1.2 Основные типы сварных соединений

По взаимному расположению соединяемых элементов сварные соединения разделяются на следующие группы (Рис. 18):

Рис.18 Типы сварных швов по направлению действия относительно сварочных швов: 1 - стыковой; 2 - нахлесточный;

3 - тавровый; 4 - угловой

Рис. 19 Типы сварных швов в зависимости от действия сил: 1 -лобовой; 2 - фланговый; 3 - косой; 4 – комбинированный

В зависимости от расположения угловых швов по отношению к действующей нагрузке различают: лобовые, фланговые, косые, комбинированные швы (Рис. 19).

Все типы соединений, свариваемые электродуговой или газовой сваркой» выполняются при помощи стыковых или угловых швов.

1 Стыковой шов применяется для выполнения соединений встык, без разделки или с разделкой кромок, соединяемых элементов.

2 Угловой шов, или валиковый, используется при выполнении соединений.

Угловые швы по форме сечения разделяют на следующие: нормальные, вогнутые и выпуклые (Рис. 20)

Рис. 20 Нахлесточный сварной шов: 1 - нормальные;

2 - вогнутые; 3 - выпуклые

Основной геометрической характеристикой угловых швов является величина катета шва k, а расчетным сечением- высота h.

Для нормального шва: h=k · sin 45° ≈ 0,7 k.

Сварные соединения, выполняемые контактной сваркой, подразделяются на соединения по поверхности точечные и линейные.

Контактная сварка встык выполняется на стыковых машинах, а линейная и точечная- на роликовых и точечных машинах (Рис.21).

Рис.21 Схема точечных и линейных сварных швов

Пример обозначения сварного шва (Рис.21)

Рис.21 пример обозначения сварного шва

Примечание:

1. о - шов по замкнутой линии;

2. ГОСТ;

3. Условные обозначения способа сварки по стандарту на типы и конструкционные элементы швов сварных соединений.

Например: С1,С2,СЗ - стыковой;

У 1,У2, УЗ - угловой;

Т1, Т2, ТЗ - тавровый;

Н1, Н2, НЗ- нахлесточный.

4. РНЗ - ручная дуговая- способ сварки;

5. Δ6 - размер катета (6мм);

6. 50Z100 50 - длина проваренного участка;

Z - прерывистый;

100 - шаг сварки.

1.3 Расчет сварных соединений

1.3.1 Расчет сварных стыковых соединений. Расчет стыковых швов производится по тем же формулам, что и целых элементов. Особенность состоит в назначении допускаемых напряжений. Напряжения, возникающие от V изгибающего момента М и растягивающей (сжимающей) силы F определяется из формулы:

σ= , (32)

где М - изгибающий момент, Н·мм;

W - момент сопротивления на изгиб, мм³;

l- длина шва, мм;

F - нагрузка, Н·

- допускаемое напряжение для сварного шва, Н/мм²;

δ - толщина шва, мм.

а) 1.3.2 Расчет сварных нахлесточных соединений.

Так как нахлесточные соединения выполняются угловым швом (лобовым, фланговым или комбинированным), их расчет унифицирован и производится по условным касательным напряжениям. При действии силы F из условия прочности среза (Рис.23).

Напряжение среза определяется:

1) τ = , (проверочный) (33)

2) l = , (проектный) (34)

Рис.23 Расчетные схемы угловых швов: а- флангового,

б- лобового

где F - нагрузка, Н;

[ τ ]- допускаемое напряжение на срез сварного шва, Н/мм²;

l - расчетная длина шва, мм (l =Σl - суммарная длина);

0,7k=h -толщина шва в опасном сечении, мм;

k - катет шва, мм.

Размер катета шва, как правило, равен толщине свариваемых деталей

К ≈ δ мм,

но может быть и меньше.

Комбинированные сварные швы применяются в том случае, если простой угловой шов (лобовой, фланговый, косой) не обеспечивает необходимой прочности сварного соединения.

1) В общем случае максимальное напряжение от изгибающего момента определяются:

t_max= , (35)

где p - расстояние от центра тяжести, до наиболее удаленной точки шва, мм;

I - полярный момент инерции сечения шва;

I = I + I , (36)

2) Максимальное напряжение в комбинированных швах от действия момента М и силы F определяются геометрическим сложением напряжений от этих нагрузок:

τ = , (37)

Рис.24 Схемы сварных соединений: 1 – пробочный; 2 - проплавной

1.3.3 Расчет пробочных и проплавных соединений (Рис.24) Пробочных и проплавных соединений работающих обычно на срез, определяется по формуле:

τ= , (38)

где А -суммарная площадь сечения швов в плоскости

соприкосновения, мм².

Прочность соединений точечной сварки, работающих в основном на срез проверяют по формуле:

τ= , (39)

где Z - число сварных точек;

i - число плоскостей среза;

d- диаметр сварной точки, мм.

Прочность линейной сварки проверяется по напряжениям среза:

τ= , (40)

где b - ширина линии сварки, мм;

l - длина сварки, мм.

1.3.4 Расчет тавровых соединений (Рис.25) При выполнении тавровых соединений без подготовки кромки соединяемых элементов(сварка осуществляется угловым швом) условное напряжение при нагрузке силой Р и изгибающимся моментом М

Рис.25 Расчет тавровых соединений

τ= , (41)

τ= , (42)

W= . (43)

Условие прочности таврового соединения, нагруженного крутящим моментом, определяется по выражению

τ= , (44)

τ= , (45)

При выполнении соединений стыковым швом расчетное сечение принимается равным сечению свариваемых элементов. При статической нагрузке стык принимают равнопрочным цельному металлу, и поэтому отдельно расчет на прочность не делается. При переменных нагрузках расчет ведется так же, как и для стыковых соединений дуговой сварки.

1.3.5 Особенности расчета сварных котлов и других сосудов высокого давления. Расчет сводится к определению толщины стенки S. Прочность сварных швов обеспечивается введением коэффициента прочности швов φ:

S= , (46)

где D - диаметр сосуда, мм;

q-давление в котле, Н/мм²;

φ- коэффициент прочности шва;

- допускаемое напряжение растяжения, Н/мм .

Для сосудов, работающих при q<1,5Н/мм² и температуре t<200°С, допускаемое напряжение = .

Для сосудов, работающих при больших давлениях и высоких температурах, допускаемое напряжение выбирают меньшее из двух значений

= и , (47)

где σ - предел прочности на растяжение при нормальной

температуре, Н/мм²;

σ - предел текучести при рабочей температуре, Н/мм²,

Прочность сварного стыкового шва оценивается коэффициентом прочности «φ», т.е. отношением допускаемого напряжения сварного шва к допускаемому напряжению основного металла :

φ= . (48)

Расчетные значения коэффициента прочности стыковых швов следующие:

2-х сторонний, выполненный автомат сварной под ел. фл. 1,

2-х выполненный вручную с полнымпроваром 0,95,

2-х выполненный вручную с неполнымпроваром 0,8,

1-й на подкладке 0,9,

1-й без подварки и подкладки, продольный 0,7,

1-й без подварки и подкладки, поперечный (кольцевой) 0,8,

нахлесточный 0,8.

1.3.6 Выбор допускаемых напряжений. При соблюдении стандартных требований производства сварки, надлежащего подбора электродов и флюса добиваются, чтобы прочность навариваемого металла шва была не ниже прочности основного материала свариваемых деталей. Однако в околошовной зоне термического влияния (3...6мм), где металл свариваемых изделий претерпевает структурные изменения, не всегда удается сохранить начальные характеристики исходного материала, особенно при ручной сварке. Это изменение качеств материала определяется коэффициентом прочности шва φ.

При проектировании сварных конструкций решается задача комплексного расчета сварных соединений. Он включает проверку прочности сварных швов и основного материала в зонах, прилегающих к швам. Расчет прочности основного металла возле швов производится в конструкциях из закаленных сталей при всех видах нагрузок, в том числе и статических. В конструкциях из незакаленных сталей малоуглеродистых и низколегированных, комплексный расчет сварных соединений ведется при работе по переменными нагрузками.

Допускаемые напряжения основного металла в металлоконструкциях при постоянной нагрузке определяют по формуле:

= , (49)

где σ - предел текучести металла, Н/мм²;

Е - масштабный фактор. Зависит от размеров соединения деталей и

механических характеристик металлов. Для сварных конструкций при постоянных нагрузках Е=0,9;

К - эффективный коэффициент концентрации напряжения. Зависит

от типа шва, мех. обработки, шва, материала;

[S]- допустимый коэффициент безопасности:

для углеродистых сталей [S ]= 1,2... 1,3;

для низкоуглеродистых сталей [S] == 1,3... 1,5.

Допускаемые напряжения в сварных швах при статической нагрузке задаются в долях допустимого напряжения основного материала соединяемых элементов на растяжение в зависимости от способа сварки и характеристики электродов и выбираются по табл. 2.

Таблица 2 Допускаемые напряжения в сварных швах при статической нагрузке

	Вид сварки	Допустимые напряжения, Н/мм2
		на растяжение	на сжатие	на срез
111 1	Автоматическая сварка: под слоем флюса, в среде защитных газов, контактная, стыковая, электродуговая, электродинамики Э42А, Э50А			0,65
2	Ручная дуговая электродами Э42А, Э50А. Газовая сварка.	0,9		0,6
3	Ручная сварка электродами Э34	0,6	0,75	0,5
4	Контактная, точечная, роликовая			0.6

В общем случае допускаемого напряжения для сварных соединений при переменных нагрузках следует определять по общей формуле:

= , (50)

σ - предел выносливости основного материала, соответственно для циклов нагружения: симметричного σ пульсирующего σ ассиметричного σ ;

Е - масштабный фактор;

[S] - допустимый коэффициент безопасности;

К - эфф. коэффициента концентрации напряжения;

β - коэффициент упрочнения или коэффициент влияния качества обработки поверхности;

К - коэффициент долговечности.

Здесь в качестве исходных характеристик принимаются значения величин для основного материала. При пониженном качестве сварки (ручная сварка, потолочное расположение шва) допускаемые напряжения следует уменьшить на 10...15% или ввести коэффициент φ=0,8...0,9 в расчете на прочность.