Конструктивные разновидности сварных соединений и типы швов

В зависимости от взаимного расположения соединяемых элементов применяют следующие виды сварных соединений:

1) стыковые соединения, когда соединяемые детали расположены в одной плоскости и являются продолжением одна другой (рис. 1.1, а, б, в);

2) нахлесточные соединения, когда часть боковой поверхности одной детали перекрыта частью боковой поверхности другой детали (рис. 1.1, г, д, е);

3) тавровые соединения, когда к боковой поверхности одной детали торцом приварена другая деталь (рис. 1.1 , ж, з);

4) угловые соединения, когда сварные элементы расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 1.1, и, к).

Угловые соединения в силовых конструкциях не применяются.

Наиболее простыми, наиболее совершенными и надежными являются стыковые соединения, их рекомендуют в конструкциях, подверженных вибрационным нагрузкам.

Основные типы и конструктивные элементы сварных швов регламентируются ГОСТ 5264-80.

Основные виды стыковых швов и характер подготовки кромок для сварки (рис. 1.2) зависит от толщины соединяемых элементов.

При толщине их до 8 мм кромки свариваемых листов можно не разделывать; расстояниеb между свариваемыми элементами перед сваркой (рис. 1.2, а, б) пропорционально толщине листов и колеблется в пределах 0 £ b£ 3 мм. При большой толщине свариваемых элементов применяютV-образные (рис. 1.2, б, г, е, ж) иU-образные (рис. 1.2, в) швы: симметричные (рис. 1.1, б, в), несимметричные (рис. 1.1, г, е), односторонние при 8 £ d £ 25 мм (рис. 1.1, б, в, г) и двусторонние при d > 25 мм (рис. 1.1, е, ж).

а	д
б в	е
г	ж	з
и	к

Рис. 1.1. Виды сварных соединений

а	б	в
г	д	е
	ж

Рис. 1.2. Типы сварных стыковых швов

При стыковой сварке листов неодинаковой толщины наибольшую предельную разность толщины d₁-d выбирают в зависимости от толщины d тонкого листа:

d,мм	.............	4…8	9…11	12…25	> 25
d 1-d, мм	.............	0,6

При разности d₁-d толщины листов, свариваемых встык, превышающей указанные пределы, на листе, имеющем большую толщину, должен быть сделан скос с одной или с двух сторон длиной l=5(d₁-d) и l₁=2,5(d₁-d).

Швы, предназначенные для соединения элементов, расположенных в разных (параллельных или пересекающихся) плоскостях, называются угловыми. В зависимости от формы сечения различают швы с сечением в виде равнобедренного (рис. 1.3, а) треугольника, неравнобедренного треугольника (рис. 1.3, б), основание которого больше высоты; треугольника с криволинейными сторонами (рис. 1.3, в).

Рис. 1.3. Угловые швы

За катет шва принимают меньший катет вписанного в сечение шва равнобедренного или неравнобедренного прямоугольного треугольника. Высота q выпуклости (усиления) шва допускается не более 2 мм для швов, выполненных в нижнем положении, и не более 3 мм для швов, выполненных в остальных положениях. Размер D (вогнутость сварного шва) допускается не более 3 мм. Угловые швы применяют для сварных соединений нахлесточных или с накладками (см. рис. 1.1, б, в) и тавровых (см. рис. 1.1, ж). Катет шва выбирают из условия K £ d, но не менее 3 мм.

В зависимости от расположения угловые швы бывают:

а) лобовые, расположенные перпендикулярно линии действия силы (рис. 1.4, а);

б) фланговые, расположенные параллельно линии действия силы (рис. 1.4, б);

в) комбинированные, состоящие из сочетания лобовых и фланговых швов (рис. 1.4, в).

А б в

Рис. 1.4. Нахлесточные соединения угловыми швами

Из-за дефектов сварки на концах шва (непровар в начале и кратер в конце шва) принимают минимальную длину шва не менее 30 мм. В нахлесточных соединениях принимают длину нахлестки l ³ 4d, гдеd - минимальная толщина свариваемых деталей. Длина лобовых швов не ограничена. Длина фланговых швов не должна превышать 50K для ограничения неравномерности распределения напряжений по длине флангового шва. Сварные швы должны образовывать равнопрочную (равномерно нагруженную) конструкцию. Например, при выполнении соединения уголков с косынками (рис. 1.5) лобовой шов выполняют от вершины угла длиной l_л= 2Z₀(Z₀ - расстояние от угла до оси инерции уголка), а длина фланговых швов l_фобратно пропорциональна расстоянию до этой оси:

; ;

;

здесь - суммарная длина фланговых швов; , - длина флангового шва по обушку уголка; - длина флангового шва по перу уголка.

Рис. 1.5. Сварное соединение уголка с косынкой

Расчет сварных соединений

Основным критерием работоспособности швов сварных соединений является прочность

1.4.1. Стыковые соединения

Расчет швов (рис. 1.6) производят на растяжение или сжатие по сечению соединяемых деталей (без учета утолщения шва) Условие прочности шва на растяжение

,

где F - внешняя нагрузка, действующая в плоскости соединяемых листов, перпендикулярно шву; А=dl - площадь сварного шва в сечении, перпендикулярном линии действия силы (dи l - соответственно толщина одной из соединяемых деталей и длина шва);

- допускаемое напряжение сварного шва при растяжении (обычно =(0,9...1,0) , где - допускаемое напряжение при растяжении основного металла).

Рис. 1.6. Схемы нагружения стыковых соединений

Прочность стыкового соединения, полученного контактной сваркой, принимают равной прочности основного металла.

Допускаемая растягивающая или сжимающая нагрузка в сварных швах:

прямом ;

косом .

Здесь b - угол между образующей косого шва и линией действия силы (рис. 1.6, б).

1.4.2. Нахлесточные соединения

Угловые (фланговые и лобовые) швы рассчитывают на срез по сечению I-I, проходящему через биссектрису прямого угла (см. рис. 1.3). Расчетную высоту h углового шва в формулах обычно выражают через катет K:

h = K cos45° »0,7 K

Площадь расчетного (опасного) сечения А = 0,7 K l. Напряжения при срезе в опасном сечении, если соединение нагружено растягивающей или сжимающей силой F. Определяется по формуле.

где и - расчетное и допускаемое напряжения среза для шва; l - расчетная длина шва. В соединении лобовыми швами (см. рис. 1.4, а) l = 2l_л; в соединении фланговыми швами l = 2 l_фл (см. рис. 1.4, б), в соединении и лобовыми, и фланговыми швами l равно периметру швов.

Если нахлесточное соединение нагружено моментом в плоскости стыка (рис. 1.7), то напряжения от момента распределяются по длине шва неравномерно, а их векторы направлены различно. Напряжения пропорциональны плечам е и перпендикулярны им. В общем случае максимальные напряжения можно определить по формуле

,

где W_p - полярный момент сопротивления сечения швов в плоскости разрушения.

а б

Рис. 1.7. Соединение, нагруженное моментом в плоскости стыка

При любых схемах нагружения напряжения в сварном шве от действия нескольких силовых факторов (Т, F и т. д.) суммируются геометрически.

Тавровые соединения

Эти соединения выполняют либо стыковыми швами с разделкой кромок (рис. 1.8, а), либо угловыми швами без разделки кромок (рис 1.8, б). При нагрузке изгибающим моментом и силой прочность соединения определяют по формулам:

для стыкового шва ;

для угловых швов .

Рис. 1.8. Тавровые соединения стыковым и угловым швами

На рис. 1.9 показано тавровое соединение трубы, нагруженное изгибающим и крутящим моментами.

Рис. 1.9.

За расчетное сечение по-прежнему принято сечение по биссектрисе mm. Таким образом, опасное сечение представляет собой кольцо с внутренним диаметром d и наружным диаметромD = d + 2·0,7K.

Напряжение в шве от крутящего момента