5. Виды сварки, типы сварных швов и соединений, их расчет

В настоящее время все шире внедряются такие процессы, как электронно-лучевая, плазменная, ла­зерная и другие виды сварки. В основном используют сварку электродуговую, реже газовую и контактную.

Длинномерные швы в конструкциях (поясные швы балок, колонн и др.) выполняются в заводских условиях, как правило, автоматической сваркой под слоем флюса. Флюс защищает изделие от вредного воздействия окру­жающей среды на металл соединения. К недостаткам автоматической сварки можно отнести затрудни­тельность выполнения швов в вертикальном и потолочном положениях и в стесненных условиях, что ограничивает ее применение на монтаже.

Относительно короткие швы (приварка ребер, сварка узлов в решетчатых конструкциях и т.п.) выполняют полуавтоматической сваркой. При этом автоматически подается сварочная электродная проволока, а передвижение дуги по изделию производится вручную. Полуавтоматическую сварку сталь­ных конструкций чаще всего выполняют в среде защитного газа. В качестве защитного используют обычно достаточно дешевый углекислый газ СО2. Реже применяют сварку порошковой проволокой.

В ряде случаев используют ручную сварку качественными электродами, т.е. электродами с качественным покрытием (толстым покрытием). При руч­ной дуговой сварке оба главных рабочих движения — подача электродной проволоки и передвижение дуги по изделию — выполняются вручную. В этом случае сварочная ванна расплавленного металла защищена от вредного воздействия окружающей среды плавящимся и частично испаряющимся элек­тродным покрытием.

Электрошлаковая сварка представляет собой разновидность сварки плав­лением; этот тип сварки удобен для вертикальных стыковых швов металла толщиной от 20 мм и более. Процесс сварки ведется голой электродной проволокой под слоем расплавленного шлака. Качество шва, выполняемого этим способом, получается очень высо­ким.

Ванная сварка, являющаяся разновидностью электрошлаковой, применя­ется в некоторых случаях при сварке арматуры большой толщины в желе­зобетонных конструкциях.

Виды сварных швов и соединений

Сварным швом (в дуговой сварке) называется конструктивный элемент сварного соединения на линии перемещения источника сварочного нагрева (дуги), образованный затвердевшим после расплавления металлом.

Сварным соединением является комплекс сварного шва и части основного металла, соединяемых элементов, прилежащего к шву.

Сварные швы. Сварные швы классифицируют по конструктивному признаку, назначению, положению, протяженности и внешней форме.

По конструктивному признаку швы разделяют на стыковые и угловые (валиковые).

Рис. Виды швов

Швы могут быть рабочими или связующими (конструктивными), сплошными или прерывистыми (шпо­ночными). По положению в простран­стве во время их выполнения они бы­вают нижними, вертикальными, гори­зонтальными и потолочными. Вертикальные, горизон­тальные и потолочные швы в боль­шинстве своем выполняются при мон­таже.

Сварные соединения. Различают следующие виды сварных соеди­нений: стыковые, внахлестку, угловые и тавровые, или впритык (рис. 4.3).

Стыковыми называют соединения, в которых элементы соединяются тор­цами или кромками, при этом один элемент является продолжением другого (рис. 4.3,а). Стыковые соединения наиболее рациональны, так как имеют наименьшую концентрацию напряжений при передаче усилий, отличаются экономичностью и удобны для контроля. Толщина свариваемых элементов в соединениях такого вида почти не ограничена.

Соединениями внахлестку называются такие, в которых поверхности сва­риваемых элементов частично находят друг на друга (рис. 4.3,6). Эти сое­динения широко применяют при сварке листовых конструкций из стали небольшой толщины (2—5 мм), в решетчатых и некоторых других видах конструкций. Разновидностью соединений внахлестку являются соединения с накладками, которые применяют для соединения элементов из профильного элемента и для усиления стыков.

Угловыми называют соединения, в которых свариваемые элементы рас­положены под углом (рис. 4.3,г).

Тавровые соединения (соединения впритык) отличаются от угловых тем, что в них торец одного элемента приваривается к поверхности другого (рис. 4.3,3).

Расчет сварных соединений

При расчете сварных соединений прежде всего необходимо учитывать вид соединения, способ сварки (автоматическая, полуавтоматическая, ручная) и сварочные материалы, соответствующие основному материалу конструкции.

Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение или сжатие следует производить по формуле

,

где t - наименьшая толщина соединяемых элементов;

l_w - расчетная длина шва, равная полной его длине, уменьшенной на 2t, или полной его длине в случае вывода концов шва за пределы стыка.

При расчете сварных стыковых соединений элементов из стали с отно­шением Ru/γ_u > Ry, эксплуатация которых возможна и после достижения металлом предела текучести, а также в конструкциях из стали с пределом текучести R_un> 440 кН/мм вместо R_wy следует принимать R_wy/ γ_u , т.е. считать достижение предельного состояния по временному сопротивлению металла шва.

При отсутствии физических методов контроля расчетное сопротивление металла сварного соединения по нормам составляет Rwy = Q,85Ry. Для того чтобы соединение было равнопрочным основному элементу, длина шва дол­жна быть больше размера b, поэтому в соединении применяют косой шов. Косой шов с наклоном реза α при tgα = 2:1, как правило, равнопрочен с основным металлом и поэтому не требует проверки

Расчетное сопротивление при сдвиге соединения Rws = R_S, где Rs — расчетные сопротивления основного металла на сдвиг.

Сварные стыковые соединения, выполненные без применения физических методов контроля качества, при одновременном действии в одном и том же сечении шва нормальных напряжений, σ_wx и σ_wy, действующих по вза­имно перпендикулярным направлениям х и у, и касательных напряже­ний τ_wxy, следует проверять по формуле:

Расчет соединений с угловыми швами. Разрушение сварных со­единений с угловыми лобовыми и фланговыми швами возможно как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления. Сварные соединения с угловыми швами при действии продольной и поперечной сил следует рассчитывать на срез (условный) по двум сечениям (рис. 20):

Рис. 20. Схема расчетных сечений сварного соединения с угловым швом: 1 - сечение по металлу шва; 2 - сечение по металлу границы сплавления по металлу шва (сечение 1).

N/_f k_f l_w  R_wf _wf _c;

по металлу границы сплавления (сечение 2)

N/_z k_f l_w  R_wz _wz _c,

где l_w - расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10 мм;

_f и _z - коэффициенты;

_wf и _wz - коэффициенты условий работы шва.

Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, следует производить по двум сечениям по формулам:

по металлу шва

;

по металлу границы сплавления

,

где W_f - момент сопротивления расчетного сечения по металлу шва;

W_z - то же, по металлу границы сплавления.

Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента в плоскости расположения этих швов следует производить по двум сечениям по формулам:

по металлу шва

;

по металлу границы сплавления

,

где J_fx и J_fy - моменты инерции расчетного сечения по металлу шва относительно его главных осей;

J_zx и J_zy - то же, по металлу границы сплавления;

х и у - координаты точки шва, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения швов, относительно главных осей этого сечения.

При расчете сварных соединений с угловыми швами на одновременное действие продольной и поперечной сил и момента должны быть выполнены условия

_f  R_wf_wf_c и _z  R_wz_wz_c,

где _f и _z - напряжения в расчетном сечении соответственно по металлу шва и по металлу границы сплавления, равные геометрическим суммам напряжений, вызываемых продольной и поперечной силами и моментом.