Конструкции, свойства и качество сварных соединений

Сварка является основным технологическим процессом при изготовлении металлических конструкций. Обычно применяют электродуговую сварку, ручную, полуавтоматическую или автоматическую. Ручная сварка выполняется металлическим электродом (диаметром 3-6 мм) с покрытием. Полуавтоматическая и автоматическая сварка производится проволокой (диаметром 1,2-3,0 мм) под слоем флюса или в среде защитного газа. Технология сварки и подбор сварочных материалов должны обеспечивать со­здание бездефектного шва с механическими характеристи­ками наплавленного металла не ниже, чем основного ме­талла элемента конструкции.

Сварным соединением будем называть узел конструк­ции, включающий соединяемые части конструктивных элементов и соединяющий их наплавленный металл. Тер­мином сварной шов обозначим часть сварного соединения, включающую металл, который в процессе сварки был рас­плавлен. Сварные швы разделим на стыковые и угловые. Стыковой шов соединяет кромку тонкостенного элемента с другой кромкой или поверхностью другого элемента с пол­ным проплавлением стыка, т. е. с образованием сплошно­го массива, заполняющего просвет между ними (рис. 15.1, а, б). Угловой шов накладывается в угол, образуемый дву­мя поверхностями свариваемых элементов. В результате расплавления металла элементов часть зазора между со­единяемыми деталями заваривается, в остальной же час

ти сохраняется щель (рис. 15.1, в). Основной геометриче­ской характеристикой углового шва является катет, кото­рый определяется как катет вписанного в сечение шва рав­нобедренного треугольника. Требуемый размер катета определяется расчетом: k = (0,6 + l,2)t_min (t_min—• толщина более тонкого из соединяемых элементов).

Основными типами сварных соединений, используемых в несущих конструкциях, являются стыковые, тавровые, угловые и нахлесточные.

Стыковые соединения соединяют кромки листов, лежа­щих в одной плоскости, и выполняются стыковыми швами. Тонкие листы (до 8 мм) можно сваривать непосред­ственно по кромкам. При больших толщинах проката для обеспечения полного проплавления сечения делают раз­делку кромок, которую заполняют за один или несколько проходов (рис. 15.2, а). Ответственные стыковые швы долж­ны быть двусторонними (рис. 15.1, а) или с подваркой корня (рис. 15.2, а). Если подварка невозможна, то шов выполняют на подкладке, которая остается на конструкции (рис. 15.2, б, поз. 1) При стыковке листов разной тол­щины с разностью толщин более 25 % меньшей толщины на более толстом листе делается скос с уклоном, примерно 1 : 4 (рис. 15.2, в). Для того чтобы стыковой шов полно

стью заполнил стык, вначале и в конце соединения перед сваркой закрепляют на прихватках технологические планки 2 (рис. 15.2, г). Сварку начинают на одной планке и заканчи­вают на другой. После сварки планки срезают, а кромки за­чищают. Стыковые соединения труб выполняют на подкладном кольце 3, которое обеспечивает центровку труб при сварке и формирование корня шва (рис. 15.2, д).

Тавровые (рис. 15.3, а, б) и угловые (рис. 15.3, в) соединения предназначены для соединения кромки с поверхнос­тью другого элемента. Тавровые соединения выполняют сты­ковыми швами, т. е. с полным проплавлением (рис. 15.3, а), или угловыми, двусторонними (рис. 15.3, б) либо односторонними. Сварные швы 1 ответственных тавровых соединений, выходящих на край листа,

выводят на техно­логические планки 2, которые удаляют после сварки (рис. 15.3, б).

Угловые соединения обычно делают с разделкой кром­ки, чтобы обеспечить проплавление присоединяемого лис­та (рис. 15.3, в).

Нахлесточные соединения образуются угловыми шва­ми (рис. 15.3, г). В нахлесточном соединении угловые швы, расположенные вдоль направления действующей нагруз­ки, называют фланговыми 3, а поперек — лобовыми 4.

В соединениях этого типа между поверхностями соединяе­мых элементов возникает щель. Применение такого соеди­нения в конструкции, работающей на открытом воздухе, во влажной или агрессивной среде, может вызвать разви­тие щелевой коррозии, способной разрушить сварной узел. Для защиты таких узлов от проникновения влаги в щель между соединяемыми деталями применяют герметики.

Требования к геометрии и качеству сварных соедине­ний установлены в нормативных документах (ГОСТ 5264, ГОСТ 8713, ГОСТ 14771 и др.). При нарушении техноло­гии сварки в соединениях возникают дефекты, которые снижают прочность и долговечность конструкции. Наибо­лее типичными дефектами являются непровары 1, 5 (внут­ренние и внешние), поры 2, трещины 3, подрезы 6, несплав- ления 7 (рис. 15.4). Кроме того, дефектами считаются несо­ответствия размеров и формы швов установленным требо­ваниям,недопустимо большие смещения кромок (рис. 15.4, размер Д), чрезмерная выпуклость шва, неполное заполне­ние разделки 4 и т. п. Наиболее опасными дефектами сварки являются трещины — «горячие», образующиеся в про­цессе сварки, и «холодные», возникающие или сразу пос­ле остывания шва, или через некоторое время, даже через 1-2 дня. Дефекты соединений обнаруживают внешним ос­мотром или с помощью различных методов неразрушаю­щего контроля — капилярного, радиационного, ультра­звукового и пр.

В результате усадки сварных швов при охлаждении пос­ле сварки в элементах конструкций создаются остаточные сварочные напряжения, происходят изменение линейных

Рис. 15.5. Схемы сварочных деформаций элементов конструкции

размеров и искажение формы конструкции. Возникают общие и местные деформации. Общие сварочные деформа­ции проявляются в изменении линейных размеров и ис­кривлении конструкции. Местные деформации приводят к нарушению плоскостности листов, появлению «грибовидности» поясов и искривлению стенок балок (рис. 15.5, а). В результате этого меняются условия их нагружения, сни­жается долговечность сварных соединений. Поэтому не рекомендуется соединять сваркой листы, наложенные друг на друга (рис. 15.5, б). Местные усиления следует делать вставкой более толстого листа (рис. 15.5, в). Фланец, при­варенный к балке, также теряет плоскую форму, и для качественной сборки конструкции его необходимо механи­чески обработать (рис. 15.5, г).

Основные несущие швы по возможности надо варить автоматом. Сварные соединения в конструкциях для хо­лодного климата должны подвергаться особо тщательно­му дефектоскопическому контролю качества.

Расчеты сварных соединений.

Стыковые и тавровые соединения, качественно изготовлен­ные с полным проплавлением корня шва (рис. 15.2, а, б,15.3, а), рассчитывают на прочность согласно (7.1), (7.3) по условиям:

(15.1)

Эквивалентные напряжения в левой части этих нера­венств вычисляются по формуле (7.5) или (7.6) с исполь­зованием максимальных нагрузок II расчетного случая в соответствующей системе расчетов, СРДН или СРПС. Если стыковой шов не выходит на кромку листа или выходя­щий на кромку шов сварен с технологическими планками (рис. 15.2, г), то действующие в нем максимальные нор­мальные напряжения а вычисляются по формулам (13.1), а касательные — по (13.11). При этом используют­ся геометрические параметры сечения присоединяемого эле­мента (балки или стержня). Если стыковой шов соединяет элементы разных толщин, то в расчете фигурирует тол­щина более тонкого из них. Если же шов в листе шириной Ъ выходит на кромку (как, например, на поясах балок) и сварен без технологических планок, то при вычислении номинальных напряжений расчетная длина этого шва при­нимается ,где t— толщина более тонкого сва­риваемого листа или элемента.

При расчете двусторонних соединений и соединений с подваркой корня шва по (15.1) допускаемые напряжения и коэффициенты надежности определяются следующим об­разом. При растяжении [ ] = 0,85[ ], коэффициент надеж­ности по материалу = 0,85. При сжатии[ ] = [ ]и = 1,0. Нормативное сопротивление . Коэффициенты принимаются по рекомендациям табл. 1.3 и 7.2. Если соединения выполнены с выводными планками и их каче­ство подтверждено визуальным и дефектоскопическим конт­ролем, то и при растяжении можно принимать ] = [ ] и = 1,0. То есть в этом случае обеспечена равнопрочность сварного соединения и присоединяемых элементов.

Расчет на прочность соединений с угловыми швами. Соединения с угловыми швами при перегрузке могут разрушиться путем среза по шву или в результате разрыва по основному металлу. Угловые швы в тавровых и нахлес- точных соединениях рассчитывают на срез по условиям:

(15.2)

Рассмотрим единичный участок тонкостенного элемен­та, присоединенного к остальной конструкции двусторон­ним угловым швом (рис. 15.6, а). Напряженное состояние элемента характеризуется нормальными напряжениями , (13.1), (13.2) и касательными (13.11), которые создают продольную S = и поперечную силы. Расчет углового шва производится по площадке среза ABDC,сов­падающей с гипотенузой угла. На этой площадке возника­ют нормальные и касательные напряжения, но в расчете (15.2) учитываются только касательные (горизонтальные и вертикальные ). Это является допущением, подтвержденным результатами экспериментов. Касательные напряжения в шве вычисляются по формулам

(15.3)

Рис. 15.6. Схемы к расчету тавровых соединений с угловыми швами

Здес — расчетная высота шва, где k — катет шва. Для швов, выполненных ручной и полуавтоматиче­ской сваркой, = 0,7, для автоматической сварки — = 1. Множитель 2 учитывает то, что шов двусторонний. Экви­валентные касательные напряжения, действующие в плос­кости среза, вычисляются как:

(15.4)

Расчет угловых швов, например присоединяющих к фланцу балку, загруженную силами S, Qy и Qz, изгибаю­щими моментами Мy и Мz , а также крутящим моментом

Мх, производится в два этапа (рис. 15.6, б). Отдельно выпол­няется расчет сварных швов, присоединяющих пояс и стен­ки. Конфигурация площади среза определяется контуром при­вариваемого элемента, а ее ширина равна расчетной высоте шва h_wi соответствующего элемента (рис. 15.6, в).

В поясе балки действуют нормальные (13.1) и каса­тельные (13.11) напряжения:

(15.5)

Соответственно касательные напряжения в шве, присо­единяющем пояс, вычисляются как (15.3), (15.4)

(15.6)

В стенке балки действуют максимальные нормальные напряжения касательные напряжения (13.11)

(15.7)

Соответственно эквивалентные касательные напряжения в шве, присоединяющем стенку,

(15.8)

В приведенных формулах обозначено: — гео­метрические параметры сечения балки; — толщины пояса и стенки; — расчетная высота шва на поясе и стенке (индекс «ww» обусловлен совпадением первых букв в словах «welding» — сварка и «web» — стенка балки). Обозначения — см. в пояснениях к формулам (13.10), (13.14).

Эквивалентные напряжения и подставляются в условия прочности (15.2). При необходимости площадь сре­за сварного шва может быть увеличена путем укрепления фланца ребрами (рис. 15.6, г).

Нахлесточные соединения создают весьма большую кон­центрацию напряжений в швах и соединяемых элементах (рис. 15.7, показана эпюра распределения нормальных напря­жений в присоединенной детали и касательных напряжений во фланговом шве). При нагружении происходит локальная текучесть сварного шва, снижающая концентрацию напря­жений (п. 7.1). Для ограничения концентрации напряжений длина фланговых швов должна быть lx ≤ 60k (k— катет шва). Если же реальная длина шва больше, в расчет вводится зна­чение l_x= 60k.Этот тип соединений не рекомендуется ис­пользовать в конструкциях, интенсивно циклически нагру­женных и эксплуатируемых в условиях низких температур.

Расчетные касательные напряжения в нахлесточных соединениях с лобовыми и фланговыми швами вычисляются как (рис. 15.7)

(15.9)

Суммирование площадей производится по всем швам. Обычно катеты швов в одном соединении одинаковые, по­этому для соединения на рис. 15.7 получится

Допускаемое напряжение в (15.2) определяется как , где [ ] — допускаемое напряжение основно­го металла. Нормативное сопротивление — = 0,6 . Коэффициент условий работы в данном случае отражает неравномерность загружения шва, т. е. степень достовер­ности определения действующих в шве напряжений. Так, для присоединений балок к фланцам - 0,7 ÷ 0,8, мень­шие значения для тонких фланцев ( — толщины фланца и пояса) без ребер. Для сварного соединения кронштейна со стенкой балки, подкрепленной диафрагмой, .Для нахлесточного соединения , меньшие значения для соединения с фланговыми швами большой длины, большие значения для комбинированных соединений с лобовыми и фланговыми швами меньшей длины.

Присоединение стенки балки (не ездовой) к поясу явля­ется тавровым соединением, загруженным касательными напряжениями с односторонним (в коробчатых балках) или двусторонним (в двутавровых) угловым швом. Этот шов рассчитывается по касательным напряжениям от пере­резывающей силы и крутящего момента (15.7), которые подставляются в (15.8) при = 0.

Расчет сварных соединений по равнопрочности. В тех случаях, когда невозможно точно определить нагрузку, действующую на сварной узел, целесообразно рассчиты­вать сварные соединения по равнопрочности. Условие рав­нопрочности заключается в том, что сварное соединение должно выдерживать такую же нагрузку, как и присоеди­няемый элемент. Это значит, что расчет сварного соедине­ния производится по вышеприведенным методикам, нов предположении, что максимальное действующее напря­жение в присоединенном элементе равно допускаемому на­пряжению или расчетному сопротивлению При этом, например, для двусторон­

них угловых швов (рис. 15.6, а) расчетное напряжение по

Подставив это выражение в условие прочности (15.2) с учетом того, что , найдем

(15.10)

То есть для обеспечения равной прочности двусторонне­го углового шва и присоединяемого листа шов должен иметь катет при ручной сварке k > 1,21, а при автоматической — k > 0,85t. Для обеспечения равнопрочности односторонне­го углового шва необходим чрезмерно большой катет, ко­торый технологически недопустим. Поэтому односторон­ний тавровый шов не будет равнопрочен присоединенному элементу.

Расчет на сопротивление усталости. При циклическом нагружении усталостная трещина в сварном соединении может возникнуть в зоне 1 перехода от шва к основному металлу, где действует наибольшая концентрация напря­жений, или в наплавленном металле шва 2 — от непрова- ра либо внутреннего дефекта (рис. 15.8). Трещина в зоне 2 более опасна, так как не может быть обнаружена визуаль­но. В качественно изготовленном сварном соединении с раз­мерами, выбранными из условия прочности, предел вы­носливости по шву (зона 2) получается больше, чем по ос-

новному металлу (зона 1). Расчет сварных соединений на сопротивление усталости выполняется по методикам, из­ложенным в п. 10.3.

Болтовые соединения

Общие положения

Болтовые соединения являются наиболее удобным и тех­нологичным способом соединения элементов конструкции при монтаже. Болтовые соединения бывают двух типов: с поперечным и с продольным относительно направления нагружения стыком. К первому типу относятся фланце­вые соединения (рис. 15.9, а), а ко второму — соединения, работающие на сдвиг (рис. 15.9, б). Фланцевое соединение имеет большие габаритные размеры, но позволяет соеди­нять балки любого сечения (двутавровые, коробчатые, трубчатые и пр.). Соединения с продольным стыком не­значительно увеличивают поперечные размеры соединяе­мых элементов, но имеют большую протяженность и при­менимы только для балок с плоскими стенками и пояса­ми. Выбор того или иного вида соединения обычно произ­водится исходя из удобства его размещения в конструкции и технологических возможностей предприятия.

Соединения всегда менее надежны, чем сплошная кон­струкция, поэтому их следует по возможности размещать в таких сечениях, где действуют меньшие усилия, жела­тельно не изменяющиеся в процессе работы машины по знаку. Фланцевое соединение по существу является цепью из трех соединений (сварного — болтового — сварного), последовательно передающих нагрузку от одного конст­руктивного элемента к другому (рис. 15.9, а). Это снижает надежность фланцевого соединения.

Для соединения несущих металлических конструкций применяют болты, которые ставятся в отверстие с зазо­ром или без зазора. Классы прочности болтов установле­ны в ГОСТ 1759.4 и обозначаются двумя цифрами, по ко­торым можно определить предел текучести и временное сопротивление материала болта. Например, если класс прочности болта 10.9, то временное сопротивление 10 • 100 = 1000 МПа, а предел текучести 1000 • 0,9 = 900 МПа. Рекомендуется применять болты классов 5.6, 8.8, 10.9. В зависимости от допусков на размеры болтов установле­ны три класса точностиА, В и С (ГОСТ 1759.1-82). Кроме того, используются высокопрочные болты по ГОСТ 22356.

Болты изготавливают из углеродистых и легированных сталей с последующей закалкой и отпуском. Легирование обеспечивает повышенную прокаливаемость стержня бол­та. При установке высокопрочных болтов под головку и под гайку подкладывают термообработанные шайбы из углеродистых сталей. Они уменьшают трение при затяги­вании болта и защищают поверхность соединяемых эле­ментов от пластических деформаций и задиров.

Болтовые соединения являются многократно статиче­ски неопределимыми системами, поэтому для расчета уси­лий в болтах приходится использовать определенные до­пущения о характере их распределения между болтами, что, безусловно, снижает достоверность расчета. При про­ектировании обычно производится предварительное разме­щение болтов в стыке, после чего рассчитывают максималь­ное усилие и выбирают диаметр болтов. После окончатель­ного размещения болтов с учетом удобства затяжки и кон­структивных рекомендаций выполняют проверочный расчет.