сварные соединения ТПУ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

______________________________________________________________

УТВЕРЖДАЮ

Зам. директора ЮТИ ТПУ по УР

___________________В.Л. Бибик «___» _________________ 2012 г.

Н.А. Логвинова Э.Ф. Кусова

Расчет сварных соединений

Методические указания к практическим занятиям по курсу «Детали машин и основы конструирования» для студентов III и IV курса,

обучающихся по специальностям 150001 «Технология машиностроения»; 150202 «Оборудование и технология сварочного производства»; 150402 «Горные машины и оборудование»; 110304 «Технология обслуживания и ремонта машин

в агропромышленном комплексе», всех форм обучения

Издательство Юргинского технологического института (филиала)

Томского политехнического университета

2012

УДК 621.833.1

Логвинова Н.А.

Расчет сварных соединений: методические указания к практическим занятиям по курсу «Детали машин и основы конструирования» для студентов III и IV курса, обучающихся по специальностям 151001 «Технология машиностроения»; 150202 «Оборудование и технология сварочного производства»; 150402 «Горные машины и оборудование»; 110304 «Технология обслуживания и ремонта машин в агропромышленном комплексе», всех форм обучения /Сост. Н.А. Логвинова, Э.Ф. Кусова – Юрга: Изд-во Юргинского технологического института (филиала) Томского политехнического университета, 2012. – 33 с.

Рецензент
кандидат технических наук,
доцент	И.Ф. Боровиков

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры МиИГ ЮТИ ТПУ « 9 » апреля 2012 г.

Зав. кафедрой доктор технических наук ________________ С.Б. Сапожков

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ .…………………………………….…………. 4

1.1. Сварка плавлением ….…………………………….……………. 4

1.2. Контактная сварка .………………………..….……………….... 8

1.3. Допускаемые напряжения сварных соединений ..……………. 10

2. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ …………………………………….. 13

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ …………………………………………. 24

3.1.Выбор вариантов……………………………………………….. 24

3.2.Задачи …………………………………………………………... 24

ПРИЛОЖЕНИЯ

АПеречень обозначений основных величин и их наиболее употреб-

ляемые единицы…………………………………………………………. 30

Б Единицы механических величин …………………………………… 31 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ……….…………….. 32

3

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Сварные соединения – это наиболее рациональный и распространенный в машиностроении вид неразъемных соединений, основанный на использовании сил молекулярного сцепления. Прочность сварного шва приближается к прочности основного материала.

Различают два основных вида электросварки: сварка плавлением – местный нагрев деталей до расплавленного состояния и контактная сварка – местный нагрев деталей до пластичного состояния с применением механической силы.

Ксварке плавлением относятся: ручная дуговая сварка металлическим электродом, полуавтоматическая шланговая сварка металлическим электродом (механизированная), автоматическая дуговая сварка металлическим электродом под слоем флюса, электрошлаковая сварка металлическим электродом и т.д.

Кконтактной сварке относятся: стыковая сварка, точечная сварка, шовная сварка и т.д.

Затвердевший после сварки металл, соединяющий сварные детали,

называют сварным швом.

В качестве электрода применяют металлический стержень, который может быть покрыт обмазкой. Сваривание углеродистых и низколегированных сталей выполняют электродами Э38, Э42, Э46, Э50 или Э42А, Э46А, Э50А, если предъявляют повышенные требования к сварному шву. Число после буквы Э, умноженное на 10, означает величину временного сопротивления металла шва, измеряемую в мегапаскалях.

Нагрузки на детали машин и возникающие в них напряжения, могут быть постоянными (статическими) и переменными по времени. Для сварных соединений характер нагрузки учитывают при выборе допускаемых напряжений.

1.1. Сварка плавлением

Сварной шов образуется, посредством пропускания электрической дуги между изделием и электродом. Выделяемое при этом тепло оплавляет свариваемые детали и расплавляет электрод, который дает дополнительный металл для образования сварного шва.

В зависимости от расположения соединяемых деталей различают следующие виды сварных соединений: стыковые (рис. 1, а), внахлестку (рис. 2), с накладками (рис. 1, г), угловые (рис. 1, в) и тавровые (рис. 1, б).

4

s

	l
а)	б)	в)	г)

Рис. 1. Виды сварных соединений

Стыковые соединения выполняют стыковыми швами. Нахлесточные соединения выполняют угловыми швами. Соединения с накладками, тавровые и угловые выполняются угловыми или стыковыми швами.

Угловые швы нахлесточных соединений, по расположению силы действующей на шов, различают: лобовые, расположены перпендикулярно линии действия сил (рис. 2, а); фланговые, расположены параллельно линии действия сил (рис. 2, б); косые, расположены под углом к линии действия сил (рис. 2, в); комбинированные состоят из лобовых и фланговых швов (рис. 2, г).

s

s

F F

F	F
	lл

lф

а)

б)

F

l

s

F

s

F

lл

lф

в)

г)

Рис. 2. Сварные соединения угловыми швами

5

Стыковые швы могут разрушаться по шву или в зоне термического влияния (прилегающий к шву участок детали, в котором при нагревании сваркой изменяются механические свойства металла).

Условия прочности стыковых швов имеют вид:

– напряжения от внешней растягивающей (сжимающей) силы F

p

сж

	F			'		(1.1)
					p
	ls
		F		'	сж ,	(1.2)
		ls

где р , сж – соответственно расчетные напряжения в шве при растя-

жении и сжатии, Па; F – действующая сила, Н; толщина более тонкой свариваемой детали, м;

l –	длина шва, м; s –
' p ,	' сж – соответст-

венно допускаемые напряжения в шве при растяжении и сжатии, Па;

– напряжения от изгибающего момента М

6М	' p ,	(1.3)
l2s

где М – изгибающий момент, Нм;

– напряжения от изгибающего момента М и растягивающей (сжимающей) силы F

F		6М	' p .	(1.4)
ls		l2s

Угловые швы разрушаются по сечению, проходящему через биссектрису прямого угла поперечного сечения шва (рис. 3).

h=0,7k

s k

k

Рис. 3. Поперечное сечение углового шва

6

Условия прочности угловых швов имеют вид:

– напряжение среза от сдвигающей силы F

F

' ,

(1.5)

0,7kL

где

– расчетное напряжение среза в шве, Па; 0,7 k – толщина шва в

опасном сечении;

k –

катет

поперечного сечения шва (как

правило

k

s ), м; L – суммарная длина швов (для лобового шва L

lл , для

фланговых швов L

2

lф ), м;

'

– допускаемое касательное напряже-

ние в сварном шве, Па;

– напряжение среза от изгибающего момента М

6M

' ,

(1.6)

0,7kl2

где l - длина сварного шва, м;

– напряжение среза от изгибающего момента М и сдвигающей си-

лы F

F

6M

' .

(1.7)

0,7kL

0,7kl2

Швы целесообразно располагать так, чтобы они были нагружены равномерно. Если фланговые швы размещены несимметрично относительно нагрузки (например, к листу приварен уголок – рис. 4), то:

lф1

е1

F

е2

lф2

Центр

тяжести

Рис. 4. Сварное соединение листа с уголком

lф1	L		е2		;	lф2	L	е1	,	(1.8)
		е1						е1 е2
				е2

7

где е1,е2 - расстояния от центра тяжести сечения элемента до центров

тяжести сечений швов (данные стандартизированы и берутся из ГОСТа для уголка).

Из-за неизбежных дефектов по концам сварных швов вследствие нестабильного горения дуги, длину фланговых швов делают не короче 30 мм. А при длинных фланговых швах, увеличивается неравномерность нагружения швов, поэтому длину фланговых швов делают не более 50 k .

Угловые комбинированные швы применяются в том случае, ес-

ли простой угловой шов (лобовой, косой, фланговый) не обеспечивает необходимую прочность сварного соединения. Условия прочности комбинированных швов имеют вид:

– напряжение среза от сдвигающей силы F

			F				' ,		(1.9)
	F
			0,7k(lл			2lф )
где	F – расчетное напряжение среза в шве от действующей силы F, Па;
lф - длина флангового шва, м; lл – длина лобового шва, м;
	– напряжение среза от изгибающего момента М
			M					' ,	(1.10)
	M
				1
					0,7kl2
		0,7kl l
			л ф	6			л
где	M – расчетное напряжение среза в шве от изгибающего момента М , Па;
	– напряжение среза от изгибающего момента М и сдвигающей силы F
			F	M		' .			(1.11)

1.2. Контактная сварка

Контактная сварка основана на разогреве металла соединяемых деталей, путем пропускания через него электрического тока, и сдавливании деталей с некоторой силой.

Стыковая контактная сварка позволяет соединять заготовки встык различных форм и сечений: круглые, квадратные, трубчатые, профильные, а также штампованные из листового металла. При статической нагрузке, прочность стыка равна прочности основного металла, поэтому расчетов прочности можно не выполнять.

Точечная контактная сварка образуется не по всей поверхности стыка соединяемых деталей, а в отдельных точках. Данную сварку применяют для соединения внахлест деталей (двух и более) из тонкого лис-

8

тового материала. Суммарная толщина деталей не должна превышать

10 мм, smin 2 мм.

Соединения точечной сваркой работают преимущественно на срез. При нагружении соединения силой F, условие прочности имеет вид

4 F	'	,	(1.12)
d 2 z i

где z – число сварных точек, i – число плоскостей среза, d – диаметр сварной точки, м.

Диаметр сварной точки выбирают в зависимости от толщины s

меньшей из свариваемых деталей:
d	1,2	s	4	мм,	при s	3мм;	(1.13)
d	1,5	s	5	мм	при s	3мм.	(1.14)
Шаг сварных точек рекомендуется принимать: при сварке двух
элементов t 3d , при сварке				трех элементов t 4d .			Расстояние до
кромки в направлении действия нагрузки принимают t1							2d ; то же в
перпендикулярном направлении t2					1,5d (рис. 5).

F

s

F

t t2

t1 t

Рис. 5. Сварное соединение точечной контактной сваркой

Шовная контактная сварка выполняется роликовыми электродами, применяют для соединения тонких элементов общей толщиной 4…6 мм. Соединение герметичное. Условие прочности имеет вид

F	'	,	(1.15)
l b

где F – сдвигающая сила, Н; l – длина шва, м; b – ширина шва, м.

9

1.3. Допускаемые напряжения сварных соединений

Допускаемые напряжения нужны для проверки прочности изделия. Если расчетное напряжение превышает допускаемое, то происходит разрушение конструкции по тем или иным параметрам.

Для отличия допускаемых напряжений в сварных швах от напряжений в целых сечениях, их отмечают штрихом.

Допускаемые напряжения в сварных швах при статической нагрузке задаются в долях от допускаемого напряжения растяжения основного металла соединяемых элементов в зависимости от способа сварки (см. таблицу 1).

Допускаемые напряжения растяжения основного металла определяются

р	=	т	n	,	(1.16)
где т – предел текучести (см. таблицу 3), МПа;					n – коэффициент за-

паса прочности (равен 1,4 для низкоуглеродистых и 1,7 для низколегированных сталей).

Низкоуглеродистая сталь содержит углерода до 0,25%. Низколегированная сталь содержит легирующих элементов до 2,5%.

При переменных нагрузках допускаемые напряжения сварных швов умножают на – коэффициент учитывающий переменность напряжений, определяемый по формуле

	1	1,	(1.17)
	(0,6Кэф 0,2) (0,6Кэф 0,2)R

где Кэф – эффективный коэффициент концентрации напряжений (см.

таблицу 2); R	min	– коэффициент асимметрии цикла напряжений,
	max
min – наименьшее напряжение цикла, max –				наибольшее напряжение
цикла; верхние знаки – при растягивающем			p	и касательном напря-

жениях, нижние – при сжимающем сж .

10