Сварные соединений образуются путем местного нагревания деталей в зоне их соединении. При нагреве устанавливаются межатомные связи между свариваемыми частями.
Сваркой изготавливают станины, рамы, корпуса редукторов, зубчатые колеса больших размеров, шкивы, цистерны, трубы, корпуса морских судов и т. п.
Существует много методов сварки (более 60), которые подразделяются на две основные группы: сварка плавлением (газовая, высокочастотная, дуговая и др.) и сварка пластическим деформированием (контактная, стыковая, точечная и др.)
Наиболее распространены дуговая и контактная виды электросварки.
Для дуговой сварки применяют электроды Э42, Э42А, Э46 и др. Число после буквы Э, умноженное на 10, обозначает минимальное значение временного сопротивления метала шва; буква А — повышенное качество электрода.
Достоинства: экономия материала (сварные конструкции легче клепаных на 20...25 %); герметичность соединений; возможность соединения деталей любых криволинейных профилей и толщины; значительно меньшая трудоемкость но сравнению с заклепочными соединениями.
Недостатки: невысокое качество шва; высокая концентрация напряжения в зоне сварных швов; при переменных режимах нагружения прочность сварных швов невысокая.
Основные типы сварных соединений. Технология, обозначения, классификация и конструктивные элементы сварных шкивов к сварных швов и сварных соединений регламентированы соответствующим ГОСТом.
В зависимости от взаимного расположения соединяемых элементов различают следующие типы сварных соединений.
Стыковые соединения простые и надежные в сравнении с другими соединениями. Применяется ручная дуговая сварка и автоматическая - шов образуется за счет основного металл а. Стыковые соединения применяются в самых простых случаях (рис. 1.1.1) и в конструкциях, работающих при переменных напряжениях.
В зависимости от толщины соединяемых элементов соединения выполняют без подготовки кромок или с подготовкой.
Нахлёсточные соединения выполняют угловыми швами с различной формой сечения (рис. 1.1.2, 1.1.3).
Основные характеристики углового шва (рис. 1.1.3): катет шва — К и высота шва h.
Для нормального шва .
Рисунок 1.1.1 - Стыковые соединения
Рисунок 1.1.2 - Нахлесточные соединения угловыми швами:
а, б — лобовые, расположенные перпендикулярно линии действия cилы F: а - фланговые параллельно действию силы Р; г – комбинированные швы.
Рисунок 1.1.3 - Виды угловых швов:
а — нормальный профиль шва; К — катет шва; δ — толщина сварного листа; б — вогнутый шов обеспечивает плавный переход, вследствие чего снижается концентрация напряжений. Применяют в ответственных конструкциях, так как механическая обработка удорожает конструкцию; в – выпуклый шов повышает концентрацию напряжений, применять нерационально; г — специальный шов, применяют при переменных нагрузках.
По условиям технологии принимают , если толщина листа мм.
Расчет на прочность сварных соединений. Основным критерием работоспособности швов сварных соединений является прочность.
Исходным условием проектирования соединений является равнопрочность шва и соединяемых деталей.
Стыковые соединения (рис. 1.1,1, а)
Расчет производят по напряжениям растяжения или сжатия по площади А поперечного сечения соединяемых деталей. Условие прочности:
где F — сила, действующая в соединении, Н; — толщина шва (принимается равной толщине детали), мм; — длина шва, мм; расчетное напряжение для шва, МПа; — допускаемое напряжение для шва (табл. 1.1). МПа.
При статической нагрузке допускаемые напряжения для сварных швов определяют как часть от на растяжение основного металла:
где — предел текучести основного металла, МПа; — допускаемый коэффициент запаса прочности: - 1,35... 1,6 — для низкоуглеродистой стали и 1,5...1,7 — для низколегированной стали.
Отношение к допускаемому напряжению основного металла детали является коэффициентом прочности сварного соединения.
—значение напряжений см. табл. 1.1.
Таблица 1.1 - Допускаемые напряжения в швах
Вид технологического процесса сварки | Допускаемые напряжения в швах при | ||
Растяжении | Сжатии | Срезе [ ] | |
Автоматическая под флюсом, ручная электродами Э42А и Э50А, контактная стыковая | 0,65 | ||
Ручная дуговая электродами Э42 и Э50, газовая сварка | 0,9 | 0,6 | |
Контактная точечная и шовная | - | - | 0,5 |
В тех случаях, когда требуется повысить прочность соединения, применяют косые швы.
Расчет косого шва выполняют по формуле, в которой (рис. 1.1.4).
Рисунок 1.1.4 - Косой шов стыкового соединения
Значение предела текучести в зависимости от свариваемого материала (или от основного металла) — см. табл. 1.2.
Таблица 1.2 - Значения механических характеристик для некоторых марок сталей
Марка стали | Предел прочности , МПа | Предел текучести , МПа | Предел вынос-ливости , МПа | Марка стали | Предел прочности , МПа | Предел текучести , МПа | Предел вы- носливости , МПа |
Ст3 и 10 | 340 | 200 | 160 | 30Х | 800 | 640 | 280 |
20 | 400 | 240 | 170 | 30ХТСА | 1000 | 900 | 300 |
35 | 500 | 300 | 180 | ВТ16 | 1200 | - | 350 |
45 | 600 | 360 | 240 |
Стыковую сварку применяют не только как способ соединения деталей, но и как технологический способ изготовления самих деталей.
Нахлесточные соединения угловыми швами (рис. 1.1.2, 1.1.5). Угловые швы рассчитывают на срез по опасному сечению т — т, совпадающему с биссектрисой прямого угла. Расчетная высота опасного сечения h = 0,7 К — для ручной сварки (сечение сечению т — т); h = К — для автоматической.
Рисунок 1.1.5 - Нахлесточные соединения угловыми швами
Условие прочности шва на срез:
где и — расчетное и допускаемое напряжения среза для шва, МПа (табл. 1.1.1); - расчетная длина шва, мм.
В соединении лобовыми швами , (рис 1.1.5), фланговыми — (рис. 1.1.2, в). В комбинированном шве .
Задача 1. Определить длину стыкового шва (рис. 1.2.1, а), соединяющего две полосы из СтЗ. Толщина полос =8 мм. Сила, действующая на соединение, F = 50 кН, сварка электродуговая Э42.
Решение.
1.1. Для СтЗ =200 МПа (табл. 1.2), коэффициент запаса прочности [ s ] =1.4...1,6.
МПа.
1.2. Расчет на растяжение ведем по сечению соединяемых деталей и :
При ручной сварке (дуговой электродами Э42)
При расчете стыковых швов возвышение шва не учитывается.
Рисунок 1.2.1
Задача 2. Определить длину фланговых швов соединения полосы с косынкой из СтЗ из условия прочности. F =80 кН, ширина полосы b =200 мм. Сварка ручная электродом Э42. Толщина деталей (рис. 1.2.1).
Решение.
2.1. Определяем допускаемые напряжения:
для соединяемых деталей.
Допускаемое напряжение среза шва (табл. 1.1)
2.2. Из условия прочности на растяжение определяем толщину полосы:
2.3. Принимая катет шва , из условия прочности шва на срез найдем длину фланговых швов:
Задача 3. Определить длину фланговых швов, прикрепляющих уголок к косынке (рис. 1.2.2). Соединение должно быть равнопрочным с уголком. Значения допускаемых напряжений: для основного МПа, для сварного шва МПа; катет шва K = 10 мм. Уголок неравнополочный
Рисунок 1.2.2
Решение.
3.1. Из условия прочности уголка на растяжение определяем нагрузку F. По ГОСТ 8510—93 (табл. 1.4) площадь поперечного сечения А = 1970 мм2.
3.2. Из условия прочности шва определяем суммарную длину флангового шва:
отсюда L — суммарная длина шва.
3.3. Соблюдая условие равнопрочности, определяем l 1 и l 2, зная положение центра тяжести уголка из ГОСТа: y 0 =41,4 мм, y 0= e 1 (рис. 1.2.2):
где В — высота полочки (табл. 1.4).
Составим пропорцию:
Ответ: l 1 = 3140 мм; l 2 = 1560 мм.
Таблица 1.3 - Прокатная угловая равнополочная сталь (из ГОСТ 8509-86)
Номера профиля | Размеры | Площадь профиля А, см2 | Справочные величины для осей | , см | |||||||||
h | d | x - x | |||||||||||
мм | см4 | см | max см4 | max см | min см4 | min см | |||||||
2 | 20 | 3 | 1,13 | 0,40 | 0,59 | 0,63 | 0,75 | 0,17 | 0,39 | 0,60 | |||
4 | 1,46 | 0,50 | 0,58 | 0.78 | 0,73 | 0,22 | 0,38 | 0,64 | |||||
2,5 | 25 | 3 | 1,43 | 0,81 | 0,75 | 1,29 | 0,95 | 0,34 | 0,49 | 0,73 | |||
4 | 1,86 | 1,03 | 0,74 | 1,62 | 0,93 | 0,44 | 0,48 | 0,76 | |||||
2,8 | 28 | 3 | 1,62 | 1,16 | 0,85 | 1,84 | 1,07 | 0,48 | 0,55 | 0,80 | |||
3,2 | 32 | 3 | 1,86 | 1,77 | 0,97 | 2,80 | 1,23 | 0,74 | 0,63 | 0,89 | |||
2,43 | 2,26 | 0,96 | 3,58 | 1,21 | 0,94 | 0,62 | 0,94 | ||||||
3,6 | 36 | 3 | 2,10 | 2,56 | 1,10 | 4,06 | 1,39 | 1,06 | 0,71 | 0,99 | |||
4 | 2,75 | 3,29 | 1,09 | 5,21 | 1,38 | 1,36 | 0,70 | 1,04 | |||||
4 | 40 | 3 | 3,55 | 3,55 | 1,23 | 5,63 | 1,55 | 1,47 | 0,79 | 1,09 | |||
4 | 4,58 | 4,58 | 1,22 | 7,26 | 1,53 | 1,90 | 0,78 | 1,13 | |||||
5 | 3,79 | 5,53 | 1,20 | 8,75 | 1,54 | 2,30 | 0,79 | 1,17 | |||||
4,5 | 45 | 3 | 2,65 | 5,13 | 1,29 | 8,13 | 1,75 | 2,12 | 0,89 | 1,28 | |||
4 | 3,48 | 6,63 | 1,38 | 10,50 | 1,74 | 2,74 | 0,89 | 1,26 | |||||
5 | 4,29 | 8,03 | 1,37 | 12,73 | 1,72 | 3,33 | 0,88 | 1,30 | |||||
5 | 50 | 3 | 2,96 | 7,11 | 1,55 | 11,30 | 1,95 | 2,95 | 1,00 | 1,33 | |||
4 | 3,89 | 9,21 | 1,54 | 14,60 | 1,94 | 3,80 | 0,99 | 1,35 | |||||
5 | 4,80 | 11,20 | 1,53 | 17,83 | 1,92 | 4,63 | 0,98 | 1,42 | |||||
5,6 | 56 | 4 | 4,38 | 13,10 | 1,73 | 20,80 | 2,18 | 5,41 | 1,11 | 1,52 | |||
5 | 5,41 | 16,00 | 1,72 | 25,40 | 2,16 | 6,59 | 1,10 | 1,57 | |||||
6,3 | 63 | 4 | 4,96 | 18,90 | 1,95 | 29,90 | 2,45 | 7,81 | 1,25 | 1,69 | |||
5 | 6,13 | 23,10 | 1,94 | 36,60 | 2,44 | 9,52 | 1,25 | 1,74 | |||||
6 | 7,28 | 27,10 | 1,93 | 42,90 | 2,43 | 11,20 | 1,24 | 1,78 | |||||
7 | 70 | 4,5 | 6,20 | 29,00 | 2,16 | 45,00 | 2,72 | 12,00 | 1,39 | 1,88 | |||
5 | 6,86 | 31,90 | 2,16 | 50,70 | 2,72 | 13,20 | 1,39 | 1,90 | |||||
6 | 8,15 | 37,60 | 2,15 | 59,60 | 2,71 | 15,50 | 1,38 | 1,94 | |||||
7 | 9,42 | 43,00 | 2,14 | 68,20 | 2,69 | 17,80 | 1,37 | 1,99 | |||||
8 | 10,70 | 48,20 | 2,13 | 76,40 | 2,68 | 20,00 | 1,37 | 2,02 | |||||
7,5 | 75 | 5 | 7,39 | 39,50 | 2,31 | 62,60 | 2,91 | 16,40 | 1,49 | 2,02 | |||
6 | 8,78 | 46,60 | 2,30 | 73,90 | 2,90 | 19,30 | 1,48 | 2,06 | |||||
7 | 10,10 | 53,30 | 2,29 | 84,60 | 2,89 | 22,10 | 1,48 | 2,10 | |||||
8 | 11,50 | 59,80 | 2,28 | 94,60 | 2,87 | 24,80 | 1,47 | 2,15 | |||||
9 | 12,80 | 66,10 | 2,27 | 105,00 | 2,86 | 27,50 | 1,46 | 2,18 | |||||