1.3. Расчет на прочность сварных соединений

Основным критерием работоспособности швов сварных соединений является прочность.

Исходным условием проектирования соединений является равнопрочность шва и соединяемых деталей.

Стыковые соединения (рис. 1.1, а)

Расчет производят по напряжениям растяжения или сжатия по площа­ди А поперечного сечения соединяемых деталей. Условие прочности:

где F — сила, действующая в соединении, Н;

— толщина шва (принимается равной толщине детали),мм;

l_ш — длина шва, мм;

_р. — расчетное напряжение для шва, МПа;

[ ']_р — допускаемое напряжение для шва (табл. 1.1),

МПа.

При статической нагрузке допускаемые напряжения для сварных швов определяют как часть от [ ]_p на растяжение основного металла:

где _т — предел текучести основного металла, МПа; [s_T] — допускаемый ко­эффициент запаса прочности; [s_T] = 1,35...1,6 — для низкоуглеродистой ста­ли и [s_T] = 1,5...1,7 — для низколегированной стали.

Отношение [ '] к допускаемому напряжению основного металла детали является коэффициентом прочности сварного соединения.

; = 0,9... 1,0 — значение напряжений см. табл.1.1.

Таблица 1,1. Допускаемые напряжения в швах

Вид технологического процесса сварки	Допускаемые напряжения в швах при
	растяжении [а']р	сжатии [а']сж	срезе [т']
Автоматическая под флюсом, ручная электрода­ми Э42А и Э50А, контактная стыковая			0,65
Ручная дуговая электродами Э42 и Э50, газовая сварка	0,9		0,6
Контактная точечная и шовная	-	-	0,5

В тех случаях, когда требуется повысить прочность соединения, приме­няют косые швы. Расчет косого шва выполняют по формуле, в которой (рис. 1.4).

Рис.1.4. Косой шов стыкового соединения

Значения предела текучести в зависимости от свариваемого материала (или от основного металла) — см. табл. 1.2.

Таблица 1.2. Значения механических характеристик для некоторых марок сталей

Марка стали	Предел прочности ,МПа	Предел текучести ,МПа	Предел выносливости ,МПа	Марка стали	Предел прочности ,МПа	Предел текучести ,МПа	Предел выносливости ,МПа
СтЗ и 10	340	200	160	зох	800	640	280
20	400	240	170	30ХГСА	1000	900	300
35	500	300	180	ВТ16	1200	—	350
45	600	360	240

Стыковую сварку применяют не только как способ соединения дета­лей, но и как технологический способ изготовления самих деталей.

Нахлесточные соединения угловыми швами (рис. 1.2, 1.5) Угловые швы рассчитывают на срез по опасному сечению т—т, совпа­дающему с биссектрисой прямого угла. Расчетная высота опасного сечения h = 0,7К — для ручной сварки (сечение т—т); h = К — для автоматической.

Рис. 1.5. Нахлесточные соединения угловыми швами

Условие прочности шва на срез:

где и — расчетное и допускаемое напряжения среза для шва, МПа (табл. 1.1); — расчетная длина шва, мм.

В соединении лобовыми швами (рис. 1.5), фланговыми — (рис. 1.2, в). В комбинированном шве

Задача 1. Определить длину стыкового шва (рис. 1.1, а), соединяющего две полосы из СтЗ. Толщина полос = 8 мм. Сила, действующая на соеди­нение, F= 50 кН, сварка электродуговая Э42.

Решение.

1.1. Для СтЗ = 200 МПа (табл. 1.2), коэффициент запаса прочности =1,4... 1,6.

1.2.Расчет на растяжение ведем по сечению соединяемых деталей и :

При ручной сварке (дуговой электродами Э42)

(табл. 1.1.)

При расчете стыковых швов возвышение шва не учитывается.

Рис.1.6.

Задача 2. Определить длину фланговых швов соединения полосы с косынкой из СтЗ из усло­вия прочности. F= 80 кН, ширина полосы b = 200 мм. Сварка ручная электродом Э42. Толщина деталей (рис. 1.6).

Решение.

2.1. Определить допускаемые напряжения:

для соединяемых деталей.

Допускаемое напряжение среза шва (табл. 1.1)

2.2. Из условия прочности на растяжение определить толщину полосы:

2.3. Принимая катет шва К= =3мм, из условия прочности шва на срез найдем длину фланговых швов:

Задача 3. Определить длину фланговых швов, прикрепляющих уголок к косынке (рис. 1.7). Соединение должно быть равнопрочным с уголком. Зна­чения допускаемых напряжений: для основного = 140 МПа, для сварно­го шва = 84 МПа; катет шва K=10 мм. Уголок неравнополочный

125

Решение.

3.1. Из условия прочности уголка на растяжение определяем нагрузку F. По ГОСТ 8510—93 (табл. 1.4) площадь попереч­ного сечения А = 1970 мм².

3.2.Из условия прочности шва определяем суммарную длину фланго­вого шва:

, К= t = 10 мм; t — толщина полки уголка;

отсюда L — суммарная длина шва.

3.3. Соблюдая условие равнопрочности, определяем и , зная поло­жение центра тяжести уголка из ГОСТа: у₀ = 41,4 мм, у₀= (рис. 1.7):

= В- = 125-41,4 = 83,6 мм,

где В — высота полочки(табл.1.4.)

Составим пропорцию:

или ; 41,4

Ответ: /, = 3140 мм; /₂ = 1560 мм.

Таблица 1.3. Прокатная угловая равнополочная сталь (из ГОСТ 8509—86)

Окончание табл. 1.3

Таблица 1.4. Прокатная угловая неравнополочная сталь (из ГОСТ 8510-93)

Задача 4. Длины лобовых швов, соединяю­щих листы (рис. 1.8) Ь= 100 мм. Листы из СтЗ. Толщина листов = 8. Нагрузка F= 10 кН. Сварка ручная дуговая Э50А. Проверить прочность шва.

Решение.

4.1. Определить допускаемое напряжение листа из СтЗ:

Допускаемое напряжение шва при срезе Рис. 1.8

(табл.11)

4.2. Определить напряжение среза лобового шва из условия прочности на срез:

h = 0,7 К; биссектриса h шва равна 0,7К(рис. 1.8), К = =8мм

Условие прочности выполняется.

Задача 5. Определить размеры лобового и фланговых швов для сварки с косынкой угол­ка №16 (160 х 160 х 10), ГОСТ 8509-93, СтЗ, [у]p = 160 МПа. Линия действия нагрузки F проходит через центр тяжести уголка. Катет шва принять равным толщине полки уголка К= 10 мм. Сварка ручная электродом Э42. Соединение должно быть равнопрочно ос­новному металлу (рис. 1.9).

Решение.

5.1. Допускаемое усилие F из условия прочности уголка на растяжение. По ГОСТ 8509—93 площадь поперечного сечения А = 31,4 см² (табл. 1.3, выборка).

[F] = [a]_p-A= 160 - 31,4 • 10² = 502- 10³ Н. 5.2. Допускаемое напряжение среза шва

[т'] = 0,6[а]_р = 0,6 • 160 = 96 МПа (табл. 1.1).

5.3. Из условия прочности на срез выразим длину швов:

Рис. 1.9

-длины швов, е1 и е₂ - рас­стояния от центра тяжести до гра­ницы полок уголка.

Длины лобового шва равны длине полки уголка:

5.4. Из табл. 1.3 находим для уголка №16 значение Zq, определяющее положение центра тяжести профиля относительно оси X, совмещенной с внешней гранью полки профиля:

Разделив суммарную длину фланговых швов на части обратно пропор­циональные их расстояниям от оси профиля, найдем

Составим пропорцию

отсюда