Расчет сварных соединений внахлестку

Сварные соединения внахлестку выполняют угловым (валиковым) швом. Угловые швы соединения внахлестку могут воспринимать произвольно направленные силы и моменты.

Соединения обычно воспринимают нагрузку в плоскости стыка.

Угловые швы соединений внахлестку могут иметь сечения: нормальные (треугольные), выпуклые и вогнутые. Наиболее целесообразный с точки зрения снижения концентрации напряжений и в условиях работы при переменных во времени нагрузках шов — вогнутый, но — и наиболее сложный в изготовлении. Применяется в специальных случаях, когда дополнительные расходы, связанные с его выполнением, целесообразны. Выпуклый шов также сложен в изготовлении, имеет повышенную концентрацию напряжений и применяется в специальных случаях. Наиболее распространенное сечение шва – нормальное (треугольное). Опасное сечение шва — сечение АА по высоте прямоугольного равнобедренного треугольника h=0,7k. Редко применяется шов в виде неравнобедренного треугольника. Общие рекомендации по выбору катета (калибра) шва k в пределах 3 мм ≤k≤10 мм при выполнении шва в один проход; k≈δ_min, где δ_min - меньшая толщина соединяемых деталей. При конструировании соединений следует, если можно, избегать разных толщин соединяемых деталей.

Угловые швы условно делят на лобовые (расположенные перпендикулярно) и фланговые (расположенные вдоль растягивающей или сжимающей внешней силы).

При нагружении угловых швов напряжения, возникающие в опасном сечении шва по длине шва, и в основном металле в зоне термического влияния, — далеко неравномерные. Эта неравномерность учитывается в рекомендациях по геометрическим параметрам шва и в определении [τ]’. Принято ограничивать длину фланговых швов l_ф<60k, соотношение длин фланговых и лобовых швов l_ф≤l_л: это позволяет упрощать расчет. Длина силового шва l_ш≥30 мм.

При разработке конструкции соединения внахлестку фланговыми швами из условия равнопрочности шва и основного металла рекомендуется применять величину нахлестки не более L_н=1,2b, а при соединении комбинированным швом — не более L_н=0,7b, где b - расстояние между фланговыми швами.

Фланговые (продольные) швы делают прерывистыми.

Лобовые (поперечные) швы по длине не ограничивают.

В случае симметричного сварного стыка относительно фланговых швов длины фланговых швов делают одинаковыми.

В случае сварного соединения внахлёстку деталей, не имеющих осей симметрии, длины фланговых швов принимают обратно пропорциональными расстоянию швов до осей, проходящих через центр тяжести стыка.

В случае применения нахлестки, выполненной косым швом, угол наклона шва из условия равнопрочности шва и основного металла принимают близким к 30˚.

При использовании угловых швов расчет ведут при следующих предположениях (допущениях):

1.Свариваемые детали — абсолютно жесткие: деформируются под нагрузкой только швы.

2. Под действием крутящих моментов происходит поворот соединенных деталей относительно центра тяжести сварного стыка в пределах упругих деформаций шва.

3. В опасном сечении шва возникает сложное напряженное состояние. Однако расчет угловых швов при любом способе напряжений ведут по касательным напряжениям. Нормальные напряжения не учитывают.

4. Считают касательные напряжения равномерно распределенными по высоте опасного сечения h_оп = 0,7k.

5. Опасное сечение углового шва расположено под углом 45˚.

6. Вид сварки выбран правильно, а качество детали и шва удовлетворяет нормам расчета соединений с угловым швом.

При нагружении соединения внахлестку сдвигающим силами и крутящим моментом применяют метод суперпозиции.

Если действует F_x, то

Если действует сила F_y, то

Если действует крутящий момент Т, то

где - площадь шва,

J_ρШ - полярный момент инерции площади шва шириной 0,7k относительно центра тяжести сварного стыка О,

ρ_max - расстояние от центра тяжести стыка до наиболее удаленной точки сварного шва.

[τ]’ - допускаемое напряжение на срез для шва.

В случае действия одновременно трёх силовых факторов расчет ведут по суммарному τ_max

При действии осевой растягивающей (или сжимающей) силы считают, что срез угловых швов происходит по сечению I-I (рис. 19), проходя­щему через биссектрису прямого угла.

Рис. 19. К расчету соединения внахлестку. Лобовой шов

Проверочный расчет. Условие прочности одностороннего лобового шва на срез:

где — расчетное и допускаемое напряжения среза для шва (см. табл.5); l _ш — длина шва; F — нагрузка, действующая на шов.

Проектировочный расчет. Длину одностороннего лобового углового шва (см. рис. 19) при осевом нагружении определяют по формуле

длина двустороннего лобового углового шва

Рассмотрим случай, когда лобовой шов нагружен моментом (рис. 19.1).

Рис.19.1

Касательные напряжения в сечении m-m определяются как τ=M/W,

где - момент сопротивления сечения изгибу.

Тогда

Фланговые угловые швы (см. рис.9, б) рассчитывают по уравнению (6), т.е. аналогично рассмотренному случаю расчета двустороннего ло­бового шва. Во фланговых швах нагрузка по длине шва распределяется не­равномерно (по концам шва увеличивается), поэтому длину фланговых швов стараются ограничить l _ш < (50÷60 )К.

Если в нахлесточном соединении угловые швы не обеспечивают требуемой прочности, то дополнительно к угловым применяют пробочные (рис. 19.2, а), прорезные (рис. 19.2, б), и проплавленные швы (рис.19.2, в).

Пробочный шов получается путем заполнения расплавленным металлом отверстий круглой формы в одной или обеих соединяемых деталях. Прорези прорезных швов могут быть закрытыми или открытыми. Из-за высокой трудоёмкости изготовления, низкой прочности и негерметичности – это один из худших видов соединений. Проплавленные швы – более производительны.

а) б) в)

Рис.19.2

Рассмотрим соединение деталей фланговыми швами различной длины.

В случае несимметричных угловых фланговых швов, посредством которых приваривают деталь несимметричного профиля, например уголок, каждый из этих швов рассчитывают по своей нагрузке (рис.19.3).

Рис.19.3

Сила F проходит через центр тяжести сечения уголка. Силы F₁ и F₂, действующие на швы, определяют так:

Очевидно, что длины швов в этом соединении при одинаковых сечениях должны быть пропорциональны нагрузкам