Первая группа задач. сварные соединения

3.1 ЗАДАЧИ К КОНТРОЛЬНЫМ ЗАДАНИЯМ

На рисунках к задачам сварные швы показаны эскизно, а не по ГОСТ 2.312-72.

Задача 1. Проверить прочность сварного соединения (рисунок 3.1). Соединение выполнено двумя угловыми швами с катетом k . Соединение нагружено силой F (таблица 3.1). Материал деталей - сталь Ст 3. Сварка ручная.

Таблица 3.1

	Варианты
F, кН
l, мм
h, мм
d, мм
Электрод	Э42	Э50	Э42А

Задача 2. Проверить прочность сварного соединения, крепящего опорный швеллер, имеющий номер профиля №, к стальной плите (рисунок 3.2, таблица 3.2). Материал деталей – сталь Ст 3. Сварка автоматическая.

Таблица 3.2

	Варианты
F, кН
l, мм
№
a, рад	p/4	p/3	p/6	p/4	p/3	p/6	p/4	p/3	p/6	p/4

Задача 3. Проверить прочность сварного соединения, если на конце клеммового рычага, длиной l и толщиной d (рисунок 3.3, таблица 3.3) приложена сила F. Материал рычага - Сталь 10. Размер рычага у места сварки а. Сварка ручная.

Таблица 3.3

	Варианты
F, кН		6,5
а, мм
l, мм
d, мм
Электроды	Э42А	Э50	Э42	Э50	Э42А

Задача 4. Рассчитать сварное соединение – длину шва l (рисунок 3.4), крепящее стойки неподвижного блока к плите. Сварка автоматическая. Материал свариваемых деталей - сталь Ст 5. Толщина стоек d (таблица 3.4).

Таблица 3.4

	Варианты
F, кН
h, мм
a, рад	p/4	p/3	p/6	p/4	p/3	p/6	p/4	p/3	p/6	p/4
d, мм
Электроды	Э42А	Э50	Э42

Задача 5. Проверить прочность сварного соединения крепления трубы к неподвижной плите А (рисунок 3.5) путем обварки по контуру сварным швом с катетом k, если наружный диаметр трубы D, толщина стенки d (таблица 3.5). Материал трубы -сталь Ст 3. Сварка автоматическая электродами Э50А.

Таблица 3.5

	Варианты
F, кН
D, мм
d, мм

Задача 6. Рассчитать сварное соединение из серьги, блока и швеллера (рисунок 3.6). На блок действует сила F, толщина стенки серьги d (таблица 3.6). Материал свариваемых деталей - Сталь 10. Сварка ручная.

Таблица 3.6

	Варианты
F, кН
h, мм
a, рад	p/4	p/3	p/6	p/4	p/3	p/6	p/4	p/3	p/6	p/4
Электроды	Э42А	Э50	Э42
d, мм

Задача 7. Проверить прочность сварного соединения листа толщиной d с уголком (рисунок 3.7), если на конце l рычага приложена сила F (таблица 3.7). Материал рычага - сталь Ст 5. Сварка ручная электродами Э50.

Таблица 3.7

	Варианты
F, кН
l, мм
h, мм
a, рад	p/4	p/3	p/6	p/4	p/3	p/6	p/4	p/3	p/6	p/4
d, мм

Задача 8. Рассчитать сварное соединение стойки ручной лебедки с плитой (рисунок 3.8). Сила натяжения каната направлена под углом a. Положение каната по длине барабана принять наиболее тяжелым. Расстояние между стойками l, высота оси барабана h. Крайнее положение каната от стойки a (таблица 3.8). Материал деталей – Сталь15. Сварка ручная.

Таблица 3.8

	Варианты
F, кН
h, мм
l, мм
a, мм
a, рад	p/4	p/3	p/6	p/4	p/3	p/6	p/4	p/3	p/6	p/4
d, мм
Электроды	Э42А	Э50

Задача 9. Рассчитать сварное соединение кронштейна с плитой (рисунок 3.9). Соединение выполнено угловыми швами с катетом k . Соединение нагружено силой F (таблица 3.9). Материал деталей -сталь Ст 4. Сварка ручная.

Таблица 3.9

	Варианты
F, кН
l, мм
d, мм
Электроды	Э42А	Э50	Э42

Задача 10. Рассчитать сварные швы, соединяющие зубчатый венец колеса с его диском и диск со ступицей (рисунок 3.10). Передаваемая зубчатым колесом мощность P, угловая скорость w и его диаметры D и d приведены в таблице 3.10 .Соединение выполнено двумя угловыми швами с катетами k₁ и k₂. Материал обода и ступицы – Сталь 40, материал диска сталь Ст 3. Сварка ручная, электродами Э42.

Таблица 3.10

	Варианты
P, кВт
w, с -1
D, мм
d, мм
k1, мм
k2, мм

3.2 УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ПЕРВОЙ ГРУППЫ ЗАДАЧ

3.2.1 Расчет ведут в следующем порядке.

1) Выбирают способ сварки (ручная электродуговая, автоматическая и т.д.) или назначают согласно заданию.

2) Принимают (или назначают согласно заданию) тип электрода и материал, свариваемых деталей. Для дуговой сварки применяют электроды с различной обмазкой, или покрытием, обеспечивающим устойчивое горение дуги и защиту материала шва от вредного воздействия окружающей среды. Для сварки конструкционных сталей применяют электроды: Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А и др. Число после буквы Э, умноженное на 10, обозначает минимальное значение временного сопротивления металла шва, измеряемого в МПа. Буква А обозначает повышенное качество электрода, обеспечивающее получение более высоких пластических свойств металла шва.

3) Определяют допускаемые напряжения для основного материала и материала сварного шва.

Допускаемые напряжения растяжения основного металла

[s _Р] = s_Т / [s], (3.1)

где s_Т - предел текучести основного металла (таблица А1); [s] – допускаемый коэффициент запаса прочности ([s] = 1,2... 1,8 для низкоуглеродистых и [s] = 1,5... 2,2 для низколегированных сталей) - большее значение при грубых расчетах; если разрушение сопряжено с тяжелыми последствиями, то значение [s] повышают в 1,5... 2 раза.

Допускаемые напряжения для сварных швов [s^¢ ] при статической нагрузке задают в долях от допускаемого напряжения [s _Р] на растяжение основного металла (таблица 3.11)

Таблица 3.11

Вид технологического процесса сварки	Допускаемые напряжения в швах при
растяжении [s¢Р]	сжатии [s¢СЖ]	срезе [t¢ ]
Автоматическая под флюсом, ручная электродами Э42А и Э50А, контактная стыковая	[s Р]	[s Р]	0,65·[s Р]
Ручная дуговая электродами Э42 и Э50, газовая сварка	0,9·[s Р]	[s Р]	0,6·[s Р]

В случае если сваривают детали с различными механическими свойствами, то расчет допускаемых напряжений ведется для материала, обладающего наименьшим значением предела текучести.

4) Составляют расчетную схему соединения. Внешние силы, действующие на соединение, следует перенести в центр тяжести сварного шва в соответствии с правилами теоретической механики, при этом силы, действующие под углом к плоскости сварных швов, необходимо разложить на перпендикулярные составляющие (рисунок 3.11).

При переносе силы F₁ параллельно себе появляется дополнительно момент пары сил равный

M = F₁ × l .

При переносе силы F₂ вдоль линии действия никаких дополнительных сил и моментов не возникает.

В задаче 8 усилие от каната приложено к барабану несимметрично по отношению к стойкам, поэтому и силы действующие на сварные швы (R ₁ и R ₂ ) будут различны. Для их определения следует составить уравнения равновесия относительно опор 1 и 2 – стоек (рисунок 3.12)

В задаче 10 следует из условия равновесия колеса относительно оси вращения

определить усилия F_i , вызывающие срез швов на соответствующих диаметрах D_i .

Примеры расчетных схем для задач 1, 2, 3, 4, 6, 7,9 показаны на рисунке 3.13.

5) Назначают катет шва. В большинстве случаев k = d _min , где d_min - меньшая из толщин свариваемых деталей. По условиям технологии k ³ 3 мм, если d _min ³ 3 мм. Максимальная величина катета не ограничивается, однако швы с k >20 мм используются редко.

6) Определяют действующие напряжения отдельно для каждого силового фактора (силы, момента). Складывая напряжения, учитывают их направление (если направление векторов совпадает, то их складывают алгебраически, если векторы перпендикулярны, то их складывают геометрически).

7) При проектировании сварных швов обычно из условия прочности определяют их длину. Принимая при этом, что длина фланговых швов обычно не больше 50 k, лобовые швы могут иметь любую длину. Минимальнаядлина углового шва l _min составляет 30 мм, что перекрывает дефекты сварных швов – непровар в начале и кратер в конце.

3.3 ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПЕРВОЙ ГРУППЫ

Пример 3.3.1 Рассчитать лобовой шов (рисунок 3.14), соединяющий два листа толщиной d = 8 мм из стали Ст 3, если F = 100 кН, Сварка ручная электродом Э42.

Решение. 1 Определяем допускаемое напряжение растяжения для основного металла, принимая для стали Ст 3 = 240 МПа (таблица А1) и = 1,45 (см. п. 3)

= 165 МПа.

2 В соответствии с таблицей 3.11 вычисляем допускаемое напряжение для сварного шва при срезе

= 0,6·165 = 99 МПа.

3 Из условия прочности определяем длину сварного шва

,

принимая k = d = 8 мм, L = 2·l (два шва) получаем

= 90,2 мм.

Учитывая возможность технологических дефектов сварки, принимаем l = 100 мм.

Пример 3.3.2. Стержень, состоящий из двух равнополочных уголков, соединенных косынкой, нагружен постоянной растягивающей силой F = 200 кН (рисунок 3.15). Определить номер профиля уголков и длину швов сварной конструкции соединения.

Материал уголков - сталь Ст 3.

Решение.1 Принимаем, что сварка осуществляется вручную электродами Э42.

2 Определяем допускаемое напряжение растяжения для основного металла, принимая для Ст 3 = 240 МПа (таблица А1) и = 1,25 (см. п. 3)

= 192 МПа

3 Определим допускаемое напряжение на срез для сварного шва, в соответствии с таблицей 3.11

[τ '] = 0,6 ·[σ _Р] = 0,6 ·192 = 115,2 МПа.

4 Из расчета на растяжение определим площадь сечения уголков

= 1042 мм².

Для одного уголка А = 521 мм². По ГОСТ (таблица А5 ) выбираем уголок № 5,6 имеющий площадь поперечного сечения А = 541 мм², толщину полки t= 5мм и координату центра тяжести х₀ = 15,7мм.

5 Сварные швы располагают так, чтобы напряжения в них были одинаковыми. Поэтому при проектировании соединения уголков с косынками, т.е. при несимметричной конструкции, длину швов делают неодинаковой. Таким образом, каждый шов воспринимает только свою часть нагрузки F - F₁ и F₂.

Длину фланговых швов определяют в предположении, что их длина пропорциональна этим частям силы F - F₁ и F₂. Параллельные составляющие F₁ и F₂ находят по формулам:

; F₁ + F₂ = F.

Решая эти уравнения, получим:

= 200 ·10³ · (56 – 15,7) / 56 = 144·10³ H;

= 200 ·10³ – 144·10³ = 56 ·10³ H.

6 Определим длину швов, приняв катет шва k = t = 5мм:

= 178 мм,

= 69 мм.

Округляя, принимаем l₁ = 180мм, l₂ = 40мм, добавив для коротких швов по 5 мм против расчетной длины.

Пример 3.3.3 Найти параметры сварных швов кривошипа (рисунок 3.16), нагруженного постоянной силой F = 5 кН и имеющего размеры d = 100 мм; l = 200 мм; а = 300 мм; δ_min =3 мм при условии, что прочность основного металла обеспечена.

Решение. 1 Дополнительно принято: основной металл - сталь Ст 4 (σ_Т = 260 МПа); сварка ручная дуговая электродом Э42А; швы угловые с катетом k = δ_min = 3 мм (фрагмент А рисунок 3.16).

2 Определяем допускаемое напряжение растяжения для основного металла, принимая для стали Ст 4 = 260 МПа ( таблицу А1) и = 1,65 (см. п. 3)

= 157,6 МПа.

3 Допускаемое касательное напряжение сварного шва (см. таблицу 3.11),

[τ '] = 0,65 ·[σ_Р] = 0,65 ·157,6 = 102 МПа.

4 Расчету подлежит шов № 1, который по сравнению со швом № 2 дополнительно нагружен изгибающим моментом М. Опасное сечение шва – сечение по биссектрисе прямого угла - представляет собой коническую поверхность, которую условно разворачивают на плоскость стыка свариваемых деталей. Выполняют приведение нагрузки (перенос F в центр тяжести расчетного сечения) и составляют расчетную схему (рисунок 3.17), на которой: F - центральная сила; М - изгибающий момент, Т - крутящий момент:

М = Fּl = 5000 ּ 200 = 1ּ 10⁶ Нּмм;

Т = Fּa = 5000 ּ 300 = 1,5 ּ 10⁶ Нּмм

4 В наиболее нагруженных зонах шва, удаленных от оси Х-Х на расстояние у, находят суммарное касательное напряжение и сравнивают с допускаемым, используя зависимость,

, (*)

где - касательное напряжение при действии центральной сдвигающей силы ; при наличии центрирующего пояска = 0;

- касательное напряжение при действии вращающего момента Т,

= 2·1,5·10⁶ / (3,14·100²·0,7·3) =

= 45,1 МПа;

- касательное напряжение при действии изгибающего момента М ,

=

= 60,7 МПа.

Таким образом,

= 76,5 МПа < [τ '] = 102 МПа.

Статическая прочность угловых швов обеспечена.

6 Определим величину катета k проектным расчетом, преобразуя зависимость (*):

= 2,23 мм.

Принято k = 3 мм.