Расчет сварных соединений

Расчет стыковых соединений.

Швы этих соединений работают на растяжение или сжатие в зависи­мости от направления действующей нагрузки (рис.11, а и б). Основ­ным критерием работоспособности стыковых швов является их прочность. Соединение разрушается в зоне термического влияния и рассчитывается по размерам сечения детали по напряжениям, возникающим в материале детали.

Рис. 11. К расчету стыковых соединений

Проверочный расчет прочности шва на растяжение.

Условие прочности:

, (1)

где , — расчетное и допускаемое напряжения на растяжение для шва (табл.1); F — нагрузка, действующая на шов; δ — толщина детали (толщину шва принимают равной толщине детали); l _ш — длина шва.

Проектировочный расчет. Целью этого расчета является определение длины шва.

Исходя из основного условия прочности (1), длину стыкового шва при действии растягивающей силы определяют по формуле:

(2)

Таблица 1. Допускаемые напряжения для сварных соединений деталей из низко- и среднеуглеродистых сталей при статической нагрузке

Вид деформации, напряжение	Автоматическая и полуавтоматиче­ская сварка под флюсом	Ручная дуговая электродами
Э50А, Э42А	Э50, Э42
Растяжение			0,9[σ]р
Сжатие
Срез

Расчет угловых швов нахлесточных соединений.

При действии осевой растягивающей (или сжимающей) силы считают, что срез угловых швов происходит по сечению I-I (рис. 12), проходя­щему через биссектрису прямого угла.

Рис. 12. К расчету соединения внахлестку. Лобовой шов

Опасным напряжением считают касательное напряжение и расчет ве­дут на срез (напряжениями изгиба пренебрегают). Для нормальных угловых швов длина биссектрисы

, (3)

где h — длина биссектрисы (высота шва в опасном сечении); К — катет шва (принимается не менее 3 мм).

Проверочный расчет. Условие прочности одностороннего лобового шва на срез:

, (4)

где , — расчетное и допускаемое напряжения среза для шва (см. табл.1); l _ш — длина шва; F — нагрузка, действующая на шов.

Проектировочный расчет. Длину одностороннего лобового углового шва (см. рис. 12) при осевом нагружении определяют по формуле

; (5)

длина двустороннего лобового углового шва

. (6)

Фланговые угловые швы (см. рис.5, б) рассчитывают по уравнению (6), т. е. аналогично рассмотренному случаю расчета двустороннего ло­бового шва. Во фланговых швах нагрузка по длине шва распределяется не­равномерно (по концам шва увеличивается), поэтому длину фланговых швов стараются ограничить l _ш < (50 ÷ 60 )К.

Расчет точечных сварных соединений.

Для сваривания тонкостенных листовых конструкций часто используются точечные сварные соединения. Такие соединения проверяют на срез. Условие прочности имеет вид

,

где d – диаметр сварных точек;

z – число сварных точек.

Расчет тавровых швов.

Рассмотрим наиболее характерные случаи нагружения тавровых швов, которые могут встречаться также и в комбинациях.

Рис. 13

а) нагрузка моментом в плоскости шва

Если привариваемая деталь круглая (рис.13, а) (шов круг­лый кольцевой), то расчет шва проводится на кручение в коль­цевом сечении, расположенном под углом 45° к основанию шва.

где - полярный момент инерции расчетного сечения;

R - расстояние до наиболее удаленного от центра волокна, сечения шва.

Если сечение шва не круглое (рис.13, б), то оно всё же условно рассчитывается по уравнение кручения для круглых стержней. В этом случае принято пренебрегать возникающим при такой расчетной схеме короблением сечения и нелинейный характером эпюр напряжений:

где - условный полярный момент инерции сечения;

- допускаемое напряжение кручения для наплавлен­ного металла шва.

Для указанного на рис. 7, б примера:

; .

б) внецентренно приложенная нагрузка или нагрузка моментом

Рис. 14

Нагрузка состоит из изгибающего момента M = M₀ или M = Pl и перерезывающей силы Р (при нагрузке только моментом M₀ перерезывающая сила отсутствует).

Шов рассчитывается на изгиб и срез, но не по нормальным, а по касательным напряжениям в наклонных сечениях под углом 45° к основанию шва. Полное касательное напряжение равно векторной сумме напряжений от момента и перерезывающей силы

; .

В данном примере

; .

В любом случае для расчёта самых сложных сварных швов сначала необходимо привести силу и момент к шву и распределить их пропорционально несущей способности (длине) всех простых участков. Таким образом, любой сложный шов сводится к сумме простейших расчётных схем.

Последовательность проектировочного расчета сварных соеди­нений.

1. Выбирают конструкцию шва (стыковой, угловой), вид сварки и мар­ку электродов.

2. Определяют допускаемые напряжения для сварного соединения (см. табл.1).

3. По формулам (2), (5), (6) определяют длину шва.

4. При соединении комбинированными швами определяют длину лобовых и фланговых швов.

5. Вычерчивают сварное соединение и уточняют размеры соединяемых деталей.

Рекомендации по конструированию сварных соединений встык и внахлест

Из-за дефектов сварки на концах шва принимают минимальную длину шва не менее 30 мм.

В соединениях внахлест (рис.5, а) длину перекрытия принимают больше 4 s, где s – минимальная толщина свариваемых деталей. Длина лобовых швов l_ш не ограничивается. Длина фланговых швов ограничивается, так как с увеличением их длины возрастает неравномерность распределения напряжений по длине шва (рис.5, б) l_фл < 60K

Рис.15

Сварные швы располагают так, чтобы они в соединении были нагружены равномерно. При проектировании соединения уголков с косынками (рис.15) длины фланговых швов принимают обратно пропорциональными расстояниям до центра тяжести уголка:

, (7)

Суммарная длина фланговых швов

, (8)

Следовательно, длина флангового шва у примыкающей полки уголка

. (9)

В конструкциях, подверженных действию вибрационных знакопеременных нагрузок, соединения внахлест не рекомендуются, так как они создают значительную концентрацию напряжений.