Расчет сварных соединений, выполненных дуговыми и электроконтактнымм способами сварки
В зависимости от назначения и характера сварных конструкций применяют два принципа их расчета - по предельным состояниям и допускаемым напряжениям. В практике организаций и предприятий используются оба указанных принципа. Первый - в основном при расчетах, связанных со строительными металлическими конструкциями, второй - на трубопроводах, при расчете всякого рода оснастки, приспособлений, такелажных устройств и т. д.
Сварные стыковые соединения. При проектировании и расчете стыковых швов имеют место два подхода. В том случае, когда сварные стыковые соединения выполнены с полным проваром, с использованием качественных сварочных материалов, причем качество сварного соединения подтверждено неразрушающими физическими методами контроля, Строительные Нормы и Правила не предусматривают проверку прочности стыковых швов. При этом считается, что при соблюдении приведенных выше условий расчетные сопротивления сварных соединений и расчетные сопротивления стали свариваемых элементов равны.
В случае неравенства расчетных сопротивлений необходим расчет стыковых швов с учетом напряженного состояния, возникающего в соединении под воздействием нагрузок.
Прочность прямого стыкового шва, продольная ось которого направлена перпендикулярно действию, вызывающему в шве напряжения растяжения или сжатия, при расчете по предельному состоянию, проверяют по специальной формуле.
Расчетную длину шва определяют из условия, что в начале процесса сварки и в конце в сварном шве могут быть дефекты, снижающие его прочность (непровары, кратеры, поры). Поэтому расчетную длину шва принимают меньше ширины свариваемых элементов на величину удвоенной минимальной их толщины.
В этом случае, если стыковой шов выводят на специальные планки или соединение кольцевое (например, трубный стык), расчетная длина равна ширине свариваемых элементов (периметру стыка).
Во всех случаях при сварке элементов из стали разной прочности принимают меньшее значение расчетного сопротивления, однако с учетом толщин свариваемых элементов, т. е. при соблюдении принципа равнопрочности.
В определенных условиях возникает необходимость применять в конструкциях косые стыковые соединения. Такие соединения чаще всего используют в тех случаях, когда длина прямого шва оказывается недостаточной, чтобы получить соединение, равнопрочное основному металлу, а применение усиливающих накладок нежелательно вследствие образования концентрации напряжений (стыковка стенок или полок подкрановых балок, работающих в условиях циклических нагрузок). Опираясь на условия, определяемые СНиПом, при сварке качественными электродами с полным проваром шва, можно определить минимальный угол, который дает гарантию равнопрочности. Этот угол при расчете по предельному состоянию - 67°, т. е. если угол наклона и косого стыка равен или менее указанной величины, то расчет на прочность такого стыка не производят.
При работе конструкции, элементы которой выполнены из сталей, претерпевающих структурные изменения при сварке, благодаря чему самым слабым участком в сварном соединении становится околошовная зона, расчет на прочность сварного шва заменяют расчетом прочности ослабленной зоны. В этом случае все исходные для расчетов данные принимаются для свойств металла в ослабленной зоне. В машиностроении равнопрочность косых стыковых швов принимается при углах наклона 45° и менее.
Расчет угловых швов. По предельному состоянию сварные соединения с угловыми швами (угловые, нахлесточные и тавровые соединения) рассчитывают по двум сечениям: по металлу шва и по металлу границы сплавления. В первом случае расчетное сопротивление устанавливают в зависимости от свойств применяемых сварочных материалов, во втором - по прочностным характеристикам основного металла. Выбор расчетных сопротивлений преследует цель получения равнопрочности сечений, однако в действительности одно из расчетных сечений будет неизбежно обладать меньшей прочностью. Именно это сечение и следует рассматривать при расчете угловых соединений на срез. В случае расчета по металлу расчет выполняется в зависимости от временного сопротивления стали сопрягаемых элементов растяжению, нормативного сопротивления металла шва и коэффициента, который характеризует собой вид сварки, положение шва и толщину свариваемых деталей.
В любом случае проверка прочности угловых швов заключается в сравнении напряжений, возникающих под действием приложенных к сварному соединению усилий, с соответствующими нормативными расчетными сопротивлениями и коэффициентами условий работы. При этом сравнивать можно как по напряжениям, возникающим в металле шва, так и по напряжениям в металле границы сплавления.
Лобовые швы достаточно равномерно передают усилия по ширине соединения, однако в корне шва образуется значительная концентрация напряжений, которая тем больше, чем больше разница в толщине свариваемых элементов. Для того, чтобы при расчетах учесть образующееся в лобовых швах сложное напряженное состояние, их вне зависимости от фактической работы рассчитывают на условный срез. При действии на лобовые швы продольной или поперечной силы прочность их проверяют на условный срез.
При использовании в соединениях фланговых швов происходит концентрация напряжений как по длине швов, так и по поперечному сечению. Однако при расчете фланговых швов коэффициент концентрации не учитывают, так как при переходе к состоянию пластической деформации напряжения в швах выравниваются.
Угловые соединения применяют в связующих элементах и поэтому не подлежат расчету на прочность.
Широкое распространение в машиностроительных конструкциях имеет контактная электрическая сварка - стыковая, точечная и шовная. Однако в строительстве контактная сварка имеет ограниченное применение. Стыковую контактную сварку применяют при изготовлении арматурных каркасов железобетона, конструкций оконных переплетов промышленных зданий, при прокладке магистральных и промысловых трубопроводов. Точечная сварка перспективна при изготовлении решетчатых металлоконструкций, конструкций лестниц, обслуживающих площадок, ограждений, рам небольшого сечения и других аналогичных конструкций.
Основы конструирования сварных соединений
Как уже указывалось выше, при проектировании, изготовлении и монтаже сварных конструкций должны быть соблюдены условия, обеспечивающие механическую, технологическую и конструкционную прочности, высокое качество, надежность и долговечность конструкций, а также их товарный вид. Так как основной вид неразъемных соединений в них - сварка, то указанными выше качественными показателями должны обладать сварные соединения и швы.
Наряду с потребительскими показателями качества, обеспечивающими служебные свойства конструкций, достаточно важны также технологические качественные показатели, проявляющиеся при изготовлении и монтаже конструкций. Они должны обеспечить: возможность повышения производительности труда на сборочно-сварочных работах; применение высокопроизводительных способов сварки, быстродействующих приспособлений и оснастки; возможность производить сварку преимущественно в нижнем положении; свободный доступ к местам наложения швов; снижение до минимума отделочных операций - правки, термической обработки и др.
Ниже приводятся основные правила и требования, предъявляемые к сварным соединениям.
На стадии проектирования. Основные предпосылки высокого качества конструкций закладываются на стадии разработки проекта. Поэтому конструктор должен учитывать в своей работе целый ряд рекомендаций, направленных на повышение прочности конструкций, снижение уровня остаточных напряжений, уменьшение концентраторов напряжений, сведение к минимуму остаточных деформаций.
Необходимо стремиться к уменьшению объема металла, вовлекаемого в пластическую деформацию во время сварочных процессов. Число и размеры сварных швов должны быть минимальны. При проектировании сварных соединений следует выбирать такую технологию сварки, чтобы избежать разделки кромок, выполнять стыковые швы по возможности двухсторонними, так как при той же односторонней сварке количество наплавленного металла - больше. В то же время, как уменьшение объема наплавленного металла в стыковых швах не всегда бывает возможно из конструктивных соображений (нельзя, например, использовать двухстороннюю сварку стыков труб недостаточно большого диаметра и т. д., сечения угловых швов следует принимать по расчету на прочность или в соответствии с рекомендациями о минимальных катетах швов).
С целью снижения массы наплавленного металла следует также по мере возможности максимально использовать в качестве элементов конструкций прокатные профили, сводя к минимуму применение составных сварных сечений. Число деталей в конструкциях следует также по возможности сокращать, уменьшая тем самым объем наплавленного металла. Там, где этого не требуется по условиям прочности, элементы конструкций необходимо приваривать односторонними угловыми швами вместо двухсторонних (например, ребер жесткости в балочных конструкциях).
Для того чтобы уменьшить вредное влияние остаточных деформаций и напряжений на работу сварной конструкции, необходимо избегать сосредоточения большого числа сварных швов в одном месте, не допускать резких перепадов размеров свариваемых сечений, исключать ориентацию швов поперек направления действия растягивающих напряжений.
Сварные стыки отдельных элементов нерационально проектировать с использованием накладок, следует ориентироваться на полное проплавление при двухсторонней сварке или с использованием подкладок или подварки корпя шва. В тех случаях, когда применения накладок невозможно избежать, их выполняют двухсторонними, симметрично располагая относительно оси соединения.
Балочные конструкции следует конструировать таким образом, чтобы моменты, создаваемые усадочными силами, уравновешивали друг друга, что сводило бы к минимуму возможные изгибы балок.
Сварные швы в конструкциях следует размещать таким образом, чтобы передаваемое на сварное соединение усилие лежало на оси, проходящей через центр тяжести соединения. Соблюдение этого условия не дает возможности возникнуть в соединении дополнительному моменту от эксцентриситета приложения силы.
При сварке стыковых соединений деталей неодинаковой толщины стандартами регламентирована наибольшая разность толщин стыкуемых листов, свариваемых без дополнительного скоса кромок.
В этом случае кромки под сварку подготавливают так же, как и для листов одинаковой толщины, причем конструктивные элементы кромок и размеры шва принимают по наибольшей толщине.
Если разность толщин стыкуемых листов превышает регламентированную нормативными документами величину, то на толстом листе выполняют односторонний или двухсторонний скосы. Величина скоса зависит от способа сварки.
Для строительных металлических конструкций СНиПы устанавливают требования к угловым швам в сварных соединениях.
Ограничивают максимальную величину катетов угловых швов. В нахлесточных соединениях размер катета не должен превышать толщины привариваемого (наиболее тонкого) элемента. В тех случаях, когда угловыми швами приваривают прокатный профиль с закругленными кромками полок, катет шва - не более 0,9 толщины полки.
В местах зажигания и обрыва дуги механические свойства швов ухудшаются, поэтому устанавливают минимальную их длину. Для лобовых и фланговых швов максимальную расчетную длину угловых швов, в которых усилие действует на всем протяжении шва, обычно не ограничивают.
Допустимые выпуклости и вогнутости регламентированы стандартами и зависят от способа сварки и пространственного положения шва. Для ручной дуговой сварки металлоконструкций и технологических трубопроводов выпуклость для швов, выполненных в нижнем пространственном положении, не должна превышать 2 мм, а для других пространственных положений - 3 мм. В случае применения сварки под флюсом допускаемая выпуклость зависит также и от катета: при катете до 5 мм выпуклость - до 1 мм, при катете 5-10 мм - 2 мм и при катете более 10 мм - до 3 мм. Для сварки в защитных газах допустимая выпуклость для всех случаев равна не более 3 мм. Допускаемая вогнутость для всех способов сварки, всех пространственных положений не должна превышать 3 мм.
Соотношения размеров катетов обычно принимают 1:1. Однако в конструкциях, работающих в условиях динамических нагрузок, допускают применять швы с соотношением катетов 1:1,5. При этом больший катет располагают вдоль передаваемого швом усилия, но при расчете принимают во внимание меньший катет. Угловые швы с вогнутостью применяют в конструкциях, подверженных динамическим нагрузкам с целью уменьшить концентрацию напряжений.
Площадь поперечного сечения и погонная энергия при однопроходной сварке, а также усадочная сила и поперечная усадка обратно пропорциональны квадрату катета свариваемого шва. Поэтому при ручной дуговой сварке за один проход выполняют шов с катетом, не превышающим 8 мм. В случае большей толщины следует применять многопроходную сварку. Максимально допустимая величина катетов угловых швов 20 мм.
Общие требования к проектированию сварных соединений машиностроительных конструкций остаются в принципе такими же, как и для строительных, однако имеются и некоторые особенности. Наименьшая толщина рабочих угловых швов в машиностроительных конструкциях 3 мм, за исключением случаев, в которых толщина свариваемого металла меньше этой величины. Хотя верхний предел катетов угловых швов не ограничен, применение катетов свыше 20 мм не рекомендуется.
Минимальная длина рабочих угловых швов ограничивается 30 мм, а расстояние между лобовыми швами должно быт.
Способы сварки должны использоваться с минимальными тепловложениями. При этом контактная сварка имеет преимущество перед дуговой, автоматизированная сварка под флюсом - перед ручной, многопроходная дуговая сварка перед однопроходной и т. д. Одновременно следует учитывать структурные изменения, происходящие в металле соединения при сварке и последующем охлаждении, и не превышать допустимые скорости охлаждения металла.
Технология сборочно-сварочных операций должна быть разработана таким образом, чтобы при сварке швов моменты инерции и площади поперечных сечений свариваемых элементов были бы по возможности максимальными. Этим достигается минимальная деформативность конструкции при сварке. Из этого же следует вывод о целесообразности сборки всей конструкции (по возможности) на прихватках с последующей сваркой.
В тех случаях, когда позволяет характер конструкции, следует обеспечивать возможность свободного сокращения элементов при усадке после сварки. Цель этого мероприятия - давая возможность образования местных перемещений предохранить от деформаций всю конструкцию. Следуя этому правилу, например, сварку стыкового соединения листов необходимо выполнять до прикрепления их к другим частям конструкции, нахлесточные соединения в конструкции следует сваривать в последнюю очередь и т. д.
Особенно подвержены деформациям конструкции с тонкостенными элементами, поэтому сварные швы на тонком металле следует располагать на жестких элементах (например, на каркасе) или, если это невозможно, вблизи них.
Нередко, несмотря на принятые меры, конструкция после сварки имеет остаточные недопустимые деформации и требует правки, поэтому как на стадии проектирования, так и на стадии разработки технологического процесса, должна быть предусмотрена возможность правки с минимальными затратами. Например, конструкцию расчленяют таким образом, чтобы каждая из сборочных единиц могла бы быть легко выправлена по отдельности, а затем после сборки сварена в целом с минимальными деформациями. Когда конструкция собирается из нескольких элементов с различной жесткостью, целесообразно выполнять сборку, начиная с наиболее жесткого из них.
Оснастка и приспособления для сборки элементов должны обеспечивать либо ликвидацию (недопущение) временных перемещений, которые не сопровождаются большими усадочными силами, либо надежную фиксацию элементов собираемой конструкции как в процессе сборки, так и сварки.
Один из распространенных методов уменьшения остаточных деформаций - их компенсация на стадии заготовительных и сборочных операций путем создания перемещений, противоположных сварочным. К ним относят, например, сборку свариваемых элементов с переменным по длине зазором; компенсацию угла при сварке односторонних стыковых соединений. Нередко предварительную пластическую деформацию заготовок осуществляют перед сваркой, создавая перемещения, противоположные ожидаемым.
Снижению остаточных деформаций способствуют также меры, направленные на уменьшение остаточных напряжений в сварном соединении. К ним относят подогрев при сварке, проковку и прокатку, приложение нагрузок, а также термическую обработку.
Предварительный и сопутствующий подогрев при сварке изменяет распределение температур в зонах металла, прилегающих к сварному шву, при этом изменяются напряжения, связанные со структурными превращениями; уменьшаются также механические свойства свариваемого металла и градиент температур при сварке, что приводит к уменьшению остаточных напряжений, причем чем выше температура подогрева, тем меньше остаточные напряжения.
Проковку выполняют в процессе сварки по горячему металлу или после полного остывания. Суть процесса проковки заключается в том. что металл осаживается по толщине, при этом происходят пластические деформации в направлениях, перпендикулярных направлению ударов при проковке. Цель процесса - снижение до минимума растягивающих остаточных напряжений. Прокатка зоны сварного соединения преследует те же цели, что и проковка. Прокатку осуществляют при помощи цилиндрических роликов, проковку - механизированным инструментом (электро- и пневмомолотками).
Для уменьшения остаточных напряжений растяжения и усадочной силы используют приложение нагрузок. Эти нагрузки прикладывают таким образом, чтобы создать в зоне сварки растягивающие напряжения. Нагружение можно производить как во время сварки, так и после нее.
В качестве метода термической обработки, используемой для снятия остаточных напряжений, чаще всего используют высокий отпуск. Высокий отпуск может быть: общим, когда нагреву подвергается конструкция в целом; местным, при котором нагреву подвергается часть конструкции, прилегающая к зоне сварного соединения; а также поэлементным и поэтапным. В монтажных условиях широкое применение находит местный высокий отпуск сварных соединений трубопроводов, однако в последнее время проявляется тенденция к использованию общего высокого отпуска для снятия остаточных напряжений в сферических резервуарах.
Повышению усталостной прочности сварных конструкций и соединений способствует максимально возможное снижение влияния концентраторов напряжений на прочность. Один из основных приемов - обеспечение плавных переходов от наплавленного металла к основному, что обеспечивается, например, механической обработкой сварных деталей, обработкой сварных швов аргоно-дуговой сваркой вольфрамовым электродом. Кроме того, повышению усталостной прочности сварных соединений способствует проковка и прокатка сварных соединений. Высокий отпуск не дает эффекта для конструкций, работающих в условиях динамических нагрузок, так как устраняя остаточные сварочные напряжения, отпуск одновременно изменяет механические свойства металла, в частности предел текучести.