§ 3.2. Конструкция и расчет на прочность

Стыковое соединение во многих случаях является наиболее простым и надежным. Его следует применять везде, где допускает конструкция изделия. В зависимости от толщины соединяемых элементов соединение выполняют с обработкой или без обработки кромок, с подваркой и без подварки с другой стороны (рис. 3.3).
 

При малых толщинах обработка кромок не обязательна, а при средних и больших толщинах она необходима по условиям образования шва на всей толщине деталей. Автоматическая сварка под флюсом позволяет увеличивать предельные толщины листов, свариваемых без обработки кромок, примерно в два раза, а угол скоса кромок уменьшить до 30...35° (на рис. 3.3 показаны швы, выполняемые при ручной сварке).
Сваривать встык можно не только листы или полосы, но также трубы, уголки, швеллеры и другие фасонные профили.

Во всех случаях составная деталь получается близкой к целой.
Стыковые соединения могут разрушаться по шву, месту сплавления металла шва с металлом детали, сечению самой детали в зоне термического влияния. Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок детали, в котором в результате нагревания при сварке изменяются механические свойства металла. Понижение механических свойств в зоне термического влияния особенно значительно при сварке термически обработанных, а также наклепанных сталей. Для таких соединений рекомендуют термообработку и наклеп после сварки. Практикой установлено, что при качественном выполнении сварки разрушение соединения стальных деталей происходит преимущественно в зоне термического влияния. Поэтому расчет прочности стыкового соединения принято выполнять по размерам сечения детали в этой зоне. Возможное снижение прочности деталей, связанное со сваркой, учитывают при назначении допускаемых напряжений. Например, при расчете полосы, сваренной встык (рис. 3.3):
на растяжение
 
Ориентировочная линия разрушения соединения
на изгиб
(3.1)
где Ъ и δ—ширина и толщина полосы; [σ']—допускаемое напряжение для сварных соединений (см. рис. 3.1). Отношение [σ'] к допускаемому напряжению на растяжение для основного металла детали [σ]ρ является коэффициентом прочности сварного соединения:
  (3.2)

До в мм

Значение φ колеблется в пределах 0,9...1,00 (см. табл. 3.1), т. е. стыковое соединение почти равнопрочно с соединенными деталями. В тех случаях, когда требуется повысить прочность соединения, применяют косые швы (рис. 3.4).

Нахлесточное соединение. Выполняется с помощью угловых швов (рис. 3.5). В зависимости от формы поперечного сечения различают угловые швы: нормальные 1, вогнутые 2, выпуклые 5. На практике наиболее распространены нормальные швы. Выпуклый шов образует резкое изменение сечения деталей в месте соединения, что является причиной повышенной концентрации напряжений. Вогнутый шов снижает концентрацию напряжений и рекомендуется при действии переменных нагрузок, Вогнутость шва достигается обычно механической обработкой, которая значительно увеличивает стоимость соединения. Поэтому такой шов применяют только в особых случаях, когда оправдываются дополнительные расходы.

Основные геометрические характеристики    Рис. 3.6 углового шва — катет
к и высота А; для нормального шва A=fcsin45°^0,7fc. По условиям технологии принимают к^З мм, если толщина листа б^Змм. В большинстве случаев к-Ъ.
В зависимости от расположения различают швы лобовые, фланговые и косые.
Лобовой шов расположен перпендикулярно, а фланговый— параллельно линии действия нагружающей силы. Обычно применяют комбинированное соединение фланговыми и лобовыми швами. Рассмотрим вначале соединения только фланговыми и только лобовыми швами, а затем комбинированное соединение.
Фланговые швы (рис. 3.6). Основными напряжениями флангового шва являются касательные напряжения τ в сечении т—т. По длине шва напряжения τ распределены неравномерно. На концах шва они больше, чем в середине. Неравномерность распределения напряжений объясняется следующим. Предположим, что деталь 2 абсолютно жесткая, а деталь 1 и швы податливые. Тогда относительное перемещение точек Ь под действием силы F больше относительного перемещения
точек а на значение удлинения детали 1 на участке ab. При этом деформация сдвига и напряжения в шве непрерывно уменьшаются по всей длине шва справа налево. Если обе детали упругие, но жесткость их различна, то напряжения в шве распределяются по закону некоторой кривой, показанной на рис. 3.6. При одинаковой жесткости деталей эпюра напряжений симметрична. Учитывая податливость деталей, можно вычислить напряжения в любом сечении по длине шва. Ясно, что неравномерность распределения напряжений возрастает с увеличением длины шва и разности податливостей деталей. Поэтому применять длинные фланговые швы нецелесообразно.

В практике длину фланговых швов ограничивают условием / ^ 50 к. Расчет таких швов приближенно выполняют по среднему напряжению, а условия прочности записывают в виде
   (3.3)
Здесь 0,7/г—толщина шва в сечении по биссектрисе т — т.
В тех случаях, когда короткие фланговые швы недостаточны для выполнения условий равнопрочности, соединение усиливают прорезными швами (рис. 3.7) или лобовым швом (см. ниже). Условие прочности соединения с прорезным швом при к = Ъ
(3.4)

 
Если одна из соединяемых деталей асимметрична, то расчет прочности производят с учетом нагрузки, воспринимаемой каждым швом. Например, к листу приварен уголок (рис. 3.8), равнодействующая нагрузка F проходит через центр тяжести поперечного сечения уголка и распределяется по швам обратно пропорционально плечам и ег. Соблюдая условие равнопрочности, швы выполняют с различной длиной так, чтобы

 

 

 

 При этом напряжения в обоих швах 1 = ^0,7/^+/2)Μτ'].

Если соединение нагружено моментом (рис. 3.9), то напряже¬ния от момента распределяются по длине шва неравномерно, а их векторы направлены различно (рис. 3.9, а) (напряжения пропорциональны плечам е и перпендикулярны им). Неравномерность распределения напряжений тем больше, чем больше Ijb. В общем случае максимальные напряжения можно определить по формуле
т=Т/ IVP,
где Wp — полярный момент сопротивления сечения швов в плоскости разрушения (см., например, рис. 3.15).