Допускаемые напряжения для сварных швов
СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ МАШИН
Общая характеристика соединений
В машиностроении сопряженные элементы сборочных единиц, которые фиксируются от относительного перемещения с помощью других деталей(винтов, штифтов, шпонок и др.) или с применением специальных технологических операций( сварка, пайка, загиб и др.) называются соединениями.
Соединения по принципу возможности разборки подразделяют на неразъемные, которые нельзя разобрать без разрушения или повреждения, и разъемные, позволяющие повторную разборку и сборку.
К неразъемным соединениям относятся:
а) сварные, паяные, клеевые – неразъемность соединения осуществляется за счет сил молекулярно-механического сцепления;
б) клепаные, соединения с натягом, вальцованные – неразъемность достигается механическими средствами.
К разъемным соединениям относятся: резьбовые, клиновые, штифтовые, шпоночные, шлицевые и профильные соединения.
Разъемные соединения выполняются как неподвижными, так и подвижными.
Детали соединений образуют наиболее распространенный класс деталей машин; их работоспособность наиболее часто, как показывает практика, определяет надежность работы конструкций.
Неразъемные соединения
Сварные соединения
Общая характеристика
Это наиболее распространенный вид неразъемных соединений.
Различают три класса сварки – термический, механический и термомеханический. На практике применяют свыше 60 способов сварки. Самое широкое распространение получила электрическая дуговая сварка. Ею хорошо свариваются низко и среднеуглеродистые стали. Различают следующие типы дуговой сварки:
– автоматическая сварка под флюсом;
– механизированная сварка под флюсом;
– ручная сварка.
При ручной сварке шов образуется главным образом за счет металла электрода, а при автоматической и механизированной – в основном за счет расплавления основного металла.
Для электродуговой сварки конструкционных сталей применяют электроды марки Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А и др. Число после буквы «Э» умноженное на 10 обозначает минимальную величину временного сопротивления 
(МПа) металла шва. Буква «А» обозначает повышенное качество электрода.
В зависимости от расположения свариваемых деталей различают следующие виды соединений: стыковые (рис.1.1), нахлесточные (рис.1.2), тавровые (рис.1.3).
Рис.1.1 – Стыковые швы
а) односторонний без скоса кромок; б) односторонний со скосом кромок;
в) двусторонний с двумя симметричными скосами одной кромки;
г) двусторонний с двумя симметричными скосами двух кромок.
Рис.1.2 – Нахлесточные соединения угловыми швами
а) лобовыми; б) фланговыми; в) комбинированными.
Рис.1.3 – Тавровые соединения
а), б) – швы с глубоким проплавлением; в) угловой шов.
К достоинствам сварных соединений относятся:
– герметичность и плотность соединений;
– возможность автоматизации сварочного процесса;
– невысокая стоимость соединений вследствие простоты конструкции сварного шва и малой трудоемкости (стоимость сварной конструкции в 1,5…2 раза ниже стоимости литой);
– возможность получения изделий больших размеров.
К недостаткам сварных соединений относятся:
– местный нагрев в зоне сварного шва вызывает изменение механических свойств материала свариваемых деталей;
– невысокая прочность при переменных режимах работы (сварной шов является концентратором напряжений);
– невысокое качество сварного шва ручной сварки (непровары, шлаковые включения, трещины);
– трудность контроля качества сварного шва.
Расчет сварных соединений
Исходным условием проектирования сварных соединений является равнопрочность шва и соединяемых деталей изделия.
Стыковые соединения могут разрушаться по шву, месту сплавления металла шва с металлом детали, сечению самой детали в зоне термического влияния, т.е. прилегающему к шву детали участка, в котором в результате нагревания при сварке изменяются механические свойства металла.
Сварные стыковые швы рассчитывают как целое сечение основного металла, но по допускаемому напряжению, определенному для сварного соединения в зависимости от назначения условий работы.
При автоматической сварке в зависимости от толщины δ детали сварку выполняют односторонним или двусторонним швами. При толщине δ ≤ 15 мм сварку выполняют без специальной подготовки кромки. При ручной сварке без подготовки кромок сваривают листы толщиной до 8…10 мм.
Расчет стыкового соединения выполняют по размерам сечения детали в зоне термического влияния (рис.1.4).
Рис.1.4 – Стыковое соединение, нагруженное растягивающей силой
Условие прочности при нагружении растягивающей (поперечной) силой F в виде полосы:
где А – площадь сварного шва, мм2;
– ширина листа (длина сварного шва), мм;
δ – толщина шва, принимают равной толщине свариваемых деталей, мм;
– допускаемое напряжение растяжения материала шва, МПа.
Допускаемое напряжение для расчета сварных соединений принимают по механическим характеристикам материала в зоне влияния сварного шва и отмечают знаком в отличие от допускаемых напряжений основного металла 
В стыковом соединении, нагруженном изгибающим моментом М (рис.1.5), определяют напряжение 
изгиба:
где 
– момент сопротивления изгибу, мм3; δ – толщина сварных листов, мм; 
– длина шва, ( равна ширине свариваемых листов 
)мм;
М – изгибающий момент, Нм; 
– допускаемое напряжение при изгибе для материала шва, МПа.
Рис.1.5 – Стыковое соединение, Рис.1.6 – Стыковое соединение,
нагруженное моментом нагруженное сдвигающей силой
При действии продольной силы (вдоль шва) шов рассчитывается на срез (рис.1. 6).
где 
=b-2c – расчетная длина шва, мм;
b – ширина свариваемых листов, мм;
с – поправка на непровар в начале и конце шва;
δ – толщина сварных листов, мм;
– расчетное и допускаемое напряжения при срезе для шва, МПа.
Нахлесточные соединения выполняются с помощью угловых швов. В зависимости от формы поперечного сечения различают угловые швы: нормальные–а); вогнутые–б); выпуклые–в) (рис.1.7). На практике наиболее распространены швы нормальные.
Рис.1.7 – Виды угловых швов
Основные геометрические характеристики углового шва – катет k и высота h (рис.1.7); для нормального шва h=ksin450 
0,7k. По условиям технологии рекомендуют принимать k 
3 мм, если толщина листа 
3 мм. Как правило
k = 
Для обеспечения равномерного распределения напряжения длина шва ограничивается 30мм 
В зависимости от расположения различают швы лобовые, фланговые и косые. Лобовой шов расположен перпендикулярно, а фланговый – параллельно линии действия нагружающей силы (рис.1.2).
Угловой шов при нагружении испытывает сложное напряженное состояние. Поэтому для простоты расчета шов условно рассчитывают на срез под действием средних касательных напряжений 
. Например, условие прочности для флангового шва (рис. 1.2) можно выразить:
где 2 – число швов; h – рабочая высота сварного шва(h = 0,7k).
Применяются также комбинированные швы, состоящие из фланговых и лобовых (рис.1. 2).
Для упрощения расчета считают, что сила F растяжения нагружает швы равномерно. В этом случае уравнение прочности будет иметь вид:
где L=2 
+b – периметр комбинированного шва, мм; h – высота шва, мм.
Простое нагружение сварных соединений случается в практике сравнительно редко. Значительно чаще элементы и швы сварных конструкций работают на сложное сопротивление. Для стыковых швов в этом случае расчетные формулы остаются теми же, что и для основного металла, т.е. условие прочности будет
где 
– приведенное напряжение, определяемое в расчетном сечении по пятой или первой теории прочности, МПа;
– допускаемое напряжение при растяжении или сжатии для материала стыкового шва, МПа.
Тавровые соединения.
Рассмотрим тавровое соединение, нагруженное сочетанием сил и моментов (рис.1. 8).
Рис.1. 8 – Тавровое соединение, нагруженное комбинацией сил и моментов
При расчете все внешние нагрузки приводят к центру масс сварного шва. В общем случае соединение может быть нагружено моментом М, растягивающей F и сдвигающей Q силами. При определении напряжений используют принцип независимости действия сил с последующим суммированием напряжений от каждого силового фактора. Метод расчета в этом случае зависит от типа шва:
а) Расчет соединения со швами глубокого проплавления (рис.1.3, а, б). В этом случае рассчитывают на прочность основной металл в зоне термического влияния. Наиболее опасной является точка 1 (рис.1.8), в которой суммируются напряжения: нормальные (растяжения 
и изгиба 
) и касательные( 
).
Эквивалентное напряжение в точке 1 определится как:
б) Расчет соединения с обычным угловым швом (рис.1.3, в). В этом случае касательные напряжения в биссектральной плоскости шва возникают от всех силовых факторов. Наиболее опасной точкой является точка 1.
Касательные напряжения при наличии n швов:
– от момента М
где W 
– момент сопротивления изгибу, мм3.
– от силы F
– от силы Q
где n – число швов, h – высота шва, – рабочая длина шва, мм.
Полное напряжение 
в точке 1 находят геометрическим суммированием с учетом того, что вектор 
составляет с вектором 
угол 900.
Допускаемые напряжения для сварных швов.
Допускаемые напряжения для сварных швов при статической нагрузке определяют по табл.1.1 в зависимости от допускаемого напряжения 
основного металла при растяжении:
= 
где 
– предел текучести основного металла (табл.1.2), S – коэффициент запаса прочности (S=1,3…1,6 – для низкоуглеродистой стали, S=1,5…1,7 – для низколегированной стали).
Таблица 1.1
Допускаемые напряжения для сварных соединений деталей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, полученных электродуговой сваркой
| Напряжение | Автоматическая и механизированная под флюсом | Ручная дуговая, электродами | |
| Э42А Э50А | Э42 Э50 | ||
Растяжение 
|
|
|
|
Сжатие 
|
|
|
|
Срез 
| 0,8
| 0,65
| 0,6
|
Примечания: 
, 
–допускаемые напряжения сварного шва, МПа;
– допускаемое напряжение растяжения материала свариваемых деталей (основного металла), МПа.
Таблица 1.2
Механические характеристики некоторых марок сталей
| Марка стали | Ст2 | Ст3 | Ст4 | Ст5 | ||||
Предел текучести  , МПа
|