Допускаемое напряжение для сварных швов

Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Допускаемые напряжения для сварных швов при статической нагрузке определяют по табл. 4.1 в зависимости от допускаемого напряжения [σ]р основного металла на растяжение:

(4.3)

где σт — предел текучести основного металла; [s]T — допускаемый коэффициент запаса прочности; [s]T= 1,35…1,6 -для низкоуглеродистой и [s]T = 1,5…1,7 — для низколегированной стали.

Рекомендации по конструированию сварных соединений

1. Из-за дефектов сварки на концах сварного шва (в местах зажи-гания и гашения дуги) минимальная длина шва должна быть не менее 30 мм.

2. В нахлесточных соединениях (см. рис. 4.4, а) длину перекрытия принимают не менее 4δ, где δ — минимальная толщина свариваемых деталей.

3. Длина лобовых швов не ограничивается. Длина фланговых швов ограничивается: lфЛ<50k. Это связано с возрастанием неравномерности

Рис. 4.8. Пример сварной конструкции

распределения напряжений по длине шва с увеличением его длины. На концах шва напряжения больше, чем в середине.

4. Сварные швы располагают так, чтобы напряжения в них были

одинаковыми. Исходя из этого, при конструировании соединения угол

ков с косынками (рис. 4.8) длины фланговых швов определяют из

решения системы уравнений:

где lфл — суммарная длина фланговых швов по формуле (4.2). Имеем

и, следовательно,

(4.4)

5. В конструкциях, подверженных действию переменных нагрузок, применение нахлесточных соединений нежелательно, так как они характеризуются значительной концентрацией напряжений. По этой причине неследует применять «усиливающие» накладки в стыковых соединениях.

ПримерРассчитать сварное соединение уголка с косынкой, нагруженное силой F= 30 кН (см. рис. 4.8). Материал уголка и косынки — сталь марки СтЗ (от = 220 Н/мм2). Сварка ручная дуговая электродом типа Э50А. Размеры уголка: А = 32 мм, 3) = 9,4 мм, d=4 мм.

Решение. 1. Катет сварного шва. Внахлесточных соединениях угловыми швами катет сварного шва принимают равным толщине свариваемых деталей (см. § 4.2). Принимаем k = d=4 мм. Расчетная высота опасного сечения шва h-u,lk.

2. Допускаемое напряжениесреза. По формуле (4.3) находим допускаемые напряже

ния основного металла на растяжение при [s]T = 1,5:

По табл. 4.1 допускаемые напряжениясреза для сварных соединений

3. Суммарная длина фланговых швов[формула (4.2)]:

4. Длины фланговых швов [формула (4.4)):

Паяные соединения

Паяные соединения — неразъемные соединения, образуемые силами молекулярного взаимодействия между соединяемыми деталями и присадочным материалом, называемым припоем.

Припой — сплав (на основе олова, меди, серебра) или чистый металл, вводимый в расплавленном состоянии в зазор между соединяемыми деталями. Температура плавления припоя ниже температуры плавления материалов деталей.

По конструкции паяные соединения подобны сварным (рис. 4.9, а — ж). Преимущественное применение имеют соединения нахлесточные. Стыковые и тавровые соединения применяют при малых нагрузках.

Рис. 4.9. Основные типы паяных соединений:

а — стыковое; б- нахлесточное; в — косостыконое; г -тавровые; д — с одной накладкой; е — телескопическое; ж — сотовая конструкция

В отличие от сварки пайка позволяет соединять не только однородные, но и разнородные материалы: черные и цветные металлы, сплавы, керамику, стекло и др.

При пайке поверхности деталей очищают от окислов и обезжиривают с целью получения хорошей смачиваемости поверхностей припоем и качественного заполнения им зазоров. Нагрев припоя и деталей в зависимости от их размеров осуществляют паяльником, газовой горелкой, ТВЧ, в термических печах и др. Для уменьшения вредного влияния окисления поверхностей деталей при пайке применяют флюсы (на основе буры, канифоли, хлористого цинка), а также паяют в вакууме или в среде нейтральных газов (аргона). Расплавленный припой растекается по нагретым поверхностям стыка деталей и при охлаждении затвердевает, прочно соединяя детали.

Размер зазора в стыке определяет прочность соединения. При малом зазоpe лучше проявляется эффект капиллярного течения припоя, процесс растворения материала деталей в расплавленном припое распро-еграняется на всю толщину паяного шва (прочность образующегося раствора на 30…60 % выше прочности припоя).

Размер зазора принимают 0,01…0,25 мм в зависимости от припоя (легкоплавкий или тугоплавкий) и материала деталей.

Припои с температурой плавления до 400 °С называют легкоплавкими. Наиболее широкое применение имеют оловянно-свинцовые, оло-вянно-свинцовые сурьмянистые припои (марок ПОС90, ПОС61). Эти припои не следует применять для соединений, работающих при температуре свыше 100 «С или подверженных действию ударных нагрузок.

Припои с температурой плавления свыше 400 0С называют тугоплавкими (серебряные или на медной основе). Припои на медной основе отличаются повышенной хрупкостью, их применяют для соединения деталей, нагруженных статической нагрузкой. Серебряные припои (марок ПСр40, ПСр45) применяют для ответственных соединений. Они устойчивы против коррозии и пригодны для соединения деталей, воспринимающих ударную и вибрационную нагрузки.

Достоинствомпаяных соединений является возможность соединения разнородных материалов, стойкость против коррозии, возможность соединения тонкостенных деталей, герметичность, малая концентрация напряжений вследствие высокой пластичности припоя. Пайка позволяет распаивать соединение, а также получать соединения деталей в скрытых и труднодоступных местах конструкции.

Недостатком пайки по сравнению со сваркой является сравнительно невысокая прочность, необходимость малых и равномерно распределенных зазоров между соединяемыми деталями, что требует их точной механической обработки и качественной сборки, а также предварительной обработки поверхностей перед пайкой.

Применениепаяных соединений в машиностроении расширяется в связи с внедрением пластмасс, керамики и высокопрочных сталей, которые плохо свариваются. Пайкой соединяют листы, стержни, топливные и масляные трубопроводы, лопатки турбин и др. Ее широко применяют в автомобилестроении (радиаторы и др.) и самолетостроении (обшивка из тонких стальных листов с сотовым промежуточным заполнением, см. рис. 4.9, ж). Пайка является одним из основных видов соединений в радиоэлектронике и приборостроении. Процессы пайки поддаются механизации и автоматизации.

Расчет на прочностьпаяных соединений выполняют на сдвиг методами сопротивления материалов. Надо учитывать, что в нахлесточном соединении площадь расчетного сечения равна площади контакта деталей. Для нахлесточных соединений деталей из низкоуглеродистой стали, полученных оловянно-свинцовыми припоями (марки ПОС40), допускаемое напряжение на сдвиг [τ]с = 60 Н/мм2.

Клееные соединения

Клееные соединения применяют для деталей из металла и неметаллических материалов. Это соединение деталей неметаллическим веществом (клеем) посредством поверхностного схватывания и межмолекулярной связи в клеящем слое.

Достоинстваклееных соединений — возможность соединения дета-лей из однородных и неоднородных материалов, герметичность, стойкость против коррозии, возможность соединения очень тонких листо-выx деталей, малая концентрация напряжений и высокое сопротивление усталости, малая масса.

Недостатки- сравнительно невысокая прочность, необходимость тщательной подготовки поверхностей под склеивание, снижение несущей способности при повышенных температурах.

На прочность клееных соединений влияют характер нагрузки, конструкция соединения, тип и толщина слоя клея (при увеличении толщины прочность падает), технология склеивания и время эксплуатации (с течением времени прочность некоторых клеев уменьшается).

Технология склеиваниядеталей состоит из ряда последовательных операций: взаимной пригонки склеиваемых поверхностей, получения шероховатости (обработкой пескоструйным аппаратом или зачисткой наждачной шкуркой), удаления пыли, обезжиривания (растворителем); нанесения клея на подготовленные поверхности, сборки и выдержки соединения при требуемых давлении и температуре.

Шероховатость увеличивает поверхность склеивания. Оптимальная толщина слоя клея 0,05…0,15 мм (зависит от вязкости клея и давления при склеивании). Длительная выдержка при склеивании является недостатком этого соединения.

На практике применяется большое количество марок клея, отличающихся хорошими физико-механическими и технологическими свойствами (клеи марок БФ, ВК-1, ВК-2, МПФ-1 и др.).

Наибольшее применениев машиностроении получили клееные соединения, работающие на сдвиг. Поэтому предпочтительнее нахлесточ-пые соединения.

Расчет на прочностьклееных соединений производят на сдвиг метопами сопротивления материалов. Допускаемое напряжение на сдвиг |τ|с= 10…30 Н/мм2.

Клееными соединениями создают новые конструкции (сотовые, слоистые), отдельные зубчатые колеса соединяют в общий блок, повышают прочность сопряжения зубчатых венцов со ступицами, ступиц с валами, закрепляют в корпусе неподвижное центральное зубчатое колесо 4 планетарной передачи (см. рис. 16.3), наружное кольцо подшипника качения, стопорят резьбовые соединения, крепят пластинки режущего инструмента и др. Для повышения прочности применяют комбинированные соединения: клееклепаные, клеесварные (с точечной сваркой), клеерезьбовые.

Контрольные вопросы

1. Какие преимущества имеют сварные соединения? Область применения сварных соединений.

2. Как образуется сварной шов? Типы сварных швов.

3. Какие факторы учитывают при выборе допускаемых напряжений для расчетов на прочность сварных соединений?

4. Как рассчитывают стыковое сварное соединение, нагруженное растягивающей силой?

5. Каковы достоинства и недостатки паяных соединений по сравнению со сварными? Область их применения.

6. Каковы достоинства и недостатки клееных соединений по сравнению со сварными? Область их применения.

Допускаемое напряжение для сварных швов

При расчете машиностроительных конструкций из низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей допускаемые напряжения для сварных швов при статических нагрузках принимают в зависимости от допускаемого напряжения на растяжение основного металла [σp] (табл. 2).

Значение [σp] получают из зависимости

где σт — предел текучести для основного металла (свариваемых деталей), МПа; [n] — коэффициент запаса прочности, [n] = 1,3…1,6 для низкоуглеродистых сталей, [n] = 1,5…1,7 для низколегированных сталей. Меньшие значения [n] рекомендуются для малоответственных соединений и при легких режимах работы, а большие — в ответственных соединениях и при тяжелых условиях работы (табл. 9).

Таблица 9. Предел текучести для основного металла (σт) (выборка)

Марка стали	Ст3	Ст4	Ст5	Сталь 30	Сталь 35	Сталь 45
σт, МПа	235…216	255…235

Пример. Определить длину фланговых швов, обеспечивающих прочность соединения равнополочного (равнобокого) уголка и косынки (рис. 7, б), если размеры поперечного сечения уголка (его профиль): а) 70х70х6, б) 50х50х4; материал — сталь СтЗ. Сварка ручная электродом Э42.

Вычисление

По таблице справочника для равнополочного (равнобокого) уголка профиля 70х70х6 принимаем b = 70 мм, t = 6 мм, SL = 813 мм2 ,

Сx = 19,3 мм.

Вычисляем допускаемое напряжение при растяжении основного материала, принимая по табл. 5 для стали СтЗσт = 225 МПа и [n] = 1,45:

Исходя из уравнения прочности уголка на растяжение σр = F/SL≤[σр], определяем допускаемое значение растягивающей силы:

По этой силе производим вычисление условий равнопрочности уголка на растяжение и шва на срез.

С помощью табл. 4 вычисляем допускаемое напряжение шва при срезе:

Из уравнения прочности швов

определяем их суммарную длину, принимая k = t = 6 мм:

По формулам

при b = 70 мм и Cx = 19,3 мм определяем l1 и l2:

Учитывая возможность технологических дефектов сварки, окончательно принимаем l1 = 240 мм, l2 = 100 мм.

Стержневые конструкции

В сварных конструкциях чаще всего встречаются следующие виды деталей: фермы из стержней, работающих на растяжение или сжатие (на продольный изгиб), балки и стойки.

Для каждого из этих видов деталей применяют определенные проверенные опытом методы расчета и конструкции сварных соединений.

Стержни соединяются в узловых точках посредством косынок.

Стержни, работающие на сжатие, изготовляются из профилей с малой площадью сечения и большим моментом инерции, т. е. из угольников, двутавров, швеллеров.

В зависимости от расположения применяют стержни цельные, состоящие из таврового, двутаврового или швеллерного профиля. Могут быть применены составные стержни из двух профилей (углового, двутаврового, таврового или швеллерного), соединенных сплошным или прерывистым швом, а также сложносоставные (рис. 8), изготовленные из двух или нескольких цельных стержней, взаимно связанных накладками или косынками. Стержни ферм должны быть соединены таким образом, чтобы линии центров тяжести стержней пересекались в одной точке косынки (рис. 9).

Рис. 8. Составные стержни для фермы

Рис. 9. Соединение профилей в узел с помощью косынки с учетом их центров тяжести

Если угольник присоединен только одной своей полкой, то длина угольника, привариваемого к косынке, должна быть трехкратна или двукратна ширине полки.

ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СВАРНЫХ ШВОВ

Расчет сварных соединений

СТЫКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С ПРЯМЫМ ШВОМ

(рис. 1, а).

Допускаемая сила для соединения при растяжении

Р1 = [σ’p]·L·S ,

то же при сжатии

Р2 = [σ’сж]·L·S ,

где,

[σ’p] и [σ’сж] — допускаемые напряжения для сварного шва соответственно при растяжении и сжатии.

При расчете прочности все виды подготовки кромок в стыковых соединениях принимают равноценными.

СТЫКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С КОСЫМ ШВОМ

(рис. 1, б).

Допускаемая сила для соединения при растяжении

То же при сжатии

При β = 45° — соединение равнопрочно целому сечению.

НАХЛЕСТОЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

(рис. 2).

Соединения выполняют угловым швом. В зависимости от напряжения шва относительно направления шва относительно направления действующих сил угловые швы называют лобовыми (см. рис. 2, а), фланговыми (см. рис. 2. б), косыми (см. рис. 2. в) и комбинированными (см. рис. 2, г).

Максимальную длину лобового и косого швов не ограничивают. Длину фланговых швов следует принимать не более 60К, где К — длина катета шва. Минимальная длина углового шва 30 мм; при меньшей длине дефекты в начале и в конце шва значительно снижают его прочность.

Минимальный катет углового шва Кmin принимают равным 3 мм, если толщина металла S >= 3 мм.

Допускаемая сила для соединения

где, [τср] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез;

К — катет шва;

L — весь периметр угловых швов;

— для лобовых швов L = l; для фланговых L = 2l1;

— для косых L = l/sinβ;

— для комбинированных L = 2l1 + l.

СОЕДИНЕНИЕ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

(рис. 3).

Силы, передаваемые на швы 1 и 2, находят из уравнений статики

Необходимая длина швов

где,

[τ’ср] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез;

К — катет шва.

Примечание: Допускается увеличение l2 до размера l1.

ТАВРОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Наиболее простое в технологическом отношении.

Допускаемая сила для растяжения

Р = 0,7 [τ’ср] KL

где,

[τ’ср] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез;

К — катет шва, который не должен превышать 1,2S (S — наименьшая толщина свариваемых элементов).

Наиболее обеспечивающее лучшую передачу сил.

Допускаемая сила для растяжения

Р1 = [σ’p]·L·S ,

то же при сжатии

Р2 = [σ’сж]·L·S ,

где,

[σ’p] и [σ’сж] — допускаемые напряжения для сварного шва соответственно при растяжении и сжатии.

СОЕДИНЕНИЕ С НАКЛАДКАМИ

Сечение накладок, обеспечивающее равнопрочность целого сечения (см. рис. 6)

где,

F — сечение основного металла; [σp] — допускаемое напряжение при растяжении основного металла; [σ’p] — допускаемое напряжение для сварного шва при растяжении.

Сечение накладки, обеспечивающее равнопрочность целого сечения (см. рис. 7):

где,

[τ’cp] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез.

СОЕДИНЕНИЕ С ПРОРЕЗЯМИ

Применяют лишь в случаях, когда угловые швы недостаточны для скрепления.

Рекомендуется a = 2S , l = (10 ÷ 25)S.

Допускаемая сила, действующая на прорезь

Р = [τ’сp]·L·S ,

где,

[τ’сp] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез.

СОЕДИНЕНИЕ ПРОБОЧНОЕ

Применяют в изделиях, не несущих силовых нагрузок. Пробочную сварку можно применять для соединения листов толщиной от 15 мм.

Если пробочные соединения подвергаются действию срезывающих сил, то напряжение

где,

d — диаметр пробки;

i — число пробок в соединении.

СОЕДИНЕНИЕ СТЫКОВОЕ

ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА

При расчете прочности соединения (см. рис. 9), осуществленного стыковым швом, находящимся под действием изгибающего момента Ми и продольной силы Р, условие прочности

где,

W = Sh²/6;

F = hS.

При расчете прочности соединения (см. рис. 10, а), осуществленного угловым швом, находящимся под действием изгибающего момента Ми и продольной силы Р, расчетные касательные напряжения в шве

где,

Wc = 0,7Kh²/6;

Fc = 0,7Kh.

При расчете прочности соединений (см. рис. 10, б), состоящих из нескольких швов и работающих на изгиб, принимают (для приведенного графически случая), что изгибающий момент Ми уравновешивается парой сил в горизонтальных швах и моментом защемления вертикального шва

Если момент Ми и допускаемое напряжение τ заданы, то из полученного уравнения следует определить l и K, задавшись остальными геометрическими параметрами.

ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СВАРНЫХ ШВОВ

Допускаемые напряжения (табл. 1 и 2) для сварных швов принимают в зависимости:

а) от допускаемых напряжений, принятых для основного металла;

б) от характера действующих нагрузок.

В конструкциях из стали Ст5, подвергающихся воздействию переменных или знакопеременных нагрузок, допускаемые напряжения для основного металла понижают, умножая на коэффициент

где,

σmin и σmax — соответственно минимальное и максимальное напряжения, взятые каждое со своим знаком.

1. Допускаемые напряжения для сварных швов

в машиностроительных конструкциях при постоянной нагрузке

Сварка	Для стыковых соединений		При срезе [τ’ср]
	при растяжении [σ’p]	при сжатии [σ’сж]
Ручная электродами: Э42……….. Э42 А…….	0,9[σp] [σp]	[σp] [σp]	0,6[σp] 0,65[σp]
[σp] — допускаемое напряжение при растяжении для основного металла.

2. Допускаемые напряжения в МПа

для металлоконструкций промышленных сооружений

(подкрановые балки, стропильные фермы и т. п.)

Марка стали	Учитываемые нагрузки
	основные			основные и дополнительные
	вызывающие напряжения
	растяжения, сжатия, изгиба	среза	смятия (торцового)	растяжения, сжатия, изгиба	среза	смятия (торцового)
Подкрановые балки, стропильные фермы и т.п.
Ст2 Ст3	140 160	90 100	210 240	160 180	100 110	240 270
Металлоконструкции типа крановых ферм
Ст0 и Ст2 Ст3 и Ст4 Ст5 Низколеги- рованная	120 140 175 210	95 110 140 170	180 210 260 315	145 170 210 250	115 135 170 200	220 255 315 376

Для конструкций из низкоуглеродистых сталей при действии переменных нагрузок рекомендуется принимать коэффициент понижения допускаемых напряжений в основном металле

где,

ν — характеристика цикла, ν = Рmin / Pmax; Рmin и Pmax соответственно наименьшая и наибольшая по абсолютной величине силы в рассматриваемом соединении, взятые каждая со своим знаком;

Ks — эффективный коэффициент концентрации напряжений (табл. 3).

3. Эффективный коэффициент концентрации напряжения Ks

Литература:

Pund A. U., Shandge R. S., Pote A. K. Current approaches on gastroretentive drug delivery systems. Journal of Drug Delivery and Therapeutics. 2020; 10(1): 139–146. DOI: 10.22270/jddt.v10i1.3803.
М.П. Киселева, З.С. Смирнова, Л.М. Борисова и др. Поиск новых противоопухолевых соединений среди производных N-гликозидов индоло[2,3-а] карбазолов // Российский онкологический журнал. 2015. № 1. С. 33-37.
Скориченко, «Доисторическая M.» (СПб., 1996); его же, «Гигиена в доисторические времена» (СПб., 1996).
https://infopedia.su/3x24c8.html.
https://poisk-ru.ru/s8962t22.html.
https://studopedia.net/10_9542_dopuskaemie-napryazheniya-dlya-svarnih-shvov.html.
Ковнер, «Очерки истории M.».
Haeser, «Handbuch der Gesch. d. Medicin».
А.В. Ланцова, Е.В. Санарова, Н.А. Оборотова и др. Разработка технологии получения инъекционной лекарственной формы на основе отечественной субстанции производной индолокарбазола ЛХС-1208 // Российский биотерапевтический журнал. 2014. Т. 13. № 3. С. 25-32.
З.С. Смирнова, Л.М. Борисова, М.П. Киселева и др. Противоопухолевая активность соединения ЛХС-1208 (N-гликозилированные производные индоло[2,3-а]карбазола) // Российский биотерапевтический журнал 2010. № 1. С. 80.