Допускаемые напряжения для сварных швов

СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ МАШИН

Общая характеристика соединений

В машиностроении сопряженные элементы сборочных единиц, которые фиксируются от относительного перемещения с помощью других деталей(винтов, штифтов, шпонок и др.) или с применением специальных технологических операций( сварка, пайка, загиб и др.) называются соединениями.

Соединения по принципу возможности разборки подразделяют на неразъемные, которые нельзя разобрать без разрушения или повреждения, и разъемные, позволяющие повторную разборку и сборку.

К неразъемным соединениям относятся:

а) сварные, паяные, клеевые – неразъемность соединения осуществляется за счет сил молекулярно-механического сцепления;

б) клепаные, соединения с натягом, вальцованные – неразъемность достигается механическими средствами.

К разъемным соединениям относятся: резьбовые, клиновые, штифтовые, шпоночные, шлицевые и профильные соединения.

Разъемные соединения выполняются как неподвижными, так и подвижными.

Детали соединений образуют наиболее распространенный класс деталей машин; их работоспособность наиболее часто, как показывает практика, определяет надежность работы конструкций.

Неразъемные соединения

Сварные соединения

Общая характеристика

Это наиболее распространенный вид неразъемных соединений.

Различают три класса сварки – термический, механический и термомеханический. На практике применяют свыше 60 способов сварки. Самое широкое распространение получила электрическая дуговая сварка. Ею хорошо свариваются низко и среднеуглеродистые стали. Различают следующие типы дуговой сварки:

– автоматическая сварка под флюсом;

– механизированная сварка под флюсом;

– ручная сварка.

При ручной сварке шов образуется главным образом за счет металла электрода, а при автоматической и механизированной – в основном за счет расплавления основного металла.

Для электродуговой сварки конструкционных сталей применяют электроды марки Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А и др. Число после буквы «Э» умноженное на 10 обозначает минимальную величину временного сопротивления (МПа) металла шва. Буква «А» обозначает повышенное качество электрода.

В зависимости от расположения свариваемых деталей различают следующие виды соединений: стыковые (рис.1.1), нахлесточные (рис.1.2), тавровые (рис.1.3).

Рис.1.1 – Стыковые швы

а) односторонний без скоса кромок; б) односторонний со скосом кромок;

в) двусторонний с двумя симметричными скосами одной кромки;

г) двусторонний с двумя симметричными скосами двух кромок.

Рис.1.2 – Нахлесточные соединения угловыми швами

а) лобовыми; б) фланговыми; в) комбинированными.

Рис.1.3 – Тавровые соединения

а), б) – швы с глубоким проплавлением; в) угловой шов.

К достоинствам сварных соединений относятся:

– герметичность и плотность соединений;

– возможность автоматизации сварочного процесса;

– невысокая стоимость соединений вследствие простоты конструкции сварного шва и малой трудоемкости (стоимость сварной конструкции в 1,5…2 раза ниже стоимости литой);

– возможность получения изделий больших размеров.

К недостаткам сварных соединений относятся:

– местный нагрев в зоне сварного шва вызывает изменение механических свойств материала свариваемых деталей;

– невысокая прочность при переменных режимах работы (сварной шов является концентратором напряжений);

– невысокое качество сварного шва ручной сварки (непровары, шлаковые включения, трещины);

– трудность контроля качества сварного шва.

Расчет сварных соединений

Исходным условием проектирования сварных соединений является равнопрочность шва и соединяемых деталей изделия.

Стыковые соединения могут разрушаться по шву, месту сплавления металла шва с металлом детали, сечению самой детали в зоне термического влияния, т.е. прилегающему к шву детали участка, в котором в результате нагревания при сварке изменяются механические свойства металла.

Сварные стыковые швы рассчитывают как целое сечение основного металла, но по допускаемому напряжению, определенному для сварного соединения в зависимости от назначения условий работы.

При автоматической сварке в зависимости от толщины δ детали сварку выполняют односторонним или двусторонним швами. При толщине δ ≤ 15 мм сварку выполняют без специальной подготовки кромки. При ручной сварке без подготовки кромок сваривают листы толщиной до 8…10 мм.

Расчет стыкового соединения выполняют по размерам сечения детали в зоне термического влияния (рис.1.4).

Рис.1.4 – Стыковое соединение, нагруженное растягивающей силой

Условие прочности при нагружении растягивающей (поперечной) силой F в виде полосы:

где А – площадь сварного шва, мм²;

– ширина листа (длина сварного шва), мм;

δ – толщина шва, принимают равной толщине свариваемых деталей, мм;

– допускаемое напряжение растяжения материала шва, МПа.

Допускаемое напряжение для расчета сварных соединений принимают по механическим характеристикам материала в зоне влияния сварного шва и отмечают знаком в отличие от допускаемых напряжений основного металла

В стыковом соединении, нагруженном изгибающим моментом М (рис.1.5), определяют напряжение изгиба:

где – момент сопротивления изгибу, мм³; δ – толщина сварных листов, мм; – длина шва, ( равна ширине свариваемых листов )мм;

М – изгибающий момент, Нм; – допускаемое напряжение при изгибе для материала шва, МПа.

Рис.1.5 – Стыковое соединение, Рис.1.6 – Стыковое соединение,

нагруженное моментом нагруженное сдвигающей силой

При действии продольной силы (вдоль шва) шов рассчитывается на срез (рис.1. 6).

где =b-2c – расчетная длина шва, мм;

b – ширина свариваемых листов, мм;

с – поправка на непровар в начале и конце шва;

δ – толщина сварных листов, мм;

– расчетное и допускаемое напряжения при срезе для шва, МПа.

Нахлесточные соединения выполняются с помощью угловых швов. В зависимости от формы поперечного сечения различают угловые швы: нормальные–а); вогнутые–б); выпуклые–в) (рис.1.7). На практике наиболее распространены швы нормальные.

Рис.1.7 – Виды угловых швов

Основные геометрические характеристики углового шва – катет k и высота h (рис.1.7); для нормального шва h=ksin45⁰ 0,7k. По условиям технологии рекомендуют принимать k 3 мм, если толщина листа 3 мм. Как правило

k = Для обеспечения равномерного распределения напряжения длина шва ограничивается 30мм

В зависимости от расположения различают швы лобовые, фланговые и косые. Лобовой шов расположен перпендикулярно, а фланговый – параллельно линии действия нагружающей силы (рис.1.2).

Угловой шов при нагружении испытывает сложное напряженное состояние. Поэтому для простоты расчета шов условно рассчитывают на срез под действием средних касательных напряжений . Например, условие прочности для флангового шва (рис. 1.2) можно выразить:

где 2 – число швов; h – рабочая высота сварного шва(h = 0,7k).

Применяются также комбинированные швы, состоящие из фланговых и лобовых (рис.1. 2).

Для упрощения расчета считают, что сила F растяжения нагружает швы равномерно. В этом случае уравнение прочности будет иметь вид:

где L=2 +b – периметр комбинированного шва, мм; h – высота шва, мм.

Простое нагружение сварных соединений случается в практике сравнительно редко. Значительно чаще элементы и швы сварных конструкций работают на сложное сопротивление. Для стыковых швов в этом случае расчетные формулы остаются теми же, что и для основного металла, т.е. условие прочности будет

где – приведенное напряжение, определяемое в расчетном сечении по пятой или первой теории прочности, МПа;

– допускаемое напряжение при растяжении или сжатии для материала стыкового шва, МПа.

Тавровые соединения.

Рассмотрим тавровое соединение, нагруженное сочетанием сил и моментов (рис.1. 8).

Рис.1. 8 – Тавровое соединение, нагруженное комбинацией сил и моментов

При расчете все внешние нагрузки приводят к центру масс сварного шва. В общем случае соединение может быть нагружено моментом М, растягивающей F и сдвигающей Q силами. При определении напряжений используют принцип независимости действия сил с последующим суммированием напряжений от каждого силового фактора. Метод расчета в этом случае зависит от типа шва:

а) Расчет соединения со швами глубокого проплавления (рис.1.3, а, б). В этом случае рассчитывают на прочность основной металл в зоне термического влияния. Наиболее опасной является точка 1 (рис.1.8), в которой суммируются напряжения: нормальные (растяжения и изгиба ) и касательные( ).

Эквивалентное напряжение в точке 1 определится как:

б) Расчет соединения с обычным угловым швом (рис.1.3, в). В этом случае касательные напряжения в биссектральной плоскости шва возникают от всех силовых факторов. Наиболее опасной точкой является точка 1.

Касательные напряжения при наличии n швов:

– от момента М

где W – момент сопротивления изгибу, мм³.

– от силы F

– от силы Q

где n – число швов, h – высота шва, – рабочая длина шва, мм.

Полное напряжение в точке 1 находят геометрическим суммированием с учетом того, что вектор составляет с вектором угол 90⁰.

Допускаемые напряжения для сварных швов.

Допускаемые напряжения для сварных швов при статической нагрузке определяют по табл.1.1 в зависимости от допускаемого напряжения основного металла при растяжении:

=

где – предел текучести основного металла (табл.1.2), S – коэффициент запаса прочности (S=1,3…1,6 – для низкоуглеродистой стали, S=1,5…1,7 – для низколегированной стали).

Таблица 1.1

Допускаемые напряжения для сварных соединений деталей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, полученных электродуговой сваркой

Напряжение	Автоматическая и механизированная под флюсом	Ручная дуговая, электродами
Э42А Э50А	Э42 Э50
Растяжение
Сжатие
Срез	0,8	0,65	0,6

Примечания: , –допускаемые напряжения сварного шва, МПа;

– допускаемое напряжение растяжения материала свариваемых деталей (основного металла), МПа.

Таблица 1.2

Механические характеристики некоторых марок сталей

Марка стали	Ст2	Ст3	Ст4	Ст5
Предел текучести , МПа