Сварные соединения: расчёт и обозначение

Виды сварных соединений и швов, расчёт стыковых и угловых швов на прочность, допускаемые напряжения, обозначение швов на чертеже по ГОСТ 2.312, дефекты и контроль.

Сварка — основной способ получения неразъёмных соединений в металлоконструкциях. В курсовой обычно требуется рассчитать шов на прочность и правильно обозначить его на чертеже — разберём и то, и другое.

Типы соединений

Стыковое соединение — самое прочное и экономичное: при полном проплавлении шов равнопрочен основному металлу. Нахлёсточное требует больше металла и создаёт концентрацию напряжений, зато не нуждается в точной подгонке — поэтому его применяют в неответственных конструкциях.

Расчёт стыкового шва

При растяжении или сжатии:

  σ = N / (s · l) ≤ [σ']

s — толщина металла (равна толщине шва при полном проплавлении)
l — длина шва
[σ'] — допускаемое напряжение для шва

При изгибе:
  σ = M / W_шва,   W = s·l²/6 для вертикального шва

При совместном действии:
  σ_экв = √(σ_N + σ_M)² + 3τ² ≤ [σ']

Расчёт угловых швов

Расчётное сечение — по опасной плоскости в теле шва:

  A = 0,7·k·l

k — катет шва, 0,7 = коэффициент от геометрии равнобедренного
треугольника (высота = k·cos 45°)

При осевой нагрузке:
  τ = N / (0,7·k·Σl) ≤ [τ']

При изгибе моментом в плоскости соединения:
  τ = M / (0,7·k·Σl²/6)

При кручении круглого таврового соединения:
  τ = T / (0,7·k·π·D²/2)

Пример: приварить кронштейн из полосы 100×10 мм к колонне
двумя лобовыми угловыми швами, N = 120 кН, сталь С245, [σ] = 240 МПа

  [τ'] = 0,6·240 = 144 МПа
  Катет шва: k = 0,8·s = 8 мм (обычно 0,7-1,0 от толщины)

  Требуемая суммарная длина:
  Σl ≥ N/(0,7·k·[τ']) = 120 000/(0,7·8·144) = 149 мм

  При двух швах по 100 мм: Σl = 200 мм > 149 мм ✓

  Фактическое напряжение:
  τ = 120 000/(0,7·8·200) = 107 МПа ≤ 144 МПа ✓

Ограничения по катету шва

• Минимальный катет — по толщине более толстой детали: при 10 мм не менее 4 мм, при 20 мм не менее 6 мм.
• Максимальный катет — не более 1,2·s тонкой детали, иначе перегрев и прожог.
• Минимальная длина шва — не менее 4·k и не менее 40 мм: короткие швы неравномерно нагружены.
• Максимальная расчётная длина лобового шва — 50·k: дальше нагрузка распределяется неравномерно, и прирост длины не даёт прочности.

Обозначение на чертеже по ГОСТ 2.312

Структура обозначения:

  ГОСТ — буквенно-цифровое обозначение шва — способ сварки —
  знак и размер катета — длина и шаг — вспомогательные знаки

Пример полной записи:

  ГОСТ 14771-76-Т3-УП-∆6-50/100

  ГОСТ 14771-76 — стандарт на сварку в защитных газах
  Т3           — тавровое соединение, тип 3
  УП           — сварка в углекислом газе полуавтоматом
  ∆6           — катет шва 6 мм
  50/100       — прерывистый шов: участок 50 мм с шагом 100 мм

Полка линии-выноски:
  сверху — шов с лицевой стороны
  снизу  — шов с обратной стороны

Способы сварки

Дефекты и контроль

• Непровар — самый опасный дефект: работает как трещина и резко снижает прочность.
• Подрез — уменьшает сечение основного металла и создаёт концентратор.
• Поры и шлаковые включения — снижают площадь рабочего сечения.
• Трещины — недопустимы в любом количестве.
• Прожог — сквозное отверстие при избыточном токе или малой толщине.

Что учесть при проектировании

1. Швы располагать в местах наименьших напряжений, не совмещать с концентраторами.
2. Избегать скопления швов в одном узле — там возникают объёмные остаточные напряжения.
3. Обеспечить доступ для сварщика и для контроля: шов, к которому нельзя подвести электрод, не будет качественным.
4. Не пересекать швы, разносить их не менее чем на 100 мм.
5. Указать способ сварки и требования к контролю в технических требованиях чертежа.