Расчет сварных швов

Стыковые швы в конструкции воспринимают те же напряжения, что и основной металл, поэтому, при проверке их прочности учитываются расчетное сопротивление сжатию, растяжению, изгибу - R_wy (аналог R_y) и срезу R_ws (аналог R_s), определяемые по [1, табл. 3]. Общий случай

расчета рассмотрим на примере стыка пластин толщиной t₁ и t₂ ≥ t₁, по рис. 3,а.

Если t₂ > t₁, то у более толстой детали снимают фаску по схеме рис. 4.

Действующие усилия – N,Q,M воспринимаются расчетным (рабочим) сечением стыкового шва, 3,б: толщина шва всегда равна толщине более тонкой детали; расчетная длина шва L_w = b – в случае применения выводных пластинок (желательно медных, латунных, необходимых для вывода концевых дефектов сварного шва за пределы его расчетной длины), L_w=b-2tl – при отсутствии выводных планок. Напряжение определяется обычным образом.

σ_N = N / A_w; τ_Q = Q / A_w; σ_М = М /W_w,

где A_w=t₁L_w; W_w=t₁L²_w /6. Так как шов испытывает сложное – напряженное состояние, то оценку его прочности производим по приведенным напряжениям σ_w, с учетом частичного допущения развития пластических деформаций [1, п. 5.14]

σ_w = (σ_{N +} σ_М)² + 3τ_Q² ≤ 1,15 R_ywγ_с (8)

Здесь и далее γ_с – коэффициент условий работы конструкций, к которой принадлежат стыкуемые детали [1, табл. 6].

Если в практических расчетах встретятся случаи, когда N или М отсутствует, то в формуле (8) исчезнет соответствующее напряжение, но сложность напряженного состояния останется и вид (8) с частичной пластичностью, ее учитывает коэффициент 1,15, останется. Если N и М – одновременно отсутствуют, то напряженное состояние становится простым, пластичность не допускается, а оценки прочности примут вид:

при N=М=0

τ_w = τ_Q ≤ R_sγ_с;

при Q=0

σ_w = σ_N + σ_М ≤ R_yγ_с

Угловые швы во всех случаях и от любых воздействий, кроме излома – изгибающий момент создает напряжения постоянные по длине шва, но переменные по его сечению (например, по рис. 5), работают только на срез.

При этом их разрушение по длине может происходить как по металлу шва, в любом радиальном сечении зоны f – их примеры на рис. 6 показаны волнистыми линиями, так и по границам сплавления с основным металлом соединяемых деталей – на рис. 6 они условно показаны плоскостями z. Соответственно ввиду возможного разрушения (проверке прочности) принимаются и прочностные характеристики угловых швов со своими уточняющими коэффициентами: R_wf, R_wz – расчетные сопротивления [1, табл. 56 и табл. 3]; ß_f, ß_z - коэффициенты качества шва [1, табл. 34], зависящие от вида сварки и катета; γ_wf, γ_wz – коэффициенты условий работы шва [1, п. 11.2], зависящие от климатического района и нормативного сопротивления шва, уточняемого по типу электрода [1, табл. 56]. Чтобы не выполнять расчет дважды, по металлу шва и по границе сплавления, целесообразно предварительно уточнить более слабое, расчетное сечение, сопоставив их характеристики по форме:

(9)

Общий случай расчета рассмотри на примере расчета внахлестку двух пластин по рис. 7,а, предполагая, что расчетным, т.е. более слабым по (9) является сечение по металлу шва – рис. 7,б.

При этом =b- 2(см.) – если шов прямой, как на рисунке 7,а (2см. – учитывают возможность возникновения концевых дефектов), или =b – если шов в начале и в конце выводится на продольные кромки детали 1.

Напряжения в расчетном сечении определяются обычным образом, но т.к. все они срезающие, то обозначение их становится условным,

= ; = ; = ,

где = ; = , а приведенные напряжения определяются векторно, как равнодействующая в наиболее напряженных волокнах, в данном случае, крайних – А,

= (10)

Вследствие этого из (10) можно естественно получить и любой частный случай, когда тот или иной силовой параметр отсутствует (равен нулю).

В конструктивных решениях по типу рис.8 можно четко выделить: действующую сосредоточенную нагрузку; угловые швы 1, параллельные линии действия сосредоточенной силы и называемые поэтому фланговыми; угловые швы 2, перпендикулярные линии действия сосредоточенной силы и называется поэтому лобовыми.

Как показывают эксперименты, в таких соединениях лобовые швы, как менее податливые (более жесткие) с началом нагружения активно воспринимают нагрузку, являясь одновременно концентраторами напряжений. В предельном состоянии более активно, хотя и неравномерно по длине, работают уже фланговые швы. Поэтому на практике нередко лобовые швы в расчетах не учитывают, да и конструктивно их размещают не всегда по всей длине торцов соединяемых деталей, а лишь по краям – как бы заводя фланговые швы на торец 20 – 25мм. И не зря именно такое решение по рис.9 сегодня применяется при креплении раскосов к узловым фасонкам ферм, конструкций и распространенных и достаточно сложных в работе.

При этом расчетная длина флангового шва, ввиду неравномерности его напряженного состояния, ограничивается условием:

(11)

Кроме (11) сварные соединения должны удовлетворять требованиям [1. п. 12.6 … 12.8]: минимальная длина углового шва должна быть не мене и не менее 40мм. (к этому целесообразно добавить 20мм. на концевые дефекты);

- чтобы предотвратить прожог более тонкой детали;

- определяется по [1. табл. 38] по t более толстого элемента с тем, чтобы обеспечить достаточный его прогрев и сплавление с металлом шва; размер нахлестки (или расстояние между параллельными сварными швами) должен быть не менее - чтобы предотвратить излишнее сближение около шовных зон.