Виды сварных соединений и типы сварных швов

Рис.1

В зависимости от расположения соединяемых частей различают сле­дующие виды сварных соединений: стыковые (рис. 1,а...е), нахлесточные (рис. 2, а...г), с накладками (рис. 3), угловые (рис. 4, а...е), тавровые (рис. 5, а...г).

Стыковые соединения — самые распро­страненные, так как сваренные встык детали почти полностью заме­няют цельные. Соединения с накладками применяются только в тех случаях, когда стыковое соединение не обеспечивает необходимой равнопрочности с цельным металлом.

Сварные швы стыковых соединений (см. рис.1) называют стыковыми. Сварные швы нахлесточных (см. рис. 2), угловых (см. рис. 4) и тавровых (см. рис. 5) соединений называют угловыми. Соединения с накладками осуществляют стыковыми и угловыми швами (см. рис. 3).

Если в нахлесточном соединении угловые швы не обеспечивают тре­буемой прочности, то иногда дополнительно к угловым применяют про­бочные (рис. 6, а), прорезные (рис. 6, б) или проплавные (рис. 6, в) швы. Пробочный шов получается путем заполнения расплавленным метал­лом отверстий круглой формы в одной или в обеих соединяемых дета­лях. Прорези прорезных швов могут быть закрытыми или открытыми. Проплавной шов осуществляют проплавлением одной детали, наложен­ной на другую.

В зависимости от вида соединения, вида подготовки кромок сварных деталей и характера выполнения шва различают стыковые и угловые сварные швы нескольких типов.

	Рис. 2.		Рис. 3.
		Рис. 4.
		Рис. 5.
		Рис. 6.

	Рис.4

Стыковые швы по форме подготовленных кро­мок деталей различают: без скоса кромок (см. рис. 1,а,б), V-образные (см. рис. 1, в, г), Х-образные (см. рис. 1, д), U-образные (см. рис. 1,е) и др.

По характеру выполнения они могут быть: односторонними с подваркой с другой стороны (см. рис. 1, а, в, е); одно­сторонними со стальными привариваемыми или медными отъемными подкладками с другой стороны (см. рис. 1, б, г) и двусторонними (см. рис. 1, д).

Угловые швы по форме подготовленных кромок деталей различают: без скоса кромок (см. рис. 2; 4,а,б; 5,а), со скосом одной кромки (см. рис. 4,в; 5,б,в) и со скосом двух кромок (см. рис. 5,г). По характеру выполнения они бывают: односто­ронние (см. рис. 4,а,в; 5,в) и двусторонние (см. рис. 2,а; 4,б; 5, а, б, г).

По форме сечения угловые швы подразделяют на нор­мальные, выполняемые с сечением в виде равнобедренного прямоуголь­ного треугольника (см. рис. 2, а); специальные с сечением в виде пря­моугольного неравнобедренного треугольника с основанием, большим высоты (см, рис. 2,б); вогнутые (см. рис. 2, в); выпуклые (см. рис. 2, г). Наиболее распространены нормальные швы.

	Рис.7.

Угловые швы по расположению относительно силы, действующей на шов, различают: лобовые, расположенные пер­пендикулярно направлению силы (рис. 7,а); фланговые, расположенные параллельно направлению силы (рис. 7, б); косые, расположенные под утлом к направлению силы (рис. 7, в); комбинированные, состоящие из двух (рис. 7, г) или всех трех вышеуказанных швов.

Расчет сварных швов

Основное требование при проектировании сварных конструкций — обеспечение равнопрочности шва и соединяемых им деталей. В соответ­ствии с этим требованием в зависимости от размеров и расположения свариваемых деталей устанавливают соответствующий тип шва данно­го соединения. Если сварное соединение осуществляется несколькими швами, то их располагают так, чтобы они были нагружены равномерно.

Для угловых швов размер катета шва выбирают в соответствии с толщинами соединяемых деталей - часто равным меньшей из них, а требуемую длину шва определяют из расчета на прочность. Возмож­но применение и более тонких швов, чем указано. В ряде случаев целе­сообразно назначать все размеры шва в соответствии с конструкцией, а затем выполнять проверочный расчет на прочность. Если его резуль­таты оказываются неудовлетворительными, вносят соответствующие изменения в конструкцию и повторяют расчет.

При расчете на прочность стыковых швов утолщение (наплыв металла) не учитывают. В зависимости от работы стыкового шва его соответственно рассчитывают на растяжение (рис. 8):

σ'_р = F/(δl) ≤ [σ'_р];(1)

на сжатие:

σ'_c = F/(δl) ≤ [σ'_c],(2)

	Рис.8. 88лллл8.

где σ'_р и σ'_c — соответственно расчетное напряжение в шве при растяже­нии и сжатии; F — сила, растягивающая или сжимающая соединяемые элементы; δ — толщина более тонкой свариваемой детали; l – длина шва; [σ'_р] и [σ'_c] — соответственно до­пускаемое напряжение для шва при растяжении и сжатии.

При действии на стыковой шов изги­бающего момента М в плоскости при­варки (рис. 9) расчет шва производят по формуле

σ' = 6М/(δl²) ≤ [σ'_р]. (3)

Если стыковой шов находится под действием того же момента М и растя­гивающей (или сжимающей) силы F (рис.10), то такой шов рассчитывают по формуле

σ' = F/(δl) + 6М/(δl²) ≤ [σ'_р]. (4)

В формулах (3) и (4) δl²/6= W - момент сопротивления расчетно­го сечения шва при изгибе; σ' - расчетное нормальное напряжение в шве.

Угловые швы рассчитывают на срез по наименьшей площади се­чения, расположенного в биссекторной плоскости прямого угла попереч­ного сечения шва (рис. 1). В расчетном сечении толщину углового шва принимают равной 0,7k, где k - катет поперечного сечения шва.

	Рис.9. 88лллл8.		Рис.10. 88лллл8.
		Рис.11. 88лллл8.

	Рис.9		Рис.10

Угловые швы рассчитывают на срез по наименьшей площади се­чения, расположенного в биссекторной плоскости прямого угла попереч­ного сечения шва (рис. 11). В расчетном сечении толщину углового шва принимают равной 0,7k, где k - катет поперечного сечения шва.

При действии на угловой шов силы F (на рис. 11 силу 2F восприни­мают два шва) его рассчитывают по формуле

τ'_c = F/(0,7kl) ≤ [τ'_c], (5)

где τ'_c - расчетное напряжение среза в шве; l - длина шва; [τ'_c] — допускаемое напряжение на срез шва.

Длину углового лобового шва (рис. 11, а) обычно принимают равной ширине привариваемой детали. Длину углового флангового шва (рис.11,б) обычно определяют расчетом шва на прочность:

l = F/(0,7k[τ'_c]). (6)

Если соединение угловым швом нагружено изгибающим моментом М в плоскости приварки (рис. 12), то расчет шва производят по формуле

τ' = 6М /(0,7kl²) ≤ [τ'_c]. (7)

	Рис.12. 88лллл8.		Рис.13. 88лллл8.
	Рис.14.		Рис.15.
		Рис.16.

При действии на угловой шов изгибающего момента М и силы F, перпендикулярной шву (рис. 3.13), его рассчитывают по формуле

τ' = F/(0,7kl) + 6М/ (0,7kl²) ≤ [τ'_c]. (8)

Угловой шов, показанный на рис.14, на который действуют изги­бающий момент М = Fl и сила F, параллельная шву, рассчитывают по формуле

(9)

В формулах (5)...(9) 0,7kl²/6 = W — момент сопротивления расчет­ного сечения шва при изгибе, τ' — расчетное касательное напряжение в шве.

В случае несимметричных угловых фланговых швов, посредством которых приваривают деталь несимметричного профиля, например уголок (рис. 15), каждый из этих швов рассчиты­вают по своей нагрузке. При действии силы F на уголок сварного соединения, показанного на рис. 15, силы; действующие на швы, опре­деляют следующим образом:

F₁ + F₂ = F и F₁е₁ = F₂е₂ ,

откуда

F₁ = Fе₂/(е₁ + е₂)(10)

и

F₂ = Fе₁/(е₁ + е₂). (11)

Очевидно, что длины швов в этом соединении при одинаковых сечениях должны быть пропорциональны нагрузкам на них, т. е.

l₁/l₂=F₁/F₂. (12)

Расчет углового комби­нированного шва рассмотрим на примере наиболее распространен­ного шва, представленного на рис. 16. При действии на угловой комбинированный шов силы F (рис. 16, а)производят проверочный расчет:

τ'_c = F/ [0,7k(l₁ + 2l₂)]) ≤ [τ'_c], (13)

и проектный:

l₂ = 0,5 {[F/(0,7k [τ'_c])]– l₁ }. (14)

При действии на угловой комбинированный шов (рис.16,б) изги­бающего момента М производят проверочный расчет:

τ'_{c max} = Мρ_mах/I_p ≤[τ'_c], (15)

где τ'_{c max} — максимальное расчетное напряжение в точке шва, наиболее удаленной от центра тяжести площади опасных сечений; ρ_mах - расстояние от указанного центра тяжести до наиболее удаленной точки шва; I_р - полярный момент инерции площади опасных сечений шва относительно центра тяжести этой площади.

Для рассмотренного шва (рис. 16,б) положение центра тяжести определяется размером с:

с = l₂²/(l₁ + 2l₂). (16)

Как следует из чертежа,

(19)

Полярный момент инерции площади сечения шва I_р определяется как сумма осевых моментов I_x и I_y, т. е.

I_р = I_x + I_y = I_x1 + I_y1 + I_x2 + I_y2,

где момент инерции с индексом 1 относится к лобовому шву, а с индексом 2 - к фланговому шву. Для вычисления (рис.16,б) рекомендуется пользоваться формулой

(18)

При действии на комбинированный шов кроме момента М продольной или поперечной силы расчетные напряжения определяются так же, как и в случае простых сварных швов [см. формулы (8) и (9)].

Диаметр отверстий пробочных швов (см. рис. 6,а) прини­мают d = 2δ. Прорези прорезных швов (см. рис. 6,б) принимают шириной b = 2δ и длиной l = (10...25)δ.

Подобно угловым, пробочные, прорезные и проплавные швы рассчитывают на срез:

τ_с' = F/A ≤ [τ_с'], (19)

где F — сила, действующая на пробочный, прорезной или проплавкой шов; А — расчетная площадь сечения шва.

При расчете машиностроительных конструкций из низкоуглеро­дистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей допускаемые напряжения сварных швов при статических нагрузках принимают в за­висимости от допускаемого напряжения на растяжение основного ме­талла [σ_р].

Метод сварки	При растя­жении [σ'р]	При сжатии [σ'c]	При срезе [τ'c]
Автоматическая, ручная элек­тродами Э42А и Э50А в за­щитном газе ..............................	[σр]	[σр]	0,65 [σр]
Ручная электродами обыкновенного качества……...	0,9 [σр]	[σр]	0,6 [σр]

При переменных нагрузках значения допускаемых напряжений сни­жают умножением на коэффициент γ:

где K_σ - эффективный коэффициент концентрации напряжений; R - коэффициент асимметрии цикла; а и b - числовые коэффициенты.

Верхние знаки в этой формуле принимают, если больше абсолютное значение растягивающего напряжения, а нижние - сжимающего.

Для углеродистых сталей принимают а = 0,58 и b = 0,26, а для низко­легированных a = 0,65 и b = 0,3. Значение эффективных коэффициентов концентрации напряжений K_σ для стали можно принимать в зависимо­сти от типа шва следующими:

	Низкоугле­родистая сталь	Низколеги­рованная сталь
Стыковые с полным проваром……………..	1,2	1,4
Угловые лобовые...........................................	2,0	2,5
Фланговые……………………………………	3,5	4,5

Контрольные вопросы

1. Какие соединеия относятся к сварным соединениям?

2. Как образуются сварные соединения?

3. Требования, предъявляемые к сварным соединениям?

4. Дайте классификацию сварных соединений.

5. Виды сварочных швов в соединениях.

6. Особенности расчета на прочность сварных соединений внахлест, втавр, стыковых соединений.

7. Как определяются допускаемые напряжения при расчете сварных соединений?

8. Назовите достоинства и недостатки сварных соединений.