Файл: Федеральное агентство по образованию иркутский государственный технический университет.doc

По протяженности сварные швы бывают непрерывными (сплошными) и прерывистыми (шпоночными) (рис. 10.23). Прерывистые швы могут быть расположены в виде цепочки или в шахматном порядке. Длина участка прерывистого шва l = 50…100 мм. Расстояние t– шаг прерывистого шва, обычно равный 2l. Применение прерывистых швов из-за концентрации напряжений по концам шва и пониженной коррозийной стойкости нежелательно. Основное преимущество прерывистых швов – ускорение ручной сварки благодаря уменьшению объема наплавленного металла – не может компенсировать отмеченных недостатков. Эти швы применяются в качестве связующих, а также для сварки лестниц, настилов площадок и прочих слабонагруженных конструкций и элементов с напряжением менее 0,4R.




Рис. 10.22. Положение сварных швов в пространстве:

а – расположение: нижнее (1), вертикальное (2), потолочное (3);

б – горизонтальное на вертикальной плоскости; в – «в лодочку»

Рис. 10.23. Сварные швы по протяженности:

а – сплошные; б – прерывистые

По количеству слоев, наложенных при сварке, швы могут быть однослойными и многослойными. Первые выполняются одним проходом сварочной дуги, вторые несколькими (рис. 10.24).


Рис. 10.24. Сварные швы по количеству слоев:

а – однослойные; б – многослойные

При ручной сварке за один проход может быть выполнен шов с катетом k_f ≤ 8 мм. Более толстые швы получаются при многослойной сварке, катет которых k_f  20 мм применять не рекомендуется, так как они имеют большие внутренние сварочные напряжения.

По внешней форме сварные швы делятся на нормальные (с плоской поверхностью), выпуклые (усиленные) и вогнутые (рис. 10.25).

Выпуклые швы характерны для ручной сварки. К вогнутым угловым швам прибегают в целях повышения сопротивления сварных соединений усталости (вогнутость стыковых соединений является браком). Вогнутость и плоская поверхность швов достигаются регулировкой режима сварки или специальной механической обработкой.

---

Параметры режима сварки влияют на качество сварного соединения и предопределяют геометрические размеры и форму шва (см. рис. 10.25). За расчетный катет шва k_fпринимается меньший катет вписанного в сечение треугольника. Выпуклость (усиление) шва сварного соединения qи вогнутость m допускаются равными 0,2k, но не более 3 мм.

Форма шва характеризуется:

– коэффициентом провара, т.е. отношением ширины шва к его толщине (лучшей формой провара считается такая, у которой ширина шва в 1,3…2 раза больше толщины шва);

– коэффициентом формы шва, т.е. отношением толщины шва к его усилению (для нормально сформированных швов коэффициент формы шва должен находиться в пределах от 6 до 12);

– долей основного металла в металле шва, т.е. отношением площади расплавленного основного металла к площади сечения всего шва.



Рис. 10.25. Форма и геометрические размеры сварного шва:

а – стыковые; б – угловые;

t – толщина свариваемого металла; h– глубина провара; e – ширина шва;

q– выпуклость шва (высота усиления); m – величина вогнутости;k, k₁ и k₂ – катеты угловых швов; k_f – расчетный катет шва; p – расчетная высота

углового шва;s = (p + q) – толщина углового шва; δ – зазор
Соотношение размеров катетов угловых швов принимается, как правило, 1:1. Для уменьшения концентрации напряжений при переходе силового потока с одного элемента на другой рекомендуются пологие швы с отношением катетов 1:1,5. При этом больший катет должен быть расположен вдоль передаваемого швом усилия, а за толщину шва принимается меньший катет. Плавный переход силового потока достигается также устройством швов вогнутой формы. Такая форма швов применяется в конструкциях, воспринимающих динамические и вибрационные нагрузки, а также возводимых в климатических районах Ι₂, ΙΙ₂, ΙΙ₃ и Ι₁ (расчетная температура воздуха

–40^оС > t ≥ –65^оС), при обосновании расчетом на выносливость или на прочность с учетом хрупкого разрушения.

Швы с неравными катетами допускается применять в свариваемых элементах разной толщины, при этом катет, примыкающий к более тонкому листу, должен быть не более 1,2

---

t_min, а примыкающий к более толстому листу – не менее k_f, _min (см. табл. 10.10).

Максимальный катет угловых швов в целях уменьшения возможности пережога свариваемых элементов, а также снижения усадочных напряжений и деформаций принимается k_f,max ≤ 1,2 t_min (t_min – толщина более тонкого из соединяемых элементов).

10.1.15. Расчет и конструирование сварных соединений

10.1.15.1. Стыковые соединения

Стыковое сварное соединение является наиболее простым и надежным. В стыковых швах при всех видах сварки плавлением концентрация напряжений имеет минимальные значения.

При действии на соединение статической нагрузки первоначальная концентрация напряжений в стыковом сварном шве не оказывает влияние на его прочность, так как из-за развития пластических деформаций происходит релаксация напряжений в точках концентрации. Поэтому расчет стыковых сварных соединений выполняют в предположении, что распределение напряжений в поперечном сечении сварного шва равномерно.

Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение или

сжатие производится по формуле

N/ (tl_w) ≤ R_wyγ_с,

где N – внешнее усилие, приложенное к соединению;

t – расчетная толщина шва, равная толщине наиболее тонкого из соединяемых элементов (местное утолщение в виде валика сварного шва в расчет не принимается); в том случае, если невозможно обеспечить полный провар по толщине свариваемых элементов путем подварки корня шва, например, при односторонней сварке или использовании остающейся стальной подкладки, в формуле вместо t следует принимать 0,7t;

l_w – расчетная длина шва, равная полной ширине соединяемых элементов за вычетом 2t, учитывающих низкое качество шва в зонах зажигания (непровар) и прерывания (кратер) сварочной дуги. При условии выполнения шва с применением выводных технологических планок, позволяющих вывести начало и конец шва за пределы рабочего сечения шва, расчетная длина принимается равной полной его длине (после сварки технологические планки срезаются, а торцы шва зачищаются наждачным кругом);

---

R_wy – расчетное сопротивление сварного стыкового соединения, принимаемое по табл. 2.6;

γ_с – коэффициент условий работы, принимаемый по табл. 1.3.

Расчетное сопротивление сварного стыкового шва зависит от способов контроля качества сварного шва. Расчетное сопротивление сварного стыкового шва R_wy равно расчетному сопротивлению основного металла R_y при сжатии, а также при растяжении, если применяются физические методы контроля качества сварных швов (об этом обязательно должна быть сделана запись в рабочих чертежах КМ). Если физические методы контроля качества шва, работающего на растяжение, не используются, то следует принимать R_wy= 0,85R_y.

Так как расчетное сопротивление стали зависит от толщины проката, то в расчетах следует принимать R_y наиболее толстого из свариваемых элементов.

Расчет сварных стыковых соединений растянутых элементов конструкций из стали с соотношением R_u / γ_u > R_y, эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести, производится по формуле

N/ (tl_w) ≤ R_wu/ γ_uγ_c,

гдеR_u – расчетное сопротивление проката по временному сопротивлению, (см. табл. 2.3);

γ_u – дополнительный коэффициент надежности, учитывающий повышенную опасность при расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления R_u и принимаемый для стали равным γ_u = 1,3;

R_wu – расчетное сопротивление сварного соединения по временному

сопротивлению (см. табл. 2.6).

Расчет сварных стыковых соединений выполнять не требуется при применении сварочных материалов (см. табл. 2.5), полном проваре соединяемых элементов и физическом контроле качества растянутых швов.

Пример 10.1. Рассчитать и законструировать стыковое соединение листов шириной 500 мм, толщиной t₁ = 10 мм и t₂ = 14 мм при действии расчетного растягивающего усилия N = 1200 кН (рис. 10.26, а). Материал листов – сталь класса С245. Шов выполнен с полным проваром без применения физических методов контроля качества шва, концы шва не выведены на специальные технологические планки.

---

Стык выполняется ручной сваркой электродами Э42 (см. табл. 2.5).

В более толстом листе делаем скос с уклоном 1: 5, т.к. разность толщин соединяемых элементов t₂ – t₁ = 14 – 10 = 4 мм > 2мм (см. табл. 10.9).

При минимальной толщине соединяемых листов t₁ = 10 мм разделка кромок не требуется.

Листовой прокат из стали С245 толщиной t_max = t₂= 14 мм имеет расчетное сопротивление R_y = 240 МПа = 24 кН/см² (см. табл. 2.3).

Расчетное сопротивление сварного стыкового соединения принимаем:

R_wy = 0,85R_y = 0,85 · 240 = 204 МПа.



Рис. 10.26. К расчету стыковых швов:

а – прямой шов; б – косой шов, выполненный с применением

выводных планок.

Расчетная длина шва l_w= b – 2t₁= 50 – 2 · 1 = 48 см.

Проверяем прочность сварного стыкового шва:

σ_w = N / (t₁l_w) = 1200 / (1 · 48) = 25 кН/см² = 250 МПа > R_wy = 204 МПа.

Условие не выполняется, необходимо устройство косого шва.

Пример 10.2. Рассчитать и запроектировать сварное соединение косым швом встык с полным проваром и выводом начала и конца шва на технологические планки (рис. 10.26, б). Остальные условия см. пример. 10.1.

На практике косой стык устраивается с заложением 2:1, что соответствует углу α ≈ 63,5^о.

Расчет прочности шва по нормальным напряжениям:

σ_w = Nsin α / (tl_w') = 1200 ∙ 0,895 / (1 · 55,87) = 19,22 кН/см² = 192,2 МПа <

< R_wyγ_c= 204 · 1 = 204 МПа,

где sin α = sin 63,5^о = 0,895;

l_w^′ = l_w / sin α = 50 / 0,895 = 55,87 см – расчетная длина косого шва.

Расчет прочности шва по касательным напряжениям:

τ_w = Ncos α / (tl_w′) = 1200 ∙ 0, 446 / (1 ∙ 55,87) = 9,58 кН/см² = 95,8 МПа <

< R_wsγ_c = 118,3 МПа,

где cos α = cos 63,5^o = 0,446;

R_ws= 0,58 R_wy = 0,58 · 204 = 118,3 МПа.

Прочность косого стыкового шва обеспечена как по нормальным, так и по касательным напряжениям.

При действии на соединение статической нагрузки проверка по приведенным напряжениям, как правило, не производится.

Сварные стыковые соединения, выполненные без физических способов контроля качества шва, при одновременном действии в одном и том же сечении нормальных и касательных напряжений при действии на соединение динамической нагрузки проверяются по формуле

---