Лабораторная работа № 6 Исследование прочности сварных соединений

Цель работы: изучить особенности конструкции различных видов сварных соединений и расчётно-экспериментальным путём оценить их прочность при растяжении.

Оборудование и инструмент: испытательная разрывная машина Р-5 (рис. 6.1), опытные образцы сварных соединений из стальных профилей, штангенциркуль, линейка.

Рис. 6.1. Лабораторный стенд на базе разрывной машины Р-5

1 – образец сварного соединения для испытания на растяжение; 2 – захват верхний;

3 – захват нижний; 4 – измерительное устройство; 5 – диаграммный барабан

1. Теоретические основы работы

Сварные соединения – это неразъёмные соединения деталей машин, основанные на использовании сил молекулярного сцепления.

Сварные соединения являются наиболее совершенными неразъёмными соединениями, т.к. лучше других приближают составные детали по своим свойствам к целым, позволяя создавать принципиально новые конструкции неограниченных форм и размеров.

Одним из наиболее широко распространённых в машиностроении видов сварки является электродуговая сварка, при которой местный нагрев деталей в зоне контакта осуществляется электрической дугой. Выделяемое тепло оплавляет концы соединяемых деталей и расплавляет электрод (или присадочный материал), дающий дополнительный металл для формирования сварного шва.

Разновидностями электродуговой сварки являются: ручная дуговая сварка, используемая при малом объёме работ, автоматическая сварка под слоем флюса, являющаяся основным видом электродуговой сварки, обеспечивающим высокое качество сварного шва и производительность процесса, и др.

Основным критерием работоспобности всех сварных соединений является их прочность.

Сварные соединения по взаимному расположению в их конструкции соединяемых элементов можно разделить на следующие группы: стыковые, нахлёсточные, тавровые и угловые.

Соединения стыковые (встык)

Соединяемые элементы конструктивно являются продолжением друг друга. Сварку производят по их торцам стыковыми сварными швами (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Конструктивная схема сварного стыкового соединения

при различной толщине свариваемых деталей:

1 - сварной шов; 2 - зона сплавления; 3 - зона термического влияния шва; 4 – основной метал

Для соединений деталей малой толщины ()применяют сварку односторонним швом без скоса кромок (рис. 6.2,а). Элементы средней толщины ()варят односторонним швом при флюсовой подкладке или двусторонним швом со скосом кромок (рис. 6.2,б). При сварке деталей большой толщины ()используют двусторонний шов с криволинейными скосами кромок (рис. 6.2,в).

Сваривать встык можно не только листы или полосы, но и трубы, уголки, швеллеры и другие фасонные профили. Во всех случаях составная конструкция получается по своим свойствам наиболее близкой к целой.

При качественном выполнении сварного стыкового шва, как установлено практикой, разрушение соединений стальных деталей происходит чаще всего в зоне термического влияния шва. Поэтому расчёты на прочность стыковых соединений принято выполнять по размерам сечения деталей в этой зоне. Возможное снижение прочности деталей, связанное со сваркой, учитывают при назначении допускаемых напряжений.

Таким образом, для стыкового соединения, представленного на рис. 6.2, условие прочности при действии только растягивающей силы имеет вид

, (6.1)

где- максимальное напряжение в зоне термического влияния шва;и- размеры сечения соединяемых деталей;- допускаемое напряжение в сварном соединении;- допускаемое напряжение растяжения материала деталей;- предел текучести их материала;- коэффициент запаса прочности;- коэффициент прочности сварного соединения [1].

Соединения нахлёсточные (внахлёстку)

Боковые поверхности соединяемых элементов частично перекрывают друг друга. Сварку выполняют угловыми сварными швами (рис. 6.3), которые по расположению относительно нагрузки делятся на фланговые (поз. 1), лобовые (поз. 2); косые, расположенные под углом к направлению силы , и комбинированные, представляющие собой сочетание двух или всех трёх видов перечисленных швов.

Рис. 6.3. Конструктивная схема сварного соединения внахлёстку

По форме поперечного сечения угловые сварные швы делятся на нормальные швы с сечением в виде равнобедренного треугольника (рис. 6.4,а), удлиненные с соотношением катетов 1:1,5 или 1:2 (рис. 6.4,б) и вогнутые с соотношением катетов 1:1 и более (рис. 6.4,в).

Рис. 6.4. Основные формы поперечных сечений угловых швов

При статической нагрузке наиболее часто используются нормальные швы. Удлиненные и вогнутые швы дороже в исполнении, но в них существенно ниже концентрация напряжений. Поэтому их следует применять при циклических напряжениях. Швы с выпуклым профилем применять не рекомендуют.

Размер катета шва равен, как правило, толщине листов(рис. 6.3).

Разрушение соединений с угловыми сварными швами на практике обычно происходит непосредственно по этим швам в результате их среза по плоскости наименьшего сечения, проходящей через биссектрису прямого угла, или близкой к ней (рис. 6.3). В связи с этим проверка на прочность этих соединений сводится к проверке прочности по напряжениям среза их сварных швов.

При действии только растягивающей нагрузки оценка прочности сварного соединения внахлёстку сводится к проверке следующих условий:

• при наличии только двух фланговых швов условие прочности

; (6.2)

где- максимальное напряжение среза углового сварного шва;- допускаемое напряжение среза в сварном соединении;- коэффициент прочности сварного соединения с угловыми сварными швами [1];- длина флангового шва;

• при наличии только двух лобовых швов

; (6.3)

где - длина лобового шва;

• при наличии комбинированного шва, включающего два фланговых и один лобовой швы,

. (6.4)

Соединения тавровые (втавр) и угловые

В тавровых (рис. 6.5,а) и угловых (рис. 6.5,б) соединениях элементы располагаются в двух взаимно перпендикулярных областях.

Рис. 6.5. Конструктивные схемы таврового (а) и углового (б)

сварных соединений

Оба вида соединений выполняют как стыковыми, так и угловыми сварными швами.

Прочность тавровых соединений в зависимости от вида сварных швов, использованных при их получении, проверяют по формулам, рассмотренным для соединений встык или внахлёстку

Угловые соединения в основном применяются в связующих элементах и, как правило, расчету на прочность не подлежат.