книги / Сварные конструкции

Пример 5. Определить значения расчетных усилий для свар­ ных соединений, принятых в предыдущих примерах, при условии действия вибрационной нагрузки с характеристикой цикла г =

В соответствии с формулой (4.22) примем следующее значение коэффициента снижения расчетных сопротивлений при характери­ стике цикла вибрационной нагрузки г = — 1

В соответствии с табл. 4.5 примем значения эффективных коэф­ фициентов концентрации напряжений 0 и определим по ним соот­ ветствующие значения коэффициентов у. Эти данные приведены ниже.

Значения расчетных усилий для различных соединений можно получить, используя данные из предыдущих примеров.

Расчетное усилие для с о е д и н е н и я в с т ы к в сечении по основному металлу, расположенному вдали от сварного шва

Nr = yN = 0,56-126 = 70,5 тс = 70,5.10“2МН.

Расчетное усилие в сечении у шва при обработке места пере­ хода будет таким же, как и в сечении по основному металлу, рас­ положенному вдали от сварного шва.

Расчетное усилие в сечении у шва без обработки места пере­ хода

Nr = 0,4-126 = 50,5 тс = 50,5 10“ 2 МН.

Расчетное усилие в сечении по сварным угловым швам будет несколько большим

Nr = 0,24-1,4-2-30* 1500 = 30,2 тс = 30,2-10“2МН.

Для повышения выносливости соединения впритык целесооб­ разно осуществлять его с обеспечением провара по всей толщине основного элемента.

При этом значение эффективного коэффициента концентрации напряжений будет несколько снижено. На основании данных табл. 3.8 его можно принять равным Р = 1,6.

При этом коэффициент снижения расчетных напряжений будет V = 0,35.

Расчетное усилие соединения впритык несколько повысится

N, = 0,35-126 = 44 тс = 0,44 МН.

Расчетное усилие соединения впритык можно повысить в еще большей степени, если применить еще и дополнительную обра­ ботку мест перехода. В этом случае

N, = 0,56-126 = 70,5 тс = 70,5- 1СГ2 МН.

ветствующему значению, полученному для соединения впритык

N, = 24 тс = 0,24 МН.

Повысить это значение можно путем применения швов с уве­ личенным катетом по подошве шва и применения местной обра­ ботки.

Принимая швы с отношением катетов 1 2 и применяя местную обработку участков перехода от швов к основному металлу, можно в соответствии с табл. 4.5 принять р = 1,2. При этом у = 0,46.

Расчетное усилие в этом случае

Nr = 0,46-126 = 58 тс = 0,58 МН.

Снизить концентрацию напряжений применением механичес­ кой обработки в этом сечении нельзя из-за отсутствия доступа к нему.

Возможно несколько повысить расчетное усилие путем уве­ личения толщины накладок, доведя его значение до значения, определяемого сечением, расположенным у лобовых швов.

Пример 6 . Оценить несущую способность различных сварных соединений на основании проведенных расчетов.

Несущая способность отдельных сварных соединений при раз­ личных видах нагрузки, оцениваемая величиной их расчетного

усилия, может быть представлена данными, полученными в при­ веденных выше примерах. Данные этих расчетов могут быть све­ дены в табл. 4.7.

и боковыми швами

Результаты этих расчетов показывают, что при статической нагрузке несущая способность всех рассмотренных различных типов сварных соединений является одинаковой и все они являются равнопрочными с основными элементами конструкции.

При вибрационной нагрузке значения расчетных усилий сни­ жаются.

Значения расчетных усилий при вибрационной нагрузке для всех рассмотренных соединений различны, они зависят от кон­ центрации напряжений, определяемой конструктивным оформле­ нием соединения.

Наибольшего значения расчетного усилия при вибрационной нагрузке можно достигнуть путем применения стыковых соедине­ ний.

Соединения впритык, выполненные с обеспечением полного провара по всей толщине присоединяемых основных элементов, при вибрационной нагрузке также обладают достаточно высокой несущей способностью.

соединений может быть повышена путем применения местной меха­ нической обработки. При этом для соединений встык и впритык в этих случаях можно достичь равнопрочности с основными эле­ ментами конструкции.

Результаты проведенных расчетов показывают также, что наи­ более слабым местом сварных соединений являются сечения по основному металлу, расположенные на границе сварных швов, так как сами расчетные сечения сварных лывов путем увеличения их размеров могут быть усилены.

Пример 7. Сконструировать и рассчитать сварное точечное соединение, выполненное контактной сваркой, двух элементов из стали марки Ст. 3, имеющих поперечное сечение размерами 10X 400 мм2.

Выбираем симметричное соединение с двумя накладками. При­ мем исходя из условий обеспечения равнопрочности соединения суммарную толщину двух накладок равной толщине основных

Округляя примем d = 22 мм.

Условие равнопрочности сварного точечного соединения и осноных элементов в соответствии с формулой (4.38) может быть выра­ жено следующим образом:

4 nRl'^FRp.

Здесь п — количество срезов сварных точек; d — диаметр свар­ ной точки; F — площадь поперечного сечения основного элемента;

Rip — расчетное сопротивление сварной точки на срез; R? — рас­ четное сопротивление на растяжение основного металла.

Расчетное сопротивление сварной точки на срез может быть принято равным расчетному сопротивлению на срез основного металла

При этом в соответствии с данными табл. 4.2 будем иметь:

Rll== 1300 кгс/см2= 130 МПа;

Rp = 2100 кгс/см2 = 210 МПа.

Исходя из этого количество срезов сварных точек должно определяться следующим условием:

В соответствии с этим примем количество двусрезных точек

п2 = 9.

Размещение их может быть принято в два ряда в шахматном

Расстояние от края будет равно

и= — = 40 мм.

Впродольном направлении шаг, а также и расстояние от края

могут быть приняты такими же, как и в поперечном.

Конструкция принятого соединения представлена на рис. 4.12. Пример 8. Определить значение эффективного коэффициента концентрации напряжений сварного точечного соединения из стали марки Ст. 3 на основании следующих данных, полученных

Для стали марки Ст. 3 принимаем ф = 0,35.

В этом выражении все величины, за исключением Р, известны. Решая его в отношении р, будем иметь

Г л а в а V

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ СВАРНЫХ к о н с т р у к ц и й

§19. ОСОБЕННОСТИ И ЗГО ТО В Л ЕН И Я

СВ А РН Ы Х К О Н С ТРУ К Ц И Й

Применение сварки предоставило большие возможности в деле механизации и автоматизации производственных процессов, что создало благоприятные условия для достижения более высоких показателей качества выпускаемой продукции при одновременном значительном повышении производительности труда.

Однако для полного использования всех преимуществ сварных конструкций необходимо учитывать некоторые особые свойства, которые выдвинули ряд новых требований по отношению к при­ меняемым материалам, формы сопряжений и узлов, а также к тех­ нологии их изготовления.

Процесс сварки оказывает значительное тепловое воздействие на металл, которое может привести к существенным изменениям свойств основного металла, а также является причиной появления остаточных деформаций и напряжений в конструкции.

Влияние процесса сварки на металл. В результате сосредото­ ченного местного теплового воздействия в зоне шва происходят изменения свойств металла, связанные с процессами плавления, кристаллизации, возможными структурными превращениями, а также с местными пластическими деформациями.

Степень изменения свойств металла в районе шва зависит не только от теплового режима процесса сварки, но и от свойств основного металла.

При этом основной металл конструкции должен обладать свой­ ствами, обеспечивающими; его высокую эксплуатационную проч­ ность и достаточно высокую технологическую прочность, т. е материал сварных конструкций должен выдерживать без разру­ шения усилия, возникающие в процессе сварки.

Правильный выбор основного металла должен обеспечивать необходимые свойства металла на тех участках элементов, которые расположены непосредственно в зонах сварных швов и подвер­ гаются тепловому воздействию процесса сварки.

Свойствами основного металла, а также металла шва, опре­ деляется и степень того влияния, которое могут оказать свароч­ ные напряжения на прочность конструкции.

Обеспечение высокой технологической и эксплуатационной прочности достигается не только выбором материала и конструк-

тивных форм, но также и технологией изготовления сварной конструкции.

Основной технологической мерой борьбы с появлением трещин в процессе изготовления конструкций является выбор теплового режима сварки.

При изготовлении сварных конструкций следует учитывать также монолитность и жесткость их узлов. При этом необходимо обеспечивать такую последовательность сборки и сварки, при ко­ торой исключалась бы возможность создания жестких ограничений для перемещений отдельных свариваемых элементов и не созда­ валась бы опасность появления нежелательных деформаций и напряжений.

Наиболее сильно опасность появления разрушений от жест­ кого закрепления отдельных частей конструкции проявляется при сварке монтажных стыков. Поэтому в этих случаях'принимают особые меры с целью предупреждения появления реактивных на­ пряжений и снижения опасности преждевременного разрушения.

Значение конструктивных форм. Наличие весьма тесной вза­ имной связи и значительного влияния, которое оказывают друг на друга материал, конструктивные формы соединений и техно­ логия изготовления является характерной особенностью сварных конструкций.

Выбранные конструктивные формы в известной степени опре­ деляют выбор методов и технологии сварки. Принятая техноло­ гия, в свою очередь, влияет на изменение свойств металла и на точность выполнения проектных размеров и формы, а также на возникновение в конструкции определенного начального напря­ женного состояния.

Вкачестве примера, раскрывающего большое значение вопро­ сов, связанных с выбором материала, форм соединений и техно­ логии изготовления сварных конструкций, можно рассмотреть применение их в мостостроении.

Вначале 30-х годов было построено 29 пролетных строений. Все эти конструкции в основном копировали старые формы. Основ­ ным соединением при этом было соединение внахлестку. Все сты­ ковые швы «усиливались» накладками. Применение таких форм привело к тому, что после сравнительно непродолжительного времени эксплуатации в этих пролетных строениях стали появ­

ляться трещины в местах наибольшей концентрации напряжений и они были заменены.

В годы -Великой Отечественной войны применение сварки в пролетных строениях железнодорожных мостов расширилось (особенно на временно прокладываемых линиях).'В этих условиях значительная часть пролетных строений была выполнена из мате­ риалов, мало пригодных для сварных конструкций. Формы соеди­ нений и технология изготовления этих конструкций также не отвечали тем требованиям, которые приняты для них в настоя­ щее время. И хотя все эти временные конструкции прослужили

полностью предназначенный для них срок и позволили успешно вы­ полнить поставленные при этом цели (а некоторые из них про­ должали работать еще и значительно более продолжительное время), многократно появлявшиеся в них местные разрушения (в виде отдельных мелких трещин в местах наибольшей концентра­ ции напряжений, созданной резким изменением конструктивных форм или отдельными дефектами сварных швов) свидетельствуют о необходимости значительно более внимательного подхода к во­ просу обеспечения надежности сварных конструкций в таких от­ ветственных сооружениях, как железнодорожные мосты.

Только после достаточно внимательного изучения полученного опыта и большой подготовительной работы, связанной с выбором марки стали для сварных мостов (при этом была создана специаль­ ная марка стали М16С), исследованием прочности и выносливости сварных соединений, разработкой методов и аппаратуры для автоматической сварки, разработкой современных методов кон­ троля качества сварных швов, отработкой технологии на заводах, разработкой типовых проектов и созданием специальных техни­ ческих условий на проектирование и изготовление сварных про­ летных строений железнодорожных мостов, удалось успешно ре­ шить эту сложную проблему и наладить серийное изготовление цельносварных пролетных строений железнодорожных мостов.

§20. ЗНАЧЕНИЕ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

ИНАПРЯЖЕНИЙ

Остаточные деформации и напряжения. При проектировании и изготовлении сварных конструкций необходимо считаться с воз-' можностью появления в них остаточных деформаций и напряже­ ний и принимать меры для их предотвращения или ограничения в таких пределах, при которых влияние их не будет опасным.

Впервые на возникающие при сварке деформации и напряже­ ния и на необходимость их учета указал изобретатель электриче­ ской дуговой сварки металлическим электродом Н. Г. Славянов. Он отметил, что причиной появления сварочных напряжений является неравномерный нагрев изделия при сварке, вызывающий местные пластические деформации. При этом он еще тогда указы­ вал на разницу проявления сварочных напряжений в хрупких и пластичных металлах, а также на особую опасность напряже­ ний, появляющихся при сварке жестко закрепленных деталей. Н. Г. Славянов разработал и некоторые меры борьбы с вредным влиянием напряжений (предварительный подогрев изделия, про­ ковка сварных швов и др.), которые применяются и в настоящее время.

Необходимо отметить, что появление деформаций и напряже­ ний в результате воздействий, оказываемых при обработке металла, не является исключительной особенностью сварных конструкций.

Общеизвестно, что деформации и напряжения появляются при применении всех методов обработки металла. Это относится к литыо, прокатке, штамповке, клепке, вальцовке, обработке реза­ нием, термической обработке и другим методам» Вообще проблема остаточных напряжений впервые была выдвинута еще до изобре­ тения электрической сварки. Сделано это было выдающимся рус­ ским ученым Н. В. Калакуцким, который впервые обратил вни­ мание на значение остаточных напряжений. Труды Н. В. Кала­ куцкого оказали большое влияние на развитие технологических процессов обработки металлических изделий.

Изготовление сложнейших сварных конструкций стало воз­ можным благодаря решению советскими учеными ряда научных проблем, в том числе и проблем управления сварочными деформа­ циями и напряжениями.

По эксплуатационным условиям и по условиям прочности не­ обходимо обеспечивать определенную точность изготовления кон­ струкций, поэтому появление в них сварочных деформаций яв­ ляется нежелательным. В связи с этим разработка мер для преду­ преждения сварочных деформаций является одной из основных за­ дач технологического процесса изготовления сварных конструкций.

Вопрос о степени влияния сварочных напряжений, возника­ ющих при изготовлении сварных конструкций и связанный с ним вопрос о мерах, которые в отдельных случаях должны быть преду­ смотрены, решаются несколько иначе.

Степень проявления сварочных напряжений во многом опреде­ ляется свойствами свариваемого металла и металла сварного шва. Необходимо различать случаи сварки конструкций из малоугле­ родистой и легированной стали. В легированных сталях кроме напряжений, уравновешивающихся в макрообъемах (напряжения первого рода), появляются структурные напряжения, уравно­ вешивающиеся в пределах микрообъемов (напряжения второго рода). При этом происходят значительные изменения прочностных свойств металла в районе шва. Вопрос о структурных напряжениях имеет значение для случаев применения специальных сталей. В связи с этим технология сварки конструкций из легированной стали существенно отличается от технологии сварки конструкций из малоуглеродистой стали. Для сохранения требуемой структуры металла в районе шва при сварке конструкций из легированной стали применяются предварительный и сопутствующий подо­ гревы, а также последующая термическая обработка, которая наряду с изменением структуры одновременно снимает и структур­ ные напряжения. При этом в готовой конструкции не будет также и остаточных напряжений первого рода.

При сварке малоуглеродистой и низколегированной сталей, имеющих наиболее широкое применение в металлических кон­ струкциях, структурных напряжений не возникает. Поэтому для них можно ограничиться вопросами, связанными только с напря­ жениями первого рода.