Металлические конструкции

г) поры – области,  заполненные газом,  выделяющимся в процессе сварки; 

Т а б л и ц  а   4.1. Виды сварки в зависимости  от толщины шва (двусторонняя

или с подваркой корня) 

 
 
 
 

     д) горячие трещины – разрушение металла шва при температурах близких

к   температурам   солидуса.    Горячие    трещины    представляют           собой

межкристаллитное  или межзеренное разрушение. При попадании в трещину воздуха, поверхность ее покрывается темными оксидами коричнево-синеватого цвета. Горячие трещины появляются тогда, когда металл шва не набрал  еще  способности  сопротивляться  развитию  деформаций.

     е) холодные трещины наблюдаются после охлаждения сварного соединения. Характерной особенностью этих трещин является блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления. Образованию холодных трещин способствует изменение структуры металла в результате сварки, насыщения металла шва водородом из атмосферы сварочной дуги, а в некоторых случаях, основного металла в результате процесса термодиффузии, а также наличие напряжений, включая сварочные напряжения.  Сварочные  напряжения   приводят  к   образованию     холодных

    

                                              

Рис. 4.3. Виды сварных соединений

а – стыковые; б  – внахлестку; в  – комбинированные; г –угловые; д  – тавровые; 1 –  лобовые; 2 – фланцевые  швы; 3 – косой  шов 
 

трещин  после сварки до нагружения конструкции эксплуатационными нагрузками  и  даже  до  монтажа.

     Все дефекты снижают работоспособность конструкции, так как являются концентраторами напряжения, однако, при определенных размерах, форме, числе и расположении сварных швов в соединении работоспособность конструкции может быть обеспечена в соответствии с заданными условиями эксплуатации (вид нагружения – статическое или циклическое, температура эксплуатации и т.п.). Особо важную роль играют выбранные методы контроля  качества  сварных соединений и тщательность их выполнения.

     При сварке конструкций наблюдаются  как продольная (вдоль линии шва), так и поперечная (перпендикулярно  шву) усадки, в результате чего  форма конструкции искажается  по отношению к исходному состоянию  (или проектному).  Это  явление  называется  короблением.

     Чтобы избежать коробления конструкции,  при изготовлении применяют ряд  мероприятий. Мероприятия могут  быть предварительными, сопутствующими  и  последующими,  т.е.   проводятся  после  сварки.

     К основным мероприятиям относятся следующие:

     увеличение жесткости путем специальных  закреплений свариваемых элементов  (кондукторы,  кассеты  и   т.п.);

     создание  деформаций  обратного   знака до сварки (обратный выгиб  и т.п.);

     пластическое деформирование обратного знака (растяжение металла шва и около  шовной  зоны – прокатка,  проколачивание  и  т.п.);

     местный подогрев, применяемый обычно  с целью уменьшения неравномерности   распределения   температуры   при  сварке;

     применение правильного порядка сварки; при выполнении ряда швов первыми следует делать швы, расположенные ближе к центру тяжести сечения свариваемого элемента, например, в несимметричном двутавре первой  должна  привариваться  к  стенке  полка  большого  сечения;

     механическая  правка  деформированных  изделий. 
 

3. Конструирование и работа сварных  соединений

 

     При проектировании сварных соединений  необходимо учитывать их неоднородность, определяемую концентрацией напряжений, изменением механических характеристик  металла и наличием остаточного и напряженно-деформированного  состояния.

      Хорошо сваренные встык соединения  имеют небольшую концентрацию  напряжений от внешних сил,  поэтому прочность таких соединений  при растяжении или сжатии  зависит от прочностных характеристик основного металла и металла шва. Разделка кромок соединяемых элементов не влияет на статическую  прочность  соединения  и  может  не  учитываться.

      Сварной шов в начале и конце,  насыщен дефектами (в силу неустановившегося  теплового режима сварки), поэтому начало и конец шва следует выводить на технологические планки (рис.4.4,а,б), после окончания сварки  и остывания шва эти планки  удаляются.  В случае  невозможности

вывести концевые участки шва на технологические  планки расчетная длина шва  будет  меньше  его  фактической  длины.

      Гарантировать допустимые величину  и число дефектов в сварном  соединении на его участке  затруднительно, поэтому необходим  контроль качества  соединения.  Надежными  методами  контроля  являются физические

методы (ультразвук, рентгеновское просвечивание, просвечивание гамма лучами). При невозможности (или затруднительности) использования физических методов контроля стык проектируют косым (ось шва наклонена к оси элемента под углом 60⁰, что обеспечивает достаточную прочность соединения,  рис.4.4,б).

     С помощью угловых швов выполняются  различные виды соединений в  металлических  конструкциях:  тавровые,  в угол,  внахлест.

     Соединения внахлестку выполняются  угловыми швами; они могут быть  как фланговыми,  так  и  лобовыми.

     В соответствии с характером  передачи усилий фланговые швы работают одновременно на срез и изгиб. Разрушение шва начинается с конца и происходит как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления, особенно  если  наплавленный  металл  прочнее  основного.

     Лобовые швы передают усилия достаточно равномерно по ширине элемента,  но  крайне  неравномерно  по  толщине шва,  вследствие     резкого

искривления силового потока при переходе усилия с одного элемента на другой,    особенно,    напряжения    велики    в    корне    шва.    Уменьшение

концентрации  напряжения можно достичь плавным  примыканием привариваемой детали, механической обработкой (сглаживанием) поверхности шва и конца, увеличением  полости шва (например, шов с соотношениями катетов 1:1,5), применением вогнутого шва и увеличением глубины проплавления. Эти приемы желательно применять в конструкциях, работающих  на  переменные  нагрузки  и  при  низкой  температуре.

     Разрушение лобовых швов происходит  так же как фланговых по одному из двух  сечений  (металлу  шва  или  по  металлу  сплавления).

  
 

4. Расчет  сварных соединений

 

      При расчете сварных соединений  необходимо учитывать вид соединения, способ сварки (автоматическая, полуавтоматическая, ручная) и сварочные материалы,  соответствующие  основному   материалу конструкции  (табл. 4.2).

      Расчет стыковых сварных соединений при действии осевой силы , проходящей через центр тяжести соединения, выполняют по формуле 

                           

. Отсюда                                              (4.1) 

где - наименьшая из толщин соединяемых элементов; - расчетная длина шва, равная полной его длине, уменьшенной на , или полной  его длине, если концы шва выведены за

пределы стыка (например, на технологические  планки, см. рис.4.4,б); - расчетное сопротивление стыковых сварных соединений по пределу текучести (см.СНиП II-23-81*, прил.5);   - коэффициент   условия   работы. 

 

Рис. 4.4. Виды сварных стыковых соединений

а – прямой стык; б  – косой стык; в, г – при разной ширине соединяемых  элементов;

      д, е – при  разной толщине  соединяемых элементов;  ж – однослойный  с подваркой корня; 1 – технологические  планки; 2 – подварочный шов 
 

      При отсутствии физических методов  контроля расчетное сопротивление  металла  сварного  соединения  по  нормам  составляет  .

     Чтобы соединение было равнопрочным  основному элементу, длина шва  должна быть больше размера “b” (рис.4.5), поэтому в соединении применяют косой шов, который выполняют с наклоном реза при . Такой шов равнопрочен с основным металлом и не требует проверки прочности. При действии  сдвигающей силы Q на стыковой шов, в шве возникают срезывающие напряжения  .

      Расчетное сопротивление при  сдвиге соединения  , где - расчетное сопротивление основного металла на  сдвиг.

   Если расчетное сопротивление  металла шва в стыковомсоединении меньше расчетного сопротивления основного металла, проверку выполняют     по  сечению  металла  шва. 
 

Т а б л и ц  а 4.2. Материалы для  сварных соединений стальных конструкций