Сварные конструкции. Расчет и проектирование

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. ВЫПОЛНЕННЫЕ КОНТАКТНОЙ СВАРКОЙ

Соединения при стыковой сварке. Контактная стыковая сварка имеет распространение в различных конструкциях. Особенно эффективно ее применение при сварке изделий в

б)

и

Рнс. 3.11. Соединения при стыковой контактной сварке

массовом производстве, например арматуры железобетона, типизированных конструкций рам, продольных швов труб. Хорошо свариваются конструкции из низкоуглеродистых, углеродистых и некоторых высоколегированных сталей с площадью поперечного сечения до нескольких сотен квад­ратных сантиметров.

Контактным способом получают стыковые соединения элементов с круглыми, квадратными, прямоугольными, трубчатыми, профильными сечениями (уголки, тавры, рель­
сы). С увеличением периметра детали и уменьшением ее толщины процесс сварки усложняется. Наиболее хорошо соединяются элементы одинакового поперечного сечения (рис. 3.11, а. . .в). Диаметры dt и dt соединяемых элемен­тов круглого сечения (рис. 3.11, г), а также толщины труб s, и s, (рис. 3.11, 5) по возможности не должны отличаться друг от друга более чем на 15%.

Возможность контактной сварки больших поперечных сечений зависит от используемого оборудования. ИЭС им. Е. О. Патока созданы установки для сварки газопровод­ных труб диаметром 1420 мм, и это не является пределом. Площадь поперечных сечений деталей, свариваемых кон­тактным способом, приближается к 1000 см*. Специальный расчет прочности стыков, сваренных контактным способом и работающих под статической нагрузкой, не производится. Прочность стыка соответствует прочности самого элемента. Стыковой контактной сваркой сваривают не только различ­ные марки сталей, но и цветные сплавы.

Соединения при точечной сварке. В большинстве случаев точечной сваркой сваривают изделия при условии располо­жения электродов с двух сторон относительно свариваемых частей. Это предъявляет определенные требования к габа­риту конструкций. Разработаны установки, позволяющие производить точечную сварку при одностороннем располо­жении обоих электродов.

Точечной контактной сваркой наиболее часто соединяют элементы, имеющие малые толщины — от долей до несколь­ких миллиметров (рис. 3.12, о). Хорошо свариваются прочные и высокопрочные углеродистые стали, различные сплавы, в частности алюминиевые и титановые.

Не рекомендуется допускать точечных соединений эле­ментов, отношение толщин которых больше 3. Точечной сваркой можно сваривать также три и более деталей. При этом элемент большей толщины следует укладывать между двумя другими (рнс. 3.12,6).

Сварными точками соединяют между собой не только плоские, но и цилиндрические детали (рис. 3.12, в), стерж­ни круглого сечения с пластинами (рис. 3.12, г) и т. п. Весь­ма целесообразны для сварки точками заготовки, имеющие открытые профили или с отбортовкой (рнс. 3.12, <5). На рис. 3.12, в показан узел менее рациональный, так как в процессе сварки большая масса металла вводится в контур вторичной цепи, вследствие чего увеличивается индуктивное сопротивление машины. На рнс. 3.12, ж показана конст­рукция, свариваемая изогнутым электродом, трудно выпол­няемая на точечной машине; на рис. 3.12, з изображен ра­циональный узел.

В сварном точечном соединении приняты следующие обозначения (рис. 3.13, о. . .в): d — диаметр точки; / — шаг точки; h — расстояние от центра сварной точки до края детали в направлении действия силы Я; I, — расстоя­ние от точки до свободной кромки в направлении, перпен­дикулярном действию силы Я (/( и tt нормируются с уче­том технологических и силовых факторов).

Расстояние между центрами точек в соединении должно быть не меньше некоторого предельного размера ввиду шунтирования тока через ранее сваренную точку. Чем больше расстояние между сварными точками, тем меньше шунтирование тока, следовательно, стабильнее и лучше

результаты сварки. Диаметр точки d назначается в зависи­мости от толщины соединяемых элементов с учетом обеспе­чения высококачественного технологического процесса. Дна-

метр электрода da контактной машины подбирается исходя из необходимого d. Как правило, d=(0,8. . .l,0)d„.

Для стальных детален рекомендуется d=l,2s+4 мм при s<l,5. . .3,0 мм; d=l,5s-J-5 мм при s>3 мм (« — наи­меньшая толщина свариваемых частей).

В некоторых случаях строительные конструкции имеют точки диаметром около 3,5s и более. Можно принимать t=3d, h=2d, l,5d.

В практике иногда применяют соотношение между t, s и d:

d= 1.4 ^0,01/*+ tS-0,1/.

Для улучшения качества соединений точечную сварку иногда заменяют рельефной, при этом более точно фикси­

руется зона пропускания тока, уменьшается эффект шунти* ровання (рис. 3.14).

Точки в сварном соединении следует располагать таким образом, чтобы они воспринимали преимущественно усилия среза, а не отрыва. На рис. 3.15, а показана нерациональ­ная конструкция (точки в ней работают на отрыв); на рис. 3.15,6 — рациональная.

В соединениях, изображенных на рис. 3.16, а, б, расчет прочности производится на срез. Сварные точки могут быть односрезными (рис. 3.16, а) и двусрезными (рнс. 3.16, б).

Расчетное напряжение в односрезной точке

ІКІ*

в двусрезной точке ЧР lid*

<Ы, (3.25)

где [т;1 — допускаемое на­пряжение в точке при сре­зе; d—диаметр точки; Р — усилие, передаваемое на одну точку.

В действительности в точеч­ном соединении могут иметь

место две формы разрушения: срез точек и разрыв основ­ного металла в зоне соединения. Увеличение диаметра точ­ки повышает ее сопротивление срезу; увеличение толщины детали повышает сопротивление основного металла разры­ву. При назначении диаметра согласно формуле (3.23) рас­чет прочности точек можно производить только на срез. При работе сварной точки на отрыв, например в конструк­ции, изображенной на рис. 3.16, в, расчетное напряжение будет

°--ЙЗГ<М. (3-26)

где к,1—допускаемое напряжение в точке при отрыве.

Допускаемое напряжение в точке при отрыве (о01 сле­дует принимать еще более низким, чем [т«1. При этом целе­сообразно пользоваться данными значениями экспери­ментов.

Для легированных сталей и цветных сплавов допускае­мое напряжение в точечных соединениях принимают на

Практически, наиболее часто соединения конструиру­ются смешанными (см. рис. 3.13, в). Напряжение в точке

такого соединения определяется в условном предположении, что все точки работают равномерно:

(3-27)

где I — число односрезных сварных точек в соединении.

Если имеем точки двусрезные, то і — общее число пло­скостей среза в соединении. С учетом неравномерного распределения усилий между точками допускаемое напря­жение (ті) в смешанном соединении целесообразно снизить на 10. . .20%.

Часто в конструкциях сварные точки являются связую­щими и рабочих напряжений не передают. Например, при формировании профилей элементов конструкций, которые воспринимают продольное усилие, точки служат для связи между отдельными частями. Соединения обшивок с каркасом также часто осуществляют точками. Указанные точки при статических нагрузках в большинстве случаев не оказывают существенного влияния на прочность. Примеры сварки профильных элементов точками приведены на рис. 3.17. В верхнем горизонтальном ряду даны точечные соединения, особенно удобные для сварки; во втором ряду — удобные; в третьем — не вполне удобные; в четвергом — трудные.

Соединения при шовной сварке. Шовная контактная сварка допускает возможность соединения элементов от весьма малых толщин до суммарной толщины 4. . .6 мм сталей и цветных сплавов. Шовной сваркой, как правило, соединяют изделия при расположении роликов с обеих

сторон соединяемых ча-

6)

стен (рис. 3.18, а, б), но можно производить сварку и на подкладке при расположении роли­ков с одной стороны (рис. 3.18, в). При шов­ной сварке между со­единяемыми элементами образуется шов путем постановки ряда точек, перекрывающих друг друга.

Нахлесточные соеди - 1 р нения образуют в соедн - Э—- пениях эксцентрисите­ты, в результате кото­рых возникают помимо основных продольных сил изгибающие момен ты. При этом прямоли пенные элементы (рис 3.18, г) несколько не кривляются (рис. 3.18,5) Поскольку элементы, свариваемые шовной сваркой, нме ют малые толщины, влияние изгибающего момента незначи тельно и его при расчете прочности не учитывают.

Напряжения в швах при шовной сварке определяют по условию среза

Ролик

Р

*~Та'

где Р — сила, действующая в соединении; а — ширина шва; / — длина шва.

§ 3.S. СОЕДИНЕНИЯ ПРИ СПЕЦИАЛЬНЫХ МЕТОДАХ СВАРКИ

Соединения при электрошлаковой сварке. Электрошла - ковая сварка является одним из прогрессивных бездуговых процессов сварки. Она обеспечила создание комбинирован-
них прокатно-лито-ковано-штампованных изделий больших сечений, объединенних в единый агрегат.

Этим способом сваривают конструкции рам, барабанов, крупных машиностроительных узлов, сооружений металлур­гических комплексов и т. п. При электрошлаковой сварке укладку швов производят в вертикальном положении, выполняют стыковые, угловые и тавровые соединения. Нередко эти соединения являются не рабочими, а свя­зующими. Электронно-лучевой свар­кой соединяют в основном элемен­ты, имеющие толщины 30. . .1000 мм и более, но в некоторых случаях сваривают и меньшие толщины. Этим методом соединяют между собой ли­сты, плиты, тела круглого сечения, толстостенные трубы, например пу­стотелые валы и т. п.

Электрошлаковой сваркой можно соединять различные марки сталей: низкоуглеродистые, углеродистые, низколегированные и др. Такая

сварка не требует скоса кромок,

очень производительна и экономична (мало расходуется присадочной проволоки и флюсов). Однако конструкции, сваренные электрошлаковой сваркой, при большой тол­щине стенок часто приходится подвергать термической

обработке — отпуску и нормализации для снятия остаточ­

ных напряжений и улучшения структуры. Это несколько удорожает производство.

Электрошлаковой сваркой свариваются детали из тита­новых и алюминиевых сплавов.

На рис. 3.19 приведен пример соединения, выполненного электрошлаковой сваркой. В большинстве случаев расчет швов при электрошлаковой сварке не отличается от провер­ки напряжений в основном элементе конструкции, так как площадь шва бывает при этом эквивалентна площади основ­ного металла. Приходится лишь в некоторых случаях в ме­сте стыков понижать допускаемое напряжение. Примеры соединений (угловых и тавровых), полученных электрошла­ковой сваркой, приведены на рис. 3.20, а. . .д.

Соединения при сварке трением. іЧетод эффективен, так как при этом расходуется малое количество энергии. Зона разогрева имеет небольшую протяженность, а соединения достаточно прочны. Этим методом сваривают инструменты, приваривают режущую часть к державке из поделочной ста­
ли. Его используют при изготовлении закладных частей арматуры железобетона, при сварке некоторых изделий из труб, деталей машин.

Сварка трением производится согласно одной из схем, изображенных на рис. 3.21, а. . .г. В процессе относитель­ного вращения деталей, прижатых друг к другу, торцы

SHAPE * MERGEFORMAT

6)

Р

ж л

Р Г

тж

Рис. 3.21. Схема свархи трением:

а — при вращении одной детали; б — при вращении обеих деталей;

9 — сварка с яращаклцейея просглнкоЯ; а — при пост у пател ьно - аонвратном диижеинн

соединяемых элементов разогреваются. При достижении нужной температуры, зависящей от материала, вращение прекращают и, увеличивая силу Р, производят осадку. Хорошо свариваются между собой не только однородные,
но и разнородные металлы, например сталь + медь + алюминий.

При сварке трением получают стыковые и тавровые соединения (рис. 3.22) с высокими механическими свойст­вами. Расчетные напряжения в сварном соединении при

этом оказываются эквивалентными напряжениям в основ­ном металле. Допускаемые напряжения устанавливаются на основе специальных опытов.

Соединения при диффузионной сварке. Диффузионная сварка позволяет соединять металлы, неметаллические ма­териалы и металлы с неметаллическими материалами. Сварка производится в вакуумных камерах при сжатии соединяемых элементов и их нагреве до температур, мень­ших температуры плавления материала. Поэтому в таких сварных соединениях не наблюдается существенных изме­нений физико-механических свойств по сравнению с основ­ным материалом. Очень большое влияние на механические свойства соединений оказывают температура нагрева, удельное давление на контактных поверхностях, степень вакуума в камере, способ подготовки поверхностей, про­должительность процесса.

Диффузионная сварка позволяет осуществить многооб­разные формы соединений по: плоскости; конической по­верхности; цилиндрической поверхности; сложным рельеф­ным поверхностям.

Определение расчетных напряжений в соединениях при этом способе сварки производится так же, как и в элемен­тах основной конструкции. Допускаемые напряжения дол­жны быть назначены согласно проведенным специальным экспериментам.

Соединения холодной сваркой. Холодной сваркой назы­вают процесс соединения металлов в результате пластиче­ской деформации путем осадки без нагрева. Наилучшим образом соединяются холодной сваркой металлы с кубиче­ской гранецентрированной структурой, обладающие хоро­шими пластическими свойствами: алюминий, медь, их спла­вы, аустенитная сталь и т. д.

Вакуум значительно улучшает условия холодной свар­ки Очистка и выравнивание свариваемых поверхностей,

а)

а также создание на них активных центров достигаются за счет пластической деформации.

При холодной сварке выполняются стыковые и на - хлесточные соединения.

Схема холодной сварки стыкового соединения приве­дена на рнс. 3.23, а. На рис. 3.23, б, в показана схема холодной точечной сварки (/ — свариваемые листы, 2 — пуансоны). При углублении пуансона 2 происходит пла­стическая деформация. Если заменить точечные пуансоны роликовыми, то можно получить холодной сваркой шов­ное соединение (рнс. 3.23, г).

Точечный и шовный виды холодной сварки чаще при­меняют в связующих или слабонапряженных соедине­ниях, так как вдавливание вызывает концентрацию на­пряжений. Несущую способность соединений устанавли­вают экспериментально с учетом свойств металлов и тех­нологии производства работ.

Расчет прочности стыковых соединений, сваренных холодным способом, может не производиться вовсе, так как их свойства часто не отличаются от свойств основного материала. Расчет прочности сварных точек в нахлееточ -

ных соединениях производится на срез. На отрыв такие точки работают недостаточно удовлетворительно. Допу­скаемые напряжения назначаются по опытным данным.

Холодная сварка применяется в электротехнике, ва­куумном машиностроении и т. д.

Соединения при ультразвуковой сварке. Сварка ультра­звуком металлов применяется в приборостроении При ультразвуковой сварке соединяются поверхностные слои металла, освобожденные от окисных пленок и адсорбиро­ванных газов (рис. 3.24).

Способность ультразвуковых колебаний разрушать по­верхностные пленки дает возможность сварки металлов в защитными покрытиями. Ультразвуком соединяются пла­стичные металлы, алюминий, медь, аустенитная сталь, тантал. Возможно сваривание неметаллических материа­лов, например керамики.

Ультразвуком сваривают элементы малых толщин, как правило, не свыше 1. . .2 мм и особенно хорошо сваои - ваются очень тонкие элемен­ты. Возможна приварка тон­кого элемента к толстому.

При ультразвуковой свар­ке получают точечные и шов­ные соединения, аналогич­ные соединениям контактной сварки. Расчет прочности производится на срез так же, как и расчет соединений, вы­полненных контактной свар­кой. Допускаемые напряже­ния определяются на основе специальных экспериментов.

Соединения при электрон­но-лучевой сварке. Электрон­но-лучевая сварка производится в вакууме в специальных камерах. Эту сварку применяют для специальных сортов сталей, тугоплавких и активных металлов, например тан­тала, циркония, молибдена и др. Целесообразно исполь­зование ее для некоторых марок титановых и алюминиевых сплавов, а также для соединения разнородных материалов.

При электронно-лучевой сварке источник тепла скон­центрирован в малом объеме, поэтому зоны проплавления и термического влияния имеют весьма малую ширину. Благодаря относительно высокой степени вакуума в камере (0,1. . .0,01 Па) механические свойства сварных сое­

динений при этом способе сварки оказываются высокими. Электронно-лучевой сваркой выполняют стыковые, на - хлесточные (рис. 3.25, а) и тавровые (рис. 3.25, б) соеди­нения. Кроме того, оказывается возможным выполнять швы в замкнутых объемах. Укладку швов можно произ­водить при разных пространственных положениях. Элект­ронно-лучевая сварка находит применение в элементах как малых, так и сверхбольших толщин в энергетическом машиностроении, в приборостроении и т. д. Расчет проч­ности соединений при электронно-лучевой сварке во многих случаях сводится лишь к расчету прочности основной

детали, так как соединения могут быть приняты рав­нопрочными основной де­тали. Нередко правильная оценка прочности соедине­ний, особенно разнородных металлов, производится на основе специально про­веденных экспериментов.

Сварка взрывом. Свар­ка взрывом является од­ним нз новых процессов соединения разнородных и однородных металлов. Перспективно использо­вание эффекта взрыва главным образом для получения двухслойных элементов и производства наплавок. Сварка взрывом очень произво­дительна. При правильном технологическом процессе ме­ханические свойства оказываются стабильными и высокими.

Сварка лазером. За последние годы перспективы приме­нения лазера для сварки значительно расширились. Со­здание лазеров высокой мощности позволяет сваривать элементы конструкции толщиной в десятки миллиметров. Ее особенности — предельно узкая зона термического влияния и малые величины остаточных деформаций Име­ются все основания считать лазерный процесс перспектив­ным дія сварки как тонкостенных, так и толстостенных изделий. Достигается кинжальное проплавление. Пласти­ческие свойства швов высокие, например шов из стали СтЗ выдерживает двукратный перегиб на 180’. Эффективно применение лазера дія соединений закаленных сталей.

Твердотельная лазерная сварка успешно применяется для соединения малых толщин, преимущественно меньше
миллиметра, нередко в форме точек при высокой интен­сивности энергии 10®. . .10® Вт/см* в течение ничтожно малого промежутка времени.

Сварка на основе СО,-лазеров используется для свар­ных соединений значительно больших толщин.

В СССР и за рубежом распространены в промышлен­ности лазеры мощностью до 5 кВт, что позволяет легко сваривать стали и цветные спла­вы толщиной до 5 мм и более.

Комбинирование нескольких ла­зеров, а также лазера с дугой позволяет значительно увели­чить толщину свариваемых де­талей.

Имеются примеры лазерной сварки толстостенных изделий, но такие установки слишком дороги.

Радиочастотная сварка. Ра­диочастотная сварка (рис. 3.26) весьма производительна; ее скорость достигает 50 м/мин. Количество потребляемой энергии и температурное влия­ние ее на основной металл весьма незначительны. Радио­частотная сварка применяется для соединения не только стальных труб, но и труб из цветных металлов. При сварке латунных труб швы образуются так же, как и при обычной стыковой контактной сварке, но из-за большой скорости в процессе не происходит расплавления и испарения цинка в поверхностном слое. Этим способом можно сваривать профильный металл при небольшой толщине элементов.

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Рассмотрим два примера расчета угловых швов, очер­ченных по равнобедренному треугольнику.

Пример J. Швеллер № 12 (рис. 3.27, а) прикреплен к листу лобовым и фланговыми швами. Сварка ручная (р=0,7). Определить напряжения в швах при Р»» 180 кН= 180-10'* МН.

Площадь сечения лобового шва, имеющего катет шва /С=5 мм,

Ая = фК = 12 0.7 0,5= 4.2 см*.

Площадь сечения двух фланговых швов при /С~8 мм Лфл = 2-20 0,7.0,8 = 22,4 см*.

Площадь сечения всех угловых швов прикрепления

А = Ал + А фл = 26,6 см* = 26,6 • 10-• м».

Напряжение среза в швах

Р __ 180-10-* м,

т“Т“ 26.6-10- ’

Пример 2. Уголок ЭОХЭОмм (рис. 3.27,6) имеет площадь се­чения Л= 15,6 см*. Допускаемое напряжение в металле уголка 1о)„=200 МПа, допускаемое напряжение среза в шве [т)=120 МПа.

*)

Рис. 3.27. Примеры расчета сварных соединений

Спроехтируем сварное соединение, равнопрочное уголку; сварка однопроходная, полуавтоматическая (|$=0,8).

Допускаемое растягивающее усилие в уголке Р = [а]р/1-200-15,6-10-* = 0,312 МН

Проектируем лобовой шов с катетом К—9 мм.

Усилие, допускаемое на лобовой шов,

Рл = [т']р/= 120-0,8 0,9-9.!0-* = 0,078МН

Остальная часть усилия должна быть передана на фланговые швы:

Рф1-Р — Рл-= 0.234 МН.

Усилие, передаваемое на шов /,

Pj нг0,7Рфл =0,164 МН.

Катет шва 1 принимаем /(=12 мм, тогда требуемая длина Pi 0,164 Лілп_

<1 = КіУТД0.8.0.012-Т20д0’142н

Принимаем /j=I4cm.

Усилие, передаваемое на шов 2,

Рг = О. ЗРф., «= 0,67 МН.

Катет шва 2 принимаем /С=9 мм, тогда требуемая длина

і р• 0|67 ппао

г~ 0/С [т'] 0,8 0,009-120 *

Принимаем /*=8 см.

Примеры 3. . .6 предлагаются для самостоятельной работы по расчету угловых швов.

Пример 3. Полоса сечением 300X12 мм (рис. 3.27, в) прикреп­лена к листу фланговыми и косыми швами с катетами /(=12 мм и лобовым швом с катетом /(=8 мм. Определить допускаемое уси­лие Р, если Гт'І^ігОМПа, сварка автоматическая (Р=1).

Пример 4. Определить требуемые длины фланговых швов для прикрепления двух тяг уголкового профиля 100X100X 8 мм (рис. 3.27, г). Площадь сечения тяги /4= 15,6 см®. Поддерживаемый груз Р= 200 кН, сварка полуавтоматическая (р=0,8).

Пример 5. Определить число сварных точек для прикрепления к листу швеллера № 6, 5 (рис. 3.27, д) площадью сечения Л = -8,28 см® и ТОЛЩИНОЙ стенки 4,5 мм при условии Р=100 кН с до­пускаемым напряжением на срез точки [т']=90 МПа и произвести их расстановку с учетом I, /,, 1г.

Пример в. Полоса сечением 200Х 12 мм (рис. 3.27, е) привари­вается к листу. Усилие Р=500 кН; допускаемое напряжение шва (т')=130 МПа. Определить количество наплавленного металла при швах в форме равнобедренного треугольника с катетами К8 и К12 (сварка ручная (р=0,7).