Виды сварных швов и соединений

Сварным швом (в дуговой сварке) называется конструктивный элемент сварного соединения на линии перемещения источника сварочного нагрева (дуги), образованный затвердевшим после расплавления металлом.

Сварные швы классифицируются по конструктивному признаку, назначению, положению, протяженности и внешней форме.
По конструктивному признаку швы разделяют на стыковые и угловые (валиковые). Стыковые швы наиболее рациональны, так как имеют наименьшую концентрацию напряжений, но требуют дополнительной разделки кромок швы бывают V-, U-, X- и K-образные. Для V- и U-образных швов, свариваемых с одной стороны, обязательна подварка корня шва с другой стороны для устранения возможных не проваров, являющихся источником концентрации напряжений.

При автоматической сварке принимаются меньшие размеры разделки кромок швов вследствие большего проплавления соединяемых элементов (см. таблицу). Чтобы обеспечить полный провар шва, односторонняя автоматическая сварка часто выполняется на флюсовой подушке, медной подкладке или стальной остающейся подкладке.

При электрошлаковой сварке разделка кромок листов не требуется, но зазор в стыке принимают не менее 14 мм.

Угловыми швами, весьма часто применяемыми в конструкциях, являются поясные швы в балках и колоннах. Такими швами привариваются элементы конструктивного оформления (ребра, накладки), а также элементы в углах решетчатых конструкций и т.п. Угловые (валиковые) швы наваривают в угол, образованный элементами, расположенными в разных плоскостях. Применяющаяся при этом разделка кромок изделий показана на схеме:

Виды швов
а – стыковой шов в однопроходном стыковом соединении; б –стыковой шов с подваркой корня в однопролетном стыковом соединении; в – фланговый и лобовой швы в нахлесточном соединении; г – угловые швы в тавровом соединении; д – прерывистые (шпоночные) швы в нахлесточном соединении; 1 – подварка корня шва; 2 – лобовой шов; 3 – фланговый шов; 4- угловые швы; 5 - прерывистые или шпоночные швы

Угловые швы, расположенные параллельно действующему осевому усилию, называются фланговыми, а расположенные перпендикулярно – лобовыми.

Швы могут быть рабочими или связующими (конструктивными), сплошными или прерывистыми (шпоночными). По положению в пространстве во время их выполнения они бывают нижними, вертикальными, горизонтальными и потолочными.

Положение швов в пространстве
I – нижнее; II – вертикальное; III – потолочное; IV – горизонтальное на вертикальной поверхности

Сварка нижних швов наиболее удобна, легко поддается механизации, дает лучшее качество шва, поэтому при проектировании следует рассматривать возможность выполнения большинства швов в нижнем положении. Вертикальные, горизонтальные и потолочные швы в большинстве своем выполняются при монтаже. Они плохо поддаются механизации, выполнить их вручную трудно, качество шва хуже, поэтому применение их в конструкциях ограничено.

Различают с ледующие сварные соединения: стыковые, внахлестку, угловые и тавровые.

Виды сварных соединений
а – стыковые; б – внахлестку; в – комбинированные; г –угловые; д – тавровые; 1 – лобовые; 2 – фланцевые швы; 3 – косой шов

Стыковыми называются соединения, в которых элементы соединяются торцами и один элемент является продолжением другого. Такие соединения наиболее рациональны, так как имеет наименьшую концентрацию напряжений при передаче усилий, экономичны и удобны для контроля.

Стыковые соединения листового металла выполняют прямым или косым швом.

Соединения внахлестку называют такие, в которых свариваемые элементы, частично находят друг на друга (схема выше, б). Эти соединения широко применяют для сварки листовых конструкций небольшой толщины (2-5 мм), в решетчатых и других видах конструкций. Разновидностью соединений внахлестку являются соединения с накладками с целью усиления стыков.

Соединения внахлестку с накладками просты, но менее экономичны по расходу металла и вызывают резкую концентрацию напряжений, поэтому их редко используют при переменных и динамических нагрузках, а так же при низкой температуре.

Угловыми называются соединения, в которых свариваемые элементы расположены под углом (схема выше, г).

Тавровые соединения отличаются от угловых тем, что в них торец одного элемента приваривается к поверхности другого (схема выше, д).

Во всех видах сварных соединений применяются угловые швы (валиковые). Только стыковые соединения выполняются с помощью стыковых швов.
Работоспособность сварного соединения зависит от его качества, т.е. минимального числа дефектов. Наиболее часто встречающимися дефектами
сварного соединения являются:

а) подрезы, представляющие собой углубления (канавки) в металле, идущими вдоль границы шва;
б) непровары - отсутствие оплавления между металлом шва и основным металлом. При этом в местах непроваров обнаруживаются тонкие пленки оксидов и шланговые включения;
в) шлаковые (неметаллические) включения – частицы шлака, не успевшие всплыть на поверхность шва до затвердения металла шва;
г) поры – области, заполненные газом, выделяющимся в процессе сварки;
д) горячие трещины – разрушение металла шва при температурах близких
к температурам солидуса. Горячие трещины представляют собой
межкристаллитное или межзеренное разрушение. При попадании в трещину воздуха, поверхность ее покрывается темными оксидами коричнево-синеватого цвета. Горячие трещины появляются тогда, когда металл шва не набрал еще способности сопротивляться развитию деформаций.
е) холодные трещины наблюдаются после охлаждения сварного соединения. Характерной особенностью этих трещин является блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления. Образованию холодных трещин способствует изменение структуры металла в результате сварки, насыщения металла шва водородом из атмосферы сварочной дуги, а в некоторых случаях, основного металла в результате процесса термодиффузии, а также наличие напряжений, включая сварочные напряжения. Сварочные напряжения приводят к образованию холодных трещин после сварки до нагружения конструкции эксплуатационными нагрузками и даже до монтажа.

 

Методика расчета сварных соединений

Расчет прочности швов соединений, нагружаемых осевыми силами

Условные обозначения:

Р —нагрузка соединения;

L — общая длина рассчитываемого шва;

δ — толщина соединяемых деталей;

k — катет углового шва;

d, i — диаметр пробок и их количество в пробочном соединении;

а — ширина шва при роликовой сварке.

Сварной шов при соединении встык (рис. 1) работает на растяжение и сжатие, причем все виды подготовок кромок принимаются эквивалентными.

рис.1 Стыковые швы; а – прямой; б – косой

Условие прочности шва (формула 1)

рис. 2 Соединения внахлестку валиковыми швами: а – лобовыми; б – фланговыми; г – сечение углового (валикового) шва

Угловые швы (рис. 2) рассчитывают на срез по сечению, проходящему через биссектрису прямого угла; расчетная высота шва h = k cos 45° ~ 0,7 k

рис. 3

При несимметричном расположении швов относительно линии действия силы Р (рис. 3) усилия, возникающие в них, находятся из уравнений статики:

Сварные швы при соединении втавр рассчитываются различно в зависимости от типа швов (рис. 4)

По рис. 4, тип а

по рис. 4, типы б, в

рис. 5

Пробочные соединения (рис. 5, а) рассчитывают на срез по формуле

При соединении деталей точечной сваркой сварной шов работает на срез, тогда

или на отрыв, тогда

Шов, получаемый роликовой сваркой, рассчитывается на срез:

Расчет прочности швов, нагруженных перпендикулярно стыку свариваемых деталей

рис. 6 Соединение нагружено силой и моментом (швы стыковые)

Расчет прочности шва соединения, нагруженного силами и моментом (рис. 6), ведется по нормальным напряжениям (влиянием поперечной силы, как и при расчете балок на изгиб, пренебрегают):

Здесь W_e = δh²/6 – момент сопротивления сварного шва; F_e = δh – площадь сечения шва

рис. 7 Соединение нагружено силой и моментом (швы угловые)

В случае выполнения соединения угловыми швами (рис. 7) расчет ведут по условной методике, геометрически суммируя
напряжения от изгиба и растяжения с напряжениями, соответствующими поперечной силе:

Величина τ_Q учитывается лишь в случаях, когда поперечная сила сравнительно велика, а плечо внешнего момента небольшое; в формуле учтены

W_c = 2×0,7 kh ²/6 – момент сопротивления биссекторного сечения швов; F_c = 2×0,7 kh – площадь сечения швов

Расчет прочности швов, нагруженных в плоскости стыка свариваемых деталей

рис. 8 Швы нагружены в плоскости стыка свариваемых деталей

Угловые швы соединения рассчитывают обычно по одной из двух условных методик: по способу полярного момента инерции или по способу осевого момента инерции. В первом случае касательное напряжение от действия момента

где М – расчетный момент; r _max – расстояние от центра тяжести швов до наиболее удаленной точки шва; I _pc – полярный момент инерции швов

I _pc = I _ус + I _zc, где I _ус и I _zc – осевые моменты инерции швов относительно осей y и z

Касательное напряжение т _м в любой точке считается направленным перпендикулярно к радиус-вектору, соединяющему эту точку с центром тяжести периметра швов. Моменты инерции вычисляются для биссекторного сечения швов.
По второму способу

где y _max – расстояние от оси элемента до наиболее удаленной точки шва;
Напряжение от растяжения (или сжатия)

где, F _e = 0,7 kL – общая площадь швов

При учете влияния поперечной силы соответствующее напряжение вычисляется лишь для вертикального шва, т. е.

где F _вс = 0,7 kh

Суммарные касательные напряжения в опасной точке шва находятся геометрическим сложением.
Расчет швов точечного соединения (рис. 9) проводится по одному из двух вышеперечисленных способов.

Усилие в наиболее нагруженной точке от внешнего момента
или

геометрически суммируется с усилием, равным

обусловленным действие силы Р, т.е.

Условием прочности служит выражение

При расчете швов на переменную нагрузку вводят коэффициент у снижения допускаемого напряжения:
а) для стыковых швов при нагрузке, переменной по величине, γ = 1; при нагрузке, меняющейся по величине и по направлению

б) для угловых швов при нагрузке, как переменной по величине, так и переменной по величине и направлению

P _min и P _max – наименьшее и наибольшее по абсолютной величине усилия, которые следует подставлять в формулы со своими знаками

Расчет угловых сварных швов

Угловые швы располагают в углах, образованных гранями соединяемых элементов. Катетом шва называется размер наименьшего из его катетов.

Фланговые угловые швы

Под воздействием продольного усилия работают на срез. Поверхность среза располагается примерно по биссектрисе углового шва, имея высоту .

Расчетная площадь среза швов

где – расчетный катет углового сварного шва;

– расчетная длина шва (суммарная).

Коэффициент зависит от формы шва, глубины провара, способа сварки и принимается: от 0,7 до 1,15 по нормам проектирования.

Напряжения в угловых фланговых швах по металлу шва проверяют по формуле

или ;

по металлу границы сплавления:

где – расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу шва;

– расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу границы сплавления;

– суммарная расчетная длина швов;

– коэффициенты глубины провара;

– коэффициенты условий работы шва;

– коэффициент условий работы соединения конструкции.

Лобовые угловые швы

Н аходятся в более сложном напряженном состоянии, чем фланговые. Усилие круто перетекает через шов с одного соединяемого элемента на другой, линии силового потока резко искривляются, и поэтому в шве одновременно возникают напряжения от осевой силы, изгиба и среза. Швы разрушаются также по поверхности, проходящей примерно по биссектрисе шва. Из-за сложности напряженного состояния лобовые швы рассчитывают условно на срез по минимальной площади среза швов. Полученные напряжения сравнивают с расчетным сопротивлением углового шва, которое для угловых швов одинаково при всех видах силовых воздействий. Таким образом, расчетная формула проверки напряжений в лобовых угловых швах та же, что и для фланговых швов.

При действии изгибающего момента на прямоугольный элемент, прикрепленный угловыми швами, напряжения в швах определяют так же, как условные напряжения по поверхности среза.

где – расчетная длина одного шва.

Если элемент имеет непрямоугольное сечение, то момент сопротивления шва W_f в формуле определяют по очертанию соединяющего шва.

При действии сдвигающей силы на элемент, прикрепленный угловыми швами, напряжения на поверхности среза считаются распределенными равномерно, и формула проверки напряжений имеет вид:

где — суммарная расчетная длина сварных швов в соединении.

При совместном действии нескольких усилий в сварном соединении с угловыми швами напряжения в швах от отдельных усилии вычисляют по вышеприведенным формулам, после чего определяют результирующие напряжения. При этом если срезывающие напряжения в одном и том же сечении углового шва имеют одно направление, то их складывают арифметически; если напряжения взаимно перпендикулярны, то определяют равнодействующую этих напряжений.

Например, при действии на элемент одновременно изгибающего момента и сдвигающей силы результирующие напряжения будут:

Это обстоятельство не надо путать с приведенными напряжениями в стыковых швах.

 

⇐ Предыдущая123456789

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: