8.5. Зварні з’єднання

 

 

Переваги, недоліки, застосування. У сучасному машинобудуванні і будівництві великого поширення набули нероз’ємні з’єднання, які здійснюють за допомогою зварювання (рис. 16).

 

Рис. 16

 

 Зварювання – технологічний процес утворення нероз’ємного з’єднання деталей і складальних одиниць за допомогою місцевого сплавлювання або деформування з метою утворення міцних зв’язків між їхніми атомами та молекулами.

Є понад 60 методів зварювання, які поділяються на дві основні групи: зварювання плавленням (газове, аргонно-дугове, високочастотне, дугове та ін.) і зварювання пластичним деформуванням (холодне, газопресове, контактне та ін.).

Застосовують і інші види зварювання: електрошлакове, атомно-водневе, дифузне, ультразвукове, та ін.

Переваги

1. Економія матеріалу (зварні конструкції в середньому, легші від клепаних на 20…25%.

2. Щільність і непроникність з’єднань.

3. Можливість з’єднувати деталі будь-яких криволінійних профілів довільної товщини.

4. Трудомісткість зварювального з’єднання значно менше від заклепкового.

5.  Вартість малосерійних зварних конструкцій приблизно в два рази нижча від вартості стального литва або поковок.

6. Безшумність технологічного процесу зварювання і можливість автоматизації його.

Недоліки

1. Складність перевірки якості шва.

2.Можливість порушення фізико-хімічних властивостей з’єднуваних деталей у зоні зварювання.

3.Висока концентрація напруг у зоні зварювальних швів.

4.Концентрація напруг знижує міцність з’єднання, особливо при ударних і вібраційних навантаженнях.

Основні види зварних з’єднань і типи швів.

Стикове з’єднання (рис. 17, а, б) двох деталей, розташованих в одній площині, є найраціональнішим видом зварного з’єднання. Характеризується високою міцністю (при всіх видах навантажень) і практично необмеженою товщиною з’єднувальних деталей виробу.

Рис. 17. Зварні з’єднання:

а, б – стикові, в – кутові, г – таврові, ґ – напускні

 

Кутове з’єднання (рис. 17, в) двох деталей, розташованих під будь-яким кутом (найчастіше 900) і зварених у місці примикання їх країв, застосовують для виготовлення захисних засобів, тари, та інших виробів, деталі яких сприймають невеликі навантаження.

Таврове з’єднання – це зварне з’єднання, в якому до бічної поверхні однієї деталі виробу примикає під кутом і приварена торцем інша деталь (рис. 17, г). Характеризуються ці з’єднання простотою виконання й економною витратою матеріалу.

У напусткових з’єднаннях з’єднувані деталі розташовані паралельно і частково перекривають одна одну (рис. 17, ґ).

Зварні шви утворюються в результаті кристалізації металу зварювальної ванни. Вони поділяються за такими ознаками: за протяжністю неперервні і переривчасті; за положенням у просторі – на нижні, горизонтальні, вертикальні і стельові (рис. 18, а); за зовнішньою формою – на опуклі, плоскі і угнуті (рис. 18, б).

Рис. 18. Зварні шви. На схемі а: 1 – шов нижній, 2 – горизонтальний,
3 – вертикальний, 4 – стельовий

 

Залежно від напрямку валика шва і сили F , що діє на деталь напусткового з’єднання, умовно прийнято називати шви: лобовими – при перпендикулярному розташуванні сили F і валика шва (рис. 19, а), фланговими – при паралельному розташуванні валика шва і сили F
(рис. 19, б) та комбінованими (рис. 19, в).

Рис. 19. Види напусткових з’єднань

 

Розрахунок зварних з’єднань. Стикові з’єднання розраховують лише за нормальними напруженнями розтягу (стиску):

,                                             (22)

де F – сила, що розтягує або стискує з’єднання;  – довжина шва (рис. 20);
δ – товщина з’єднувальних деталей;  – допустиме напруження розтягу (стиску) зварного шва.

 

Рис. 20

 

Для напусткових з’єднань рівняння міцності шва має вигляд:

,                                         (23)

де  – сумарна довжина шва;  – катет шва (рис. 18); Азр – площа розрахункового  (небезпечного) перерізу.

Для з’єднань із кількома швами за розмір  беруть сумарну довжину швів, наприклад для з’єднання комбінованими швами (рис. 19, в) , тут – довжина лобового, а – довжина флангового швів.

Міцність таврових з’єднань, здійснених кутовими зварними швами без підготовки кромок, оцінюють за напруженнями зрізу в зварних швах. Згідно з схемою навантаження (рис. 20) максимальне напруження зрізу виникає в точках кінців шва і дорівнює:

,                             (24)

де – ; ;  – напруження зрізу від дії відповідних навантажень.

 – осьовий момент опору перерізу одного шва в площині його руйнування.

 

Задача №1

Розрахувати шов, що з’єднує два листи завтовшки  = 8 мм із сталі Ст3. Рис.(21), якщо F = 50 кН. Зварювання ручне електродом Е42.

 

 

Рис. 21

 

Розв’язок

1. Визначаємо допустиме напруження розтягу основного металу, прийнявши для Ст.3 = 225МПа і потрібний коефіцієнт запасу міцності

= 1,4, дістанемо:

МПа.

2. За допомогою табл. 3.1 [1], стор. 9 визначаємо допустиме напруження шва при розтягу

МПа.

1.        З рівняння міцності  дістанемо:

.

Додаємо (5…10) мм можливий непровар на початку і кратер у кінці шва, приймаємо мм.

 

Задача №2

Розрахувати лобовий шов (рис. 22) що з’єднує два листи завтовшки d= 8мм зі сталі Ст3. Розтягуюча сила F =100 кН. Зварювання ручне електродом Э42. У розрахунках прийняти: коефіцієнт запасу міцності [n] = 1,45.    

 

Розв’язок

1.               Допустиме напруження розтягу основного металу:

,

де  – межа текучості для Ст. 3,

[sp] = 200/1,45 = 137,9 МПа.

2. Допустиме напруження шва при зрізі:

[tзр]е=0,6 [sp]=0,6×137,9=82,7 МПа.

3. З рівняння міцності:

 tзр = F/(2 0,7kl) £ [tзр]′,

приймаючи k = d= 8 мм,

дістаємо

³ F/(1,4 k [tзр]’) =

= 100×10-3/1,4×8×82,7 = 107,9 » 108  мм.

 

Враховуючи можливість технологічних дефектів зварювання приймаємо:  мм.

 

Задачіа №3

Розрахувати зварний металевий кронштейн, який являє собою стикове з’єднання двох труб із зовнішнім діаметром D = 114 мм. З’єднання знаходиться під дією осьового розтягуючого навантаження F = 0,2 МН
(рис. 23). Матеріал труб – сталь Ст 3, для якої [sр] = 160 МПа.

 

Рис. 23

 

Розв’язок

1. З умови міцності на розтяг:

[sр] = F/(pDсерS) £ [sр]’  визначаємо товщину стінки труби S = F/(pDсер[sр]). Умовно за ГОСТ 3262-75 приймемо  Dсер » 105 мм (Dсер = D-S).

Тоді , S = 0,2×106 / (p×0,105×160×106) = 0,0038 м = 3,8 мм.

 

2. За ГОСТ 3262-75 підбираємо трубу з зовнішнім діаметром 114 мм, товщиною 4,5 мм, умовним проходом 100 мм.

 

3. Для виконання шва вибираємо ручне дугове зварювання електродом Э42.

 

4. Допустиме напруження для зварного шва:

[sp]’=0,9×[sp]=0,9×160=144 МПа.