Основы расчета сварных швов

Версия для печатиВерсия для печати

Особенностью сварных конструкций является наличие в ней неразъемных соединений, полученных с помощью сварки. То есть, проектирование сварной конструкции сводится к проектированию сварных соединений.

Условие наступления предельного состояния имеет вид:

σэ ≤ σп,

где: σэ - напряжения эквивалентные напряженному состоянию;

σп - предельные напряжения.

При проектировании конструкций должно соблюдаться условие:

Rd ≤ Sd

где: Rd - расчетное значение нагружаемости;

Sd - расчетное значение напряженности.

Нагружаемость возникает в конструкции или в ее элементах в результате воздействия нормальных сил, изгибающих моментов, крутящих моментов, поперечных сил. Расчетное значение нагружаемости определяется по формуле:

Rd = F γF

где: F - нормативный силовой фактор нагружаемости;

γF - коэффициент надежности детали (коэффициент перегрузки), учитывающий пространственный и временной разброс воздействия (силового фактора). Значение коэффициента γF приведено в таблице ниже.

Коэффициент перегрузки γF для различных сооружений.

  Коэффициент перегрузки γF для
Доменных

печей

Промышленных зданий Башен и мачт Сосудов и газгольдеров Мостов
Собственный вес конструкции 1,0 1,1 1,1 1,1 1,25
Гидростатическое давление жидкости 1,1 - - 1,1 -
Внутреннее газовое давление 1,1 - - 1,2 -
Вертикальные нагрузки от кранов - 1,3 - - -
Ветер (при р=40100 кГ/м2) 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2
Снег (при р=50200 кГ/м2) 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4
Нагрузки от подвижных составов 1,2 1,2 - - 1,4
Воздействие температурного распора 1,3 1,2 1,2 1,2 -

При расчете прочности сварных конструкций учитываются также геометрические размер деталей, механическая неоднородность сварного соединения (наличие мягкой прослойки), которая снижает прочностные характеристики сварного соединения, способ сварки, тип сварного шва и т.п.

Металл в процессе сварки нагревается в широком диапазоне - от температуры плавления до температуры окружающей среды. То есть в сварном соединении происходит неравномерный нагрев. В зависимости от температуры нагрева в сварном соединении можно выделить три зоны: первая - сварной шов, где металл нагревается до температуры плавления, вторая - зона, где под влиянием температуры произошли какие-либо превращения (зона термического влияния) и третья - основной металл. Безусловно, механические свойства этих зон различны. Кроме того, и внутри каждой зоны свойства изменяются от точки к точке. Таким образом, имеют место макро- и микро неоднородности механических свойств сварного соединения.

Принципиально с точки зрения механической неоднородности различают два вида сварных соединений - с мягкой и твердой прослойкой. Рассмотрим влияние неоднородностей на прочность сварного соединения. Во-первых, рассмотрим, как влияют прослойки. При твердой прослойке разрушение будет происходить по сечению металла с наименьшей прочностью, то есть по основному металлу.

Влияние неоднородностей на прочность сварного соединения

При мягкой прослойке возможны два случая. Первый, мягкая прослойка достаточно широкая. Под действием приложенной силы, в первую очередь, деформируется металл прослойки. При этом формируется шейка, то есть имеет место уменьшение толщины металла. Поскольку ширина прослойки достаточно большая, никакого препятствия со стороны твердых слоев на деформацию прослойки не оказывается. Разрушение пройдет по прослойке. Таким образом, при расчете на прочность сварного соединения необходимо учитывать механические свойства мягкой прослойки.

Второй случай - мягкая прослойка узкая. Процесс деформации прослойки сопровождается уменьшением ее толщины, но этому будут препятствовать твердые слои металла. На границе между мягкой прослойкой и твердыми слоями появятся касательные напряжения, которые тормозят образование шейки. Таким образом, следует считать, что разрушение будет иметь место по основному металлу. То есть, можно не учитывать при расчетах наличие узкой мягкой прослойки. Кроме того, сварное соединение характеризуется так называемой геометрической неоднородностью, вызванной как очертанием сварного шва, так и конструкцией соединения, что приводит к концентрации напряжений. Ниже рассмотрим характер распределения напряжений в различных типах сварных соединений.

В стыковых соединениях с обработанными гладкими поверхностями швов, не имеющих внутренних дефектов (непроваров, трещин, пор, шлаковых включений), напряжения от продольной силы распределяются по поперечному сечению соединяемых элементов равномерно и определяются по формуле:

σ = P / ls

Однако, очень часто сварной шов имеет концентраторы напряжений (в корне шва при его непроваре, в зоне сопряжения шва с основным металлом, в зоне пор, и т.п.).

Стыковые швы при всех видах сварки - дуговой, контактной, электроннолучевой - являются оптимальными в отношении концентрации напряжений. При доброкачественном технологическом процессе, отсутствии пор, непроваров, включений, смещении кромок, при доведении до минимума остаточных местных сварочных деформаций и, наконец, что особенно важно, при рациональном очертании швов, их плавных сопряжениях с основным металлом результирующий коэффициент концентрации напряжений может быть сведен до значений, близких к единице. В других типах соединений такой результат получить практически невозможно.