Сварные конструкции. Расчет и проектирование

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. ВЫПОЛНЕННЫЕ ДУГОВОЙ СВАР. ЧОЙ

Существует несколько наиболее распространенных спо­собов дуговой сварки.

Ручная дуговая сварка является далеко не совершенным способом, но универсальным технологическим процессом. Этим способом сваривают конструкции во всех простран­ственных положениях, из разных марок сталей, цветных сплавов в случаях, когда применение автоматических и полуавтоматических методов не представляется возможным, например при отсутствии требуемого оборудования, недо­статочного освоения технологического процесса.

Соединения при автоматической иполуав - томат и ческой сварке под флюсом, разра­ботанной ИЭС им. Е. О. Патона совместно с другими НИИ и заводами, широко применяются в машиностроительной и строительной промышленности. Автоматическая сварка под флюсом применяется при сварке изделий с широким диапазоном изменения толщины 1. . .50 мм (иногда и более).

Применение автоматической и полуав­томатической дуговой сварки в среде защитного газа (С02), разработанной ЦНИИТ - МАШем, ИЭС им. Е. О. Патона, іМГТУ им. Н. Э. Баумана и другими организациями, непрерывно расширяется. Этим способом производится укладка швов во всех пространст­венных положениях, хорошо свариваются элементы малых, средних и больших (до нескольких десятков миллиметров) толщин из углеродистых, низколегированных и некоторых высоколегированных сталей.

Конструкции из аустенитных, мартенситных и феррит - ных жаропрочных теплоустойчивых сталей, многих алю­миниевых, титановых, медных, магниевых и других спла­вов также успешно свариваются в среде защитных газов (аргона, гелия и др.).

Сварные соединения должны быть по возможности рав­нопрочными с основным металлом элементов конструкций при всех температурах во время эксплуатации, а также при всех видах нагрузок (статических, ударных, вибрацион­ных).

Слабыми участками в сварных соединениях могут быть швы, зоны термического влияния и сплавления.

Зоной термического влияния называют участок основного металла, прилегающий к швам, который в результате свар­ки изменяет механические свойства.

Последнее обстоятельство особенно часто имеет место при сварке термически обработанных, а также нагартованных сталей и сплавов.

Улучшение механических свойств сварных соединений достигается:

выбором рациональной конструктивной формы соеди­нения;

применением рациональных методов сварки;

термической и механической обработкой сварных кон­струкций после сварки.

Конструкции с равнопрочными сварными соединениями отвечают требованиям экономичности. Избыточная проч­ность сварного соединения по сравнению с целым элемен­том лишь удорожает конструкцию и не улучшает условий ее эксплуатации. Недостаточная прочность сварного соеди­нения снижает несущую способность всей конструкции и не позволяет полностью использовать рабочие сечения ее элементов. Поэтому из условия равнопрочности расчет­ные усилия соединения определяют:

при растяжении

TOC o "1-5" h z Я = [о]рЛ; (3.3)

при сжатии

Р-[о]«жД; (3.4)

при изгибе

М = [о]р1Г, (3.5)

где 1о]р — допускаемое напряжение при растяжении; Іоісж — допускаемое напряжение при сжатии; А — пло­щадь поперечного сечения; W — момент сопротивления се­чения.

В конструкциях со сварными соединениями в металле швов могут возникать напряжения двух родов: рабочие и связующие. Чтобы установить различие между рабочими и связующими напряжениями, рассмотрим несколько приме­ров.

На рис. 3.1, а изображены две полосы, соединенные стыковым швом. Паюсы подвергаются растяжению. Оче­видно, что при разрушении шва разрушится и вся конструк­ция. То же самое произойдет и в соединении, изображен­ном на рис. 3.1, б.

Сварные соединения, разрушение которых влечет за собой выход из строя конструкции, называются рабочими; напряжения, действующие в этих конструкциях,— рабо­чими напряжениями.

Совершенно иначе работает наплавленный металл в шве, соединяющем две полосы, показанные на рис. 3.1, в. Наплавленный металл, соединяющий полосы, деформиру­ется вместе с основным, при этом в нем возникают напряже­ния. Если модуль упругости наплавленного металла незна­чительно отличается от модуля упругости основного, то в

швах при их работе в пределах упругих деформаций обра­зуются напряжения приблизительно той же величины, что и в растягиваемых полосах. Эти напряжения, возникающие в швах, вследствие их совместной работы с основным ме­таллом во многих случаях не опасны для прочности конст­рукций и называются связующими. Пример связующих швов показан на рис. 3.1, г.

При расчете прочности сварных соединений определяют только рабочие напряжения. Исследования подтверждают, что в большинстве случаев при анализе прочности сварных конструкций связующие напряжения можно не учитывать.

Основными типами сварных соединений являются сое­динения стыковые, нахлесточные, тавровые, угловые. В свар­ных конструкциях наиболее целесообразны стыковые сое­динения.

Стыковые соединения. Подготовка кромок стыкового соединения определяется технологическим процессом свар­ки и толщиной соединяемых элементов. В табл. 3.4 приве­дены примеры подготовки кромок стыковых соединений при сварке под флюсом по ГОСТ 8713—79.

Можно видеть, что обозначения Cl, С2 и т. д. соответст­вуют определенному характеру выполнения шва (односто­ронний, двусторонний, на подкладке и т. д.) и форме подготовленных кромок. При других методах дуговой свар­ки подготовка кромок регламентируется ГОСТ 14771—76 (в защитном газе) и ГОСТ 5264—80 (ручная).

При выполнении многослойных швов о защитном газе все чаще используют подготовку кромок без их скоса. Этот прием требует тщательной укладки слоев, его применяют при сварке элементов толщиной до 50 мм. Как правило, стыковые швы делают прямыми, т. е. направленными перпендикулярно действующим усилиям.

Применяется укладка валиков колеблющимся электро­дом с колебаниями поперек зазора в стыковом соединении одной или двумя скрученными или изогнутыми проволо­ками.

Швы укладываются указанным способом в нижнем и горизонтальном положеннях в среде защитных газов и под флюсом.

Если элемент работает на растяжение, то допускаемое усилие в сварном соединении

P = [oVf; О-6)

при сжатии

(3.7)

где s — толщина основного металла, так как усиление шва не учитывается; I — длина шва; [сґ]р — допускаемое напря­жение растяжения сварного соединения; (о']Сж—допу­скаемое напряжение сжатия сварного соединения.

При работе элементов из высокопрочных сталей наиболее слабым участком в сварном соединении оказывается не металл шва, а прилегающая к нему зона, которая в резуль­тате термического действия дуги или образования концент­раторов напряжений может оказаться разупрочненной. В таких случаях необходимо заменить расчет прочности швов расчетом прочности соединений в ослабленных зонах с учетом особенностей механических свойств металла, его термической обработки и других факторов, зависящих от конкретных условий. Если стыковой шов направлен под углом а к усилию (как правило, а»45э), то его следует считать равнопрочным основному элементу.

Махлесточные соединения. В нахлссточных соединениях швы называются угловыми.

При ручной сварке угловые швы имеют различные очер­тания: нормальные, условно принимаемые очерченными в форме равнобедренного треугольника, выпуклые, вогнутые (рис. 3.2, а. . .в).

Выпуклые швы нецелесообразны ни с технической, ни с экономической стороны. Они требуют больше наплавлен­ного металла, вызывают концентрацию напряжений.

S3

Целесообразны швы, имеющие очертания неравнобед­ренных треугольников с отношением основания к высоте 1,5: 1,2: 1,0 (рис. 3.2, г, д). В швах этого типа иногда производят механическую обработку концов, чтобы обес­печить плавное сопряжение наплавленного металла с ос-

idllF ыМР

д) е)

к\ЖЫ У. ^

Рис. 3.2. Очертания угловых швов: а — нормальное; 6 — выпуклое; « — вогнутое; t — о отношением катетоп 1 : 1.5; д — о отношением катетов I : 2: е — то же. с обработкой конце шва

повним (рнс. 3.2, е). Подобного рода швы, как будет пока­зано ниже, целесообразно применять в конструкциях, работающих при циклических нагружениях.

В широкой практике конструирования распространено применение угловых швов с нормальными очертаниями

(рис. 3.2, а) Размер катета углового шва нормального очертания обозначают К

Угловые швы при сварке под слоем флюса получают о более глубоким проплавлением, чем при ручной сварке. Их очертания показаны на рис. 3.3, а. . в. Расчетная высо­та шва зависит от глубины проплавления, от технологиче­ского процесса сварки Она определяется величиной К-(J. При ручной и многопроходной автоматической и полуавто­
матической сварке Р=0,7; для двух - и трехпроводной авто­матической сварки и однопроходной полуавтоматической сварки Р=0,9; для двух - и трехпроходной полуавтомати­ческой сварки 0=0,8; для однопроходной автоматической сварки р—1.1.

Наименьшая толщина рабочих швов в машинострои­тельных конструкциях 3 мм. Исключение составляют кон­струкции, в которых толщина самого металла меньше 3 мм. Верхний предел толщины швов не ограничен, но применение швов, у которых /(>20 мм, очень редко. В местах зажига­ния и обрыва дуги механические свойства швов ухудшают­ся, поэтому минимальную длину рабочих швов целесооб­разно ограничивать и принимать равной 30 мм. Швы мень­ших размеров применяют лишь в качестве нерабочих сое­динений. В зависимости от направления угловых швов по отношению к действующему усилию их разделяют на лобо­вые, косые, фланговые, комбинированные.

Лобовые швы направлены перпендикулярно усилию. В соединении, показанном на рис. 3.4, а, усилие Р переда­ется двумя лобовыми швами. Вследствие эксцентриситета элементы несколько искривляются. Расстояние между лобовыми швами следует принимать C>4s. На рис. 3.4, б усилие передается через один лобовой шов на накладку; далее это же усилие переходит с накладки на второй лист. Таким образом, в соединении этого рода имеется лишь один расчетный шов.

Рассмотрим несущую способность угловых швов. В ло­бовом шве возникает несколько составляющих напряжений (рис. 3.4, в): нормальные напряжения о на вертикальной плоскости шва в зоне сплавления и касательные напряже­ния т на горизонтальной плоскости.

По методу, принятому в инженерной практике, расчет прочности лобовых швов производится на срез. Этот метод является условным и приближенным. При статических нагрузках и треугольном очертании шва слабых! сечением считают наименьшее сечение, совпадающее с биссектрисой 0—0 прямого угла. По этой плоскости проверяют прочность лобового шва; напряжение при этом не должно превышать допускаемого It'I.

Формула определения допускаемого усилия Р для соединения, состоящего из одного расчетного лобового шва (рис. 3.4, б, в), имеет следующий вид:

/> = [т']р/С/;

для соединения, приведенного на рис. 3.4, а,

Я = 2[т']р/С/, (3.9)

где р/С — расчетная высота шва; / — длина шва.

Фланговые швы направлены параллельно усилию (рис. 3.4, г). В них возникают два рода напряжений. В ре-

9)

зультате совместной деформации основного и наплавлен­ного металла во фланговых швах образуются связующие напряжения. Как было указано выше, их не учитывают при определении прочности соединения. По плоскостям сопри­косновения валика флангового шва с каждым из листов, а также в самом валике возникают напряжения среза, которые являются рабочими напряжениями соединения.

Расчет прочности швов производится по опасной пло­скости среза, совпадающей с биссектрисой прямого угла. Расчетная формула несущей способности составлена в предположении, что напряжения вдать флангового шва распределены равномерно.

Для конструкции, приведенной на рис. 3.4, г, расчет­ная формула имеет вид

Я —2[т'] р/С/- (3.10)

С учетом концентрации напряжений расчетная длина фланговых швов /<50/(.

Косые швы направлены к усилию под некоторым углом

а (рис. 3.4, д). Их часто применяют в сочетании с лобовыми

и фланговыми.

Расчет прочности косых швов производится аналогично описанному выше:

Р = [т']р/а (3.11)

Пример комбинированных швов приведен на рис. 3.4, е.

Распределение усилий в отдельных швах, составляющих комбинированное соединение, не одинаково. Однако расчет прочности комбинированных соединений производится сог­ласно хорошо известному из курса сопротивления материа­лов принципу независимости действия сил. В соединении с лобовыми и фланговыми швами несущая способность опре­деляется как

Р = + (3.12)

где Я — допускаемое усилие для комбинированного соеди­нения; Рл — допускаемое усилие лобового шва; Р$л — допускаемое усилие для фланговых швов.

Таким образом,

Я = [т'](р/С/л + 2р/С/фл). (3.13)

Если катеты всех швов, входящих в состав комбиниро­ванного соединения, равны между собой, то

Я = [т']р/а, (3.14)

где L — длина периметра швов.

Данным соотношением пользуются при расчете соедине­ния, показанного на рис. 3.4, е.

Некоторую особенность представляет расчет прочности швов, прикрепляющих уголок, работающий под действием продольной силы. Принимаем, что усилие Я в уголке дей­ствует в плоскости прикрепленной потки (рис. 3.4, ж).

Усилие, воспринимаемое лобовым швом, равно

Яа = [т']р/С/Л. (3.15)

Эксцентриситет приложения силы в расчете не учиты­вается.

Усилие, передаваемое на фланговые швы,

Р*Л = Р-Р,- (3.16)

Это усилие распределяется между швами обратно про­порционально расстоянию от оси уголка до обеих кромок. Таким образом, усилие в шве /( будет

Я, = 0,ЗЯ^; (3.17)

усилие в шве /,

Р і = 0,7Яф,. (3.18)

При расчете прочности прикреплений равнобоких угол­ков приближенно можно принять

li

Тг=1ГГ

Касательные напряжения в швах

Напряжения в каждом из фланговых швов не должны превышать допускаемого.

Конструктивно МОЖНО увеличить длину ІІ относительно размеров, требуемых по расчету прочности, до значения

Более точный метод расчета предусматривает учет не только срезывающей силы, но и момента силы относительно центра тяжести швов.

При приближенных расчетах прочности соединений с комбинированными швами принимают распределение каса­тельных напряжений равномерным по всему периметру.

При этом

т = Щ1' (3.20)

где L — длина периметра лобового и фланговых швов, при­крепляющих нагруженный элемент, в том числе и при прикреплении фланговых и лобовых швов уголка.

Тавровые соединения применяют для соединения эле­ментов, расположенных во взаимно перпендикулярных пло­скостях. Тавровые соединения обычно можно выполнять без подготовки кромок (рис. 3.5, а).

На рис. 3.5, б показаны тавровые соединения с односто­ронней подготовкой кромок и подваром при толщине листов 4. . .26 мм, а на рис. 3.5, в — с двусторонней подготовкой кромок элементов толщиной 12. . .60 мм.

При работе соединений (рис. 3.5, а) на растяжение рас­четная формула прочности имеет такой вид:

Я = 2[т']р/а; (3.21)

для соединений, приведенных на рис. 3.5, б, в,

P = [o']vsl. (3.22)

При работе узла, изображенного на рис. 3.5, а, на сжа­тие усилие Р в действительности часто передастся с горнзон-

тального листа на вертикальный через плоскость соприкос­новения листов. Проверка прочности швов соединения в этом случае производится исходя из условного предподоже-

й) Ф 6)

Рис. 3.6. Угловые соединения

ння, что усилие передается через швы. При этом (т'1 повы­шается ДО величины (о'їсж-

При сварке автоматами тавровые соединения могут выполняться угловыми точечными швами (рис. 3.5, г). Применение точечных швов целесообразно главным обра­зом в конструкциях с толщиной листов s<4. . .5 мм.

Угловые соединения, выполняемые дуговой сваркой вручную, показаны на рис. 3.6, а.

При автоматическом и полуавтоматическом способах сварки соединения имеют вид, приведенный на рис. 3.6, б (s=6. . .14 мм) и на рис. 3.6, в (s=!0. . .40 мм).

Угловые соединения в основном применяются в связую­щих элементах н расчету на прочность не подлежат.

По вопросу определения несущей способности угловых швов в соединениях внахлестку (лобовых и фланговых), а также втавр следует сделать следующие замечания.

Прочность угловых швов зависит от ряда дополнитель­ных обстоятельств, к числу которых следует отнести: ухудшение свойств от металлургических факторов вслед­ствие примесей, плохой защиты шва; учитывается с помо­щью коэффициента тц;

геометрические факторы — непостоянство размеров ка­тетов; учитывается с помощью коэффициента ц»;

технологические факторы — отклонения от режима; учитывается с помощью коэффициента т|»;

механические факторы — неравномерное распределение усилий в соединениях между швами; учитывается с помо­щью коэффициента г|4.

Таким образом, допускаемые напряжения в перспекти­ве целесообразно определять с учетом указанных факторов.

Но для этого необходима ^ ’ статистическая обработка

% t большого производственного Т“Г материала. Зго вопрос буду - »- ' щего.

4^.- Пробочные проплавные со - 3 и единения ставятся дуговой Рис. 3.7. Проплавное соединение сваркой при нахлесточном рас­положении листов. Проплав­ляется верхний более тонкий лист, в результате чего обра­зуются круглые проплавные сварные соединения (рис. 3.7). Пробочные соединения рациональны при толщине верх­него листа, как правило, не более 5 мм.

При применении усовершенствованного оборудования с принудительной подачей электродной проволоки в зону дуги можно сваривать проплавными пробочными соедине­ниями элементы толщиной более 10 мм. Такие соединения получают сверлением отверстий в одном нз соединяемых листов и заполнением их наплавленным металлом. При этом диаметр отверстий d может достигать 40 мм. Разрабо­таны установки для выполнения пробочных соединений различных марок сталей в защитной среде СО,.

Ввиду простоты оборудования и высокой производи­тельности процесса проплавные пробочные соединения весьма экономичны. Их применяют, в частности, при изго­товлении конструкций сельскохозяйственных машин.

В большинстве случаев пробочные соединения являются связующими и рабочих усилий не передают. Расчет проч­
ности соединений, участвующих в передаче усилий, про­изводят аналогично расчету прочности точечных соедине­ний при контактной сварке.

Дуговые соединения алюминиевых сплавов. Дуговой сваркой сваривают практически все алюминиевые сплавы, но свариваемость их различна. Сварные соединения алюми­ниевых сплавов обладают повышенной чувствительностью

S

vm

jV/WA s>Q6mm

1=12..4)5+20 мм Нахлестанное, двойной угловой

Рис. 3.8. Сварные соединения алюминиевых сплавов

к концентраторам напряжений по сравнению с рядом ста­лей, применяемых в конструкциях. Поэтому к соединениям из алюминиевых сплавов предъявляют ряд требований, относящихся к их конструктивному оформленню и предот­вращению повреждений изделий в процессе производства. На рис. 3.8 приведены рациональные виды сварных соеди­нений из алюминиевых сплавов.

На рис. 3.9, а, б приведены примеры стыковых соеди­нений деталей из алюминиевых сплавов разных толщин при отсутствии эксцентриситета, на рис. 3.9, в, г — при нали­чии эксцентриситета.

Рис. 3.9. Стыковые соедипення алюминиевых сплавов: а, * — рациональные; 6, t — нерациональные

Предусмотрены варианты плавных сопряжений радиусом г швов с основным металлом (рис. 3.9, а, в). Это сделано в

П с)

гГГІІ

")

А

Рис. 3,10. Виды элементов алюминиевых конструкций

целях устранения концентраторов напряжений, понижаю­щих предел прочности соединений (рис. 3.9, б, г).

При изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов рекомендуется применять стыковые соединения, а также

соединения, в которых сварные швы расположены в зонах пониженных рабочих напряжений. Целесообразны конст­рукции повышенной гибкости (деформируемости).

На рис. 3.10 приведены многочисленные примеры рацио­нальных и нерациональных сварных соединений из алюми­ниевых сплавов. Соединения на рис. 3.10, а. . .к рацио­нальны, так как сварные швы удалены от зоны резкого изме­нения сечений. Соединения на рис. 3.10, л. . я имеют зна­чительную угловую жесткость н находятся в зоне концент­рации. По сравнению с ними соединения, показанные на рнс. 3.10, р. . .у, несколько лучше, поскольку в них обеспечена повышенная податливость.

Титановые сплавы по ряду параметров аналогичны алюминиевым, в частности по чувствительности к концент­раторам напряжений. Поэтому и оформление сварных сое­динений в конструкциях из титановых сплавов не имеет существенных отличий от соединений из алюминиевых сплавов.