1. Соединения

1.1. Сварные соединения

Сварные соединения образуются путем создания межатомных связей материалов деталей в зоне стыка за счет нагрева и (или) деформирования и являются неразъемными. Они широко применяются в машиностроении вследствие своей простоты и высокой прочности. Прочность сварного соединения близка или, в отдельных случаях, равна прочности материала свариваемых деталей.

В настоящее время существует большое количество видов сварок. Наибольшее распространение получила электродуговая сварка (ЭДС). Она основана на использовании теплоты электрической дуги, возникающей между деталью и электродом, для расплавления металла. Электродуговая сварка производится двумя способами: ручным и автоматическим. Автоматическая сварка более производительна, прочность соединения выше, чем при ручной сварке. Кислород и азот, содержащиеся в воздухе, снижают прочность сварного соединения. Для защиты расплавленного металла от их вредного влияния электроды покрывают обмазкой, при расплавлении которой выделяется большое количество шлака и газа, образующих защитную среду. С этой же целью производят сварку под флюсом.

Сварные соединения разделяют на четыре типа: стыковые, нахлесточные, угловые и тавровые. Стыковые соединения наиболее просты и надежны. При малой толщине соединяемых деталей (до 8 мм) сварку производят с одной стороны без обработки кромок. При большей толщине кромки деталей обрабатывают под углом и сварку производят с двух сторон для образования шва по всей толщине деталей. Прочность стыкового соединения оценивают по величине нормального напряжения в поперечном сечении детали.

Нахлесточные соединения выполняются с помощью угловых швов. В зависимости от расположения различают швы фланговые, лобовые и косые. Фланговые расположены параллельно линии действия нагружающей силы, лобовые – перпендикулярно, а косые – под углом. Оценка прочности нахлесточных соединений проводится по величине касательных напряжений в сечении биссектрисы прямого угла шва.

При угловом или тавровом соединении детали в зоне сварных швов перпендикулярны или наклонны друг к другу. Это соединение выполняют стыковым швом с разделкой кромок или угловым швом без разделки кромок. Оценку прочности проводят в первом случае по нормальным напряжениям, во втором – по касательным.

Справочные данные

Таблица 1.1

Допускаемые напряжения для сварных швов

при статической нагрузке

Вид технологического процесса сварки и тип электрода	Допускаемые напряжения
	растяжение	сжатие	срез []
Ручная дуговая электродом Э34	0,6	0,75	0,5
Ручная дуговая электродами Э42 и Э50	0,9		0,6
Ручная дуговая электродами Э42А и Э50А; автоматическая под флюсом; контактная стыковая			0,65

Примечание: допускаемые напряжения для основного металла конструкций при статической нагрузке:

- стали Ст0; Ст2 – = 140 МПа;

- стали Ст3; Ст4 – = 160 МПа;

- стали Ст5 – = 190 МПа.

Задача № 1

Две полосы из стали Ст2 соединены стыковым швом и нагружены сжимающими силамиF. Ширина полосы b = 160 мм, толщина = 10 мм. Сварной шов выполнен ручной сваркой электродами Э34. Проверить прочность сварного соединения.

Решение

Допускаемое напряжение для сварного шва (см. табл. 1.1): = 0,75 = 0,75 · 140 = 105 МПа.

Условие прочности сварного шва: .

МПа < = 105 МПа.

Ответ: условие прочности удовлетворяется.

Задача № 2

Рассчитать допустимую растягивающую силу для стыкового соединение двух труб с наружным диаметромd = 100 мм и толщиной стенки = 5 мм. Материал труб – сталь Ст3. Сварка производиться вручную электродами Э42.

Решение

Допускаемое напряжение для сварного шва (см. табл. 1.1): = 0,9 = 0,9 · 160 МПа = 144 МПа.

Условие прочности сварного шва: < ,

где средний диаметр сечения мм.

Отсюда допускаемая растягивающая сила

= 3,14 · 95 · 5 · 144 = 214776 Н ≈ 214,8 кН.

Ответ: 214,8 кН.

Задача № 3

Две полосы из стали Ст3 толщиноймм сварены встык вручную электродами Э50. На соединение действует продольная сила, изменяющаяся в пределах от– 200 кН до200 кН. Определить необходимую ширину полосы.

Решение

Допускаемое напряжение сварного шва при знакопеременной нагрузке

=,

где [] = 160 МПа (см. табл. 1.1);

– коэффициент понижения допускаемых напряжений,

;

– коэффициент асимметрии цикла нагрузки;

= 1,2 – эффективный коэффициент концентрации напряжений [1].

.

Тогда МПа.

Необходимую ширину полосы находим из условия прочности:

.

Откуда мм.

Принимаем мм.

Ответ: 200 мм.

Задача № 4

Полосы из стали Ст3 сварены косым швом. Ширина полосыb = 200 мм, толщина = 12 мм. Сварка произведена вручную электродами Э34. Рассчитать соединение на прочность при действии растягивающей силыF = 350 кН.

Решение

Условие прочности сварных стыковых швов .

Для косых швов [] =[] = 160 МПа (см. табл. 1.1).

Тогда МПа.

Ответ: соединение выдержит нагрузку.

Задача № 5

Определить допускаемый изгибающий момент для сварного стыкового соединения двух полос толщиной 10 мм, шириной 40 мм, выполненных из стали Ст3. Сварка ручная электродами Э50.

Решение

Допускаемое напряжение [] = 0,9[] = 0,9 · 160 = 144 МПа (см. табл. 1.1).

Условие прочности сварного стыкового шва при изгибе

< [] .

Отсюда допускаемый изгибающий момент

Н·м.

Ответ: 384 Н·м.

Задача № 6

Из расчета на прочность сварного шва определить мощность, которую может передать вал. Наружный диаметр валамм, толщина стенкимм, материал вала – сталь Ст5. Нагрузка статическая. Частота вращения вала 100 об/мин. Принять катет сварного шва равным толщине стенки вала. Сварка ручная, электродами Э42.

Решение

Для стали Ст5 [] = 190 МПа, (см. табл. 1.1).

Для сварного шва при срезе [] = 0,6[] = 0,6 · 190 = 114 МПа.

Внутренний диаметр вала мм.

Из условия прочности сварного стыкового шва при нагружении соединения вращающим моментом

определяем допускаемый крутящий момент

Н·м

Мощность кВт.

Ответ: 329,5 кВт.

Задача № 7

На полосу, приваренную к косынке двумя фланговыми швами, действует растягивающая силаF. Толщина полосы мм, длина швамм. Материал – сталь Ст2, сварка ручная, электродами Э42А. Определить допускаемую нагрузку.

Решение

Допускаемые напряжения среза углового шва (см. табл. 1.1)

[] = 0,65·[] = 0,65 · 140 = 91 МПа.

Принимаем катет сварного шва мм.

Из условия прочности шва определяем допускаемую силу

Н.

Ответ: 101,92 кН.

Задача № 8

Выполнить проверочный расчет сварного шва соединения полосы толщиноймм с косынкой. Длина фланговых швовмм, лобового –мм. Материал – сталь Ст4. Сварка ручная электродами Э34. Растягивающая силакН.

Решение

Допускаемое напряжение углового шва (см. табл. 1.1)

[] = 0,5[] = 0,5 · 160 = 80 МПа.

Катет шва мм.

Напряжение в сварном шве

МПа > [] = 80 МПа.

Ответ: соединение нагрузку не выдержит

Задача № 9

Полоса сечением 2008мм из стали Ст2, нагруженная растягивающей силойкН, приварена к косынке лобовым и косым швами. Сварка выполнена вручную электродами Э42. Определить требуемую длину косого шва.

Решение

Допускаемое напряжение сварных швов (см. табл. 1.1)

[] = 0,6[] = 0,6 · 140 = 84 МПа.

Принимаем катет шва равным толщине полосы мм.

Из условия прочности:

; мм,

определяем длину косого шва

мм.

Ответ: 332 мм.

Задача № 10

К стандартному уголку 50х50х5, приваренному к косынке, приложена растягивающая нагрузка, равнодействующая которой F проходит через центр тяжести поперечного сечения уголка. Определить из условия равнопрочности сварных швов и основного металла конструкции требуемые длины ифланговых швов. Материал – сталь Ст2, сварка ручная электродами Э42А.

Решение

Для стали Ст2 (см. табл. 1.1) [] = 140 МПа.

По ГОСТ 8509-72 имеем:

см² – площадь поперечного сечения уголка;

см – расстояние от центра масс сечения уголка до наружной грани полки.

Допускаемая сила из условия прочности уголка:

[] = Н.

Допускаемое напряжение среза сварного шва

[] = [] = МПа.

Принимаем катет шва k = 5 мм.

Из уравнения прочности сварных швов:

находим суммарную длину швов

мм.

Для обеспечения равнопрочности швов длины швов должны быть обратно пропорциональны расстояниям от центра масс сечения уголка до центров сечений швов, т.е.

; откуда .

;

мм;

мм.

Ответ: 151 мм; 60 мм.