини проплав- лення і належної якості з'єднання залежно від товщини з'єднуваних елементів і виду зварювання. Ці значення наведені в табл. 2.5.

2.Відношення розмірів катетів швів приймають 1:1 (рис. 2.21, а).

3.Максимальний катет кутових швів, щоб уникнути перепалення зварю- ваних елементів і знизити усадкові напруження, не повинен перевищувати 1,2t min , де t min - товщина тоншого елемента; при більших значеннях спостеріга-

ється недопустиме наскрізне проплавлення тоншого зі з'єднуваних елементів. При з'єднанні елементів різної товщини допускаються також шви з неоднако- вими катетами, в яких більший катет прилягає до товстішого елемента (рис. 2.21, б). При цьому у з'єднаннях листів внапуск катет шва не повинен переви- щувати товщини приварюваного елемента. У з'єднаннях прокатних профілів із заокругленням кромок катет шва приймають таким, що не перевищує 0,9 тов- щини полиці.

Таблиця 2.5. Мінімальні катети двобічних кутових швів

38

min 40

є

Рис. 2.21. Конструювання з'єднань на кутових швах: а -г – відповідно рівносторонній та підвищений, пологий та вгнутий шви; д - схема механічної обробки; е, є - конструкції накладок

4. Мінімальна розрахункова довжина кутових швів дорівнює 4k f , але не менш як 40мм. Це обмеження поширюється як на флангові, так і на лобові шви. Коротші шви неякісні, оскільки при зварюванні метал з'єднуваних еле- ментів не встигає належним чином нагрітись і спостерігається непроплавлення.

5. Максимальна розрахункова довжина флангових швів не повинна пере-

вищувати 85bf × kf за винятком швів, у яких забезпечена передача зусилля по

39

всій довжині шва (наприклад, з'єднання поличок зі стінкою у зварних двотаврах тощо).

6.Напуск у з'єднаннях повинен бути не меншим ніж 5t min (рис. 2.21, е). За- стосування з'єднань внапуск з одним швом не рекомендується.

7.При ручному зварюванні за один прохід виконують шов з катетом, що не перевищує 8мм. Більшу товщину можна забезпечити тільки за декілька прохо- дів. Не слід застосовувати шви з катетом більшим ніж 20мм.

8.Нерівнокатетні (1:1,5) шви (рис. 2.21, б,… г) допускають у з'єднаннях конструкцій, що підлягають динамічним та вібраційним навантаженням, а та- кож при низьких температурах. Їх застосування обгрунтовують розрахунком на витривалість або на міцність з урахуванням крихкого руйнування. Великий ка- тет розміщують вздовж діючого зусилля, а при розрахунку приймають товщину меншого катета. Аналогічні шви використовують при зварюванні елементів рі- зної товщини, якщо мінімальний катет рівнокатетного шва, прийнятий за тов-

щим елементом, перевищує максимальне значення kf (див. п. 1) для тоншого елемента.

9. При динамічних навантаженнях з метою зменшення концентрацій на- пружень формують пологі або вгнуті шви зі значною глибиною проплавлення (рис. 2.21, в, г) і механічно обробляють поверхні швів та елементів (рис. 2.21,д).

10. Кутові шви у з'єднаннях слід розміщувати так, щоб центр ваги периметра швів лежав на осі дії сили, тобто площі швів треба розподіляти обернено про- порційно до відстані від шва до осі елемента. Для елементів з симетричним від- носно діючого зусилля перерізом (рис. 2.19, а), площі двох швів рівні між со- бою. Для несиметричних елементів, наприклад кутиків (рис. 2.22), необхідно, щоб після переходу зовнішнього зусилля через шви вісь його дії не змістилася. За цієї умови на шов, що розміщується по обушку кутика, припадає більша ча- стина зовнішнього зусилля Νоб , а по перу – відповідно менша Νп . З умови рів-

новаги, як опорні реакції розрізної балки, залежно від відстані до центра ваги перерізу кутика z0 та ширини його полиці b (рис. 2.22) знаходимо зусилля у швах з боку обушка та пера

40

Якщо прийняти однаковими катети швів по перу та обушку кутика, то ві- дношення розрахункових довжин швів по обушку та перу можна прийняти приблизно: для рівнобічних кутиків - 0,7:0,3; для нерівнобічних при кріпленні меншої полиці до фасонки - 0,75:0,25; для нерівнобічних при кріпленні більшої полиці - 0,65:0,35.

Рис. 2.22. Розподіл зусиль у кутових швах несиметричних зварних з'єднань при дії осьової сили N

11.Регламентуються також розміри накладок і напусків:

-сумарна площа перерізу накладок (рис. 2.21, е, є) має бути не меншою за переріз основних елементів;

-розмір напусків не повинен бути менший за 5t min , де tmin - товщина тоншо-

го елемента (рис. 2.21, е);

-форма накладок повинна сприяти плавному переходу зусилля з одного еле- мента на другий, особливо де стосується конструкцій, на які діють повторні та вібраційні навантаження;

-при близькому розміщенні зварних швів відстань між ними має бути не ме- ншою за 40...50 мм, щоб уникнути поєднання залишкових напружень від термі- чної дії кожного зі швів (рис. 2.21, е).

41

2.9. Комбіновані з'єднання

З'єднання, що мають різні види швів, називають комбінованими. При- кладом можуть бути з'єднання на лобових і флангових швах (рис 2.21, 2.23, а). Хоча податливість (деформативність) цих швів різна: флангові є відносно плас- тичними, а лобові — крихкими,- в граничному стані, безпосередньо перед руй- нуванням напруження у них близькі і шви працюють спільно. Тому розрахунок виконують за сумарною площею швів обох видів, підставляючи в (2.14) і (2.15) загальну довжину швів з одного боку стику.

На практиці трапляються поєднання стикових і кутових швів (рис. 2.23, б), хоча через підвищену трудомісткість таке поєднання невдале. Оброблення граней під стиковий шов, а також зачищення стикового шва до одного рівня з поверхнею з'єднуваних елементів (інакше неможливо щільно вкласти накладки) вимагають значних витрат праці. Окрім цього, накладки збільшують мате- ріаломісткість стику.

При розрахунку спочатку визначають несучу здатність стикового шва:

та розраховують лобові та флангові кутові шви кріплення накладок, як це пода- но вище.

У випадку двобічних накладок замість (2.27) маємо:

42