§ 3.3. Прочность соединений и допускаемые напряжения

Прочность сварного соединения зависит от следующих основных факторов: качества основного материала, определя­емого его способностью к свариванию, совершенства тех­нологического процесса сварки; конструкции соединения; спо-

соба сварки; характера действующих на- Подрез ^^лак

Непровар

грузок (постоянные или переменные). Хо­рошо свариваются низко- и среднеуг­леродистые стали. Высокоуглеродистые стали, чугуны и сплавы цветных металлов свариваются хуже. Значительно снижают прочность такие пороки сварки, как не- провары и подрезы (рис. 3.20), шлаковые ^Рис 3.20

и газовые включения, скопление металла в месте пересечения швов и т. п. Эти дефекты являются основными причинами образования трещин как в процессе сварки, так и при эксплуатации изделий. Влияние технологических дефектов свар­ки значительно усиливается при действии переменных и удар­ных нагрузок.

Эффективными мерами повышения прочности сварных со­единений являются: автоматическая сварка под флюсом и свар­ка в защитном газе; термообработка сваренной конструкции (отжиг); наклеп дробью и чеканка швов. Эти меры позволяют повысить прочность составных сваренных деталей при перемен­ных нагрузках в 1,5...2 раза и даже доводить ее до прочности целых деталей.

Многообразие факторов, влияющих на прочность сварных соединений, а также приближенность и условность расчетных формул вызывают необходимость экспериментального опре-' деления допускаемых напряжений. Принятые нормы допуска­емых напряжений для сварных соединений деталей из низко- и среднеуглеродистых сталей, а также низколегированных сталей (типа 14ГС, 15ГС, 15ХСНД, 09Г2, 19Г и пр.) при¹ статических нагрузках см. в табл. 3.1.

Для переменных нагрузок допускаемые напряжения, взя­тые из табл. 3.1, понижают умножением на коэффициент у < 1 [см. формулу (3.22)], а расчет выполняют по макси­мальному (абсолютному значению) напряжению цикла (ст_тах или т_тах) так, как если бы это напряжение было стати­ческим.

Таблица 3.1

Вид технологического процесса сварки	Допускаемые напряжения		в швах при
	растяжении	сжатии [<*' 1с.	срезе [*]
Автоматическая под флюсом, руч­	Мр	Мр	0,65[ст]р
ная электродами Э42А и Э50А, кон­тактная стыковая Ручная дуговая электродами Э42 и	0,9[а]р	Мр	0,6[о]р
Э50, газовая сварка Контактная точечная и шовная	—	-	0,5[а]р

Примечание. [ст]_р = ст_т/^—допускаемое напряжение на растяжение для материала соединяемых деталей при статических нагрузках. Для металлических конструкций запас прочности 1,4...1,6.

При деременных нагрузках рексг 1ендуют рассчитывать про­чность не только сварного шва, о и самих деталей в зоне этого шва. Допускаемое напряжение для деталей в зоне шва также умножают на коэффициент у. Для углеродистых сталей у вычисляют по формуле

у=1/ [(0,6*_эф ± 0,2) - (0,6^_Эф + 0,2)/?] <1, (3.22)

где Я = су_т1П/а_тах или т_т1_П/т_тах— коэффициент асимметрии цикла напряжений; К_э$ — эффективный коэффициент концентрации напряжений, который относится и к а, и к т (см. табл. 3.2 и 3.3); верхние знаки — при растягивающем наибольшем по абсолютному значению напряжении и при касательных на­пряжениях, а нижние — при сжимающем. В переходной зоне (к — — 1 или близко к этому) расчет ведут по более опасному напряжению.

Таблица 3.2

Расчетный элемент	А^эф при электроду- говой сварке		расчетный элемент	Я-* при говой	электроду- сварке
	низко- углеро­ дистая сталь СтЗ	низко­ легиро­ ванная сталь 15ХСНА		низко- углеро­ дистая сталь СтЗ	низко­ легиро­ ванная сталь 15ХСНА
Деталь в мес­			Стыковые	1,2’	1,4
те перехода к			швы с полным
стыковому шву	1,5	1,9	проваром кор­
-к			ня
То же, к лобо­	2,7	3,3	Угловые ло­	2,0	2,0
вому шву			бовые швы
» к фланговому	3,5	4’5	Угловые	3,5	4,5
шву			фланговые швы

Таблица 3.3

Марка стали	Состояние образца	Толщина, мм	*эф при	швах
			связующих	рабочих
Точечная	и шовная сварка (цифры в скобках)
Сталь 10	Нормализован	3 + 3	1,4(1,25)	7,5(5)
Сталь 30ХГСА	Отпуск	1,5+1,5	1,35	12
Твердый сплав ВТ1	В состоянии постав­	1,5+1,5	2,0(1,3)	10(5)
	ки
Алюминиевый сплав Л16Т	То же	1,5 + 1,5	2,0(1,3)	5(2,25)
Стыковая контактная		сварка
Углеродистые стали	_	_	1,2
Высоколегированные	—	-	1,2...	1,5
стали и алюминиевые
дплавы

Если при вычислении у по формуле (3.22) получают у>1, то в расчет принимают у=1. Это обычно получается при большой асимметрии цикла (/?>0) и указывает на то, что для данного цикла решающее значение имеет не сопротивление усталости, а статическая прочность.

Вопросы для самоподготовки

1. Оцените сварное соединение по сравнению с заклепочным.

2. Сравните соединение встык и внахлестку, отметьте их достоинства и недостатки.

3. В чем преимущества вогнутой формы поперечного сечения углового шва?

4. Почему не рекомендуют применять длинные фланговые швы?

5. Какие упрощающие допущения принимают при написании формул для расчета прочности угловых швов в различных случаях нагружения?

6. Области применения точечной и шовной контактной сварки.

7. Какие факторы влияют на прочность сварных соединений?

Примеры расчета. Пример 3.1. Рассчитать кронштейн и сварное соединение (см. рис. 3.14) при .Р=10⁴Н, Г=8 • 10³ Н -м = 8 • 10⁶ Н мм, нагрузка стати­ческая, толщина листа 5= 12 мм, материал листа — сталь СтЗ (а_т = 220 МПа), сварка ручная электродом Э 42.

Решение. 1. Определяем ширину Ь листа по условию его прочности. Принимая 5=1,4 (см. примечания к табл. 3.1), находим

[ст]_р = сг_т/^=220/1,4 = 157 МПа.

Учитывая только основную нагрузку Г, получаем

^= 5/>¹/6 = 77[а]_р

_ь / 6Т /6 • 8 • 10⁶

или о— / -- - = / =160 мм.

>/б[а]_р V 12*157

С учетом нагрузки Т⁷ принимаем 6=165 мм. Проверяем прочность при суммарной нагрузке:

6Т Р 6 8*10⁶ 10⁴ _г _

с = —-н—= г+ «152 МПа<[а]_р= 157 МПа.

ЬЪ¹ ЬЬ 12 • 165 12 165 ¹ -*^р

материал трубы — сталь СтЗ, сварка ручная электродом Э42. Сама труба рассчитана по [а]_р=157МПа (см. пример 3.1).

Решение. Напряжение от Г, по формуле (3.17),

1_т — 2' 10⁷/(0,7£я • 140²) = 4,65 • \0²/к.

Напряжения от Л/, по формуле (3.18),

т_м = 4 • 7 • 10⁶/(0,7£я • 140²) = 6,5 • 10²/к.

Суммарное напряжение, по формуле (3.19),

т = (10²//с)_ч/4,65² + 6,5² = 8 • 10²/£^[т'] = 94 МПа (см. пример 3.1).

Отсюда находим к — 8,5 мм. Отметим, что для принятой конструкции шва при условии* равнопрочности шва и трубы требуется к>5. Более совершенно соединение стыковым швом с разделкой кромок. Изучающим рекомендуется самим выполнить расчет такого соединения.

Пример 3.3. Рассчитать соединение, выполненное точечной сваркой и на­груженное по схеме рис. 3.18, а. Задано: /*=3500 Н, 8 = 3 мм, материал—сталь 10, нагрузка знакопеременная (Я— — 1).

Решение. Определяем ширину Ь прочного листа с учетом ослабления в зоне сварки. Принимая 5=1,5, находим [а]_р = с_г/^=200/1,5= 133 МПа (см. табл. 1.1).

По формуле (3.22) при ЛГ_эф«7,5 (см. табл. 3.3) находим

у = 1 /(0,6 ■ 7,5 + 0,2) - (0,6 • 7,5 - 0,2) (-1) % 0,11.

Расчетное допускаемое напряжение

М = ИрУ= 133 0,11 = 14,6 МПа.

Далее Ь — Р/(д [ст]) = 3500/(3 • 14,6)^80 мм.

Определяем размеры и число сварных точек. По рекомендациям, с1—1,2 ■ 3 + 4^8 мм; г₂ = 1,5 ■ 8 = 12 мм; ^=2-8=16 мм; / = 3*8 = 24 мм.

Число точек в одном ряду

^Н'- г' = [(* - Ъ₂)/ г] +1 = [(80 - 24)/24] +1 = 3,3.

Принимая число точек в двух рядах г = 6, проверяем прочность сварных точек по формуле (3.20):

т = 4* 3500/(бп • 8²) = 11,6 МПа.

По табл. 3.1 с учетом у имеем

[т^;] = 0,6[ст]_ру = 0,6 133 0,11 = 8,75 МПа.

Условия прочности не удовлетворяются. Следовательно, нужно увеличивать ширину листов и ставить четыре точки в ряду или выполнять трехрядное соединение по три точки в ряду. Этот пример показывает, как плохо работают точечные соединения при знакопеременных нагрузках.