Зварні зєднання -посібник

проектування, застосуванням маніпуляторів та інших пристроїв, які дозволяють кантувати конструкцію, розташовуючи її в зручному положенні для зварюван- ня. При зварюванні у вертикальній площині метал зварювальної ванни під дією ваги стікає донизу і задо вільного формування шва можна досягти тільки при невеликих обсягах зварювання. В цих умовах застосовують ручне зварювання покритими електродами діаметром не більш як 4 мм, а також механізоване зва- рювання в захисному газі або без додаткового захисту -дротом діаметром не більш як 1,4 мм.

Найскладніша техніка виконання швів у стельовому положенні. Перене- сення металу з електрода до зварювальної ванни відбувається знизу догори (проти сили тяжіння), що перешкоджає нормальному формуванню шва. В цьо- му випадку зварювання найчастіше виконують вручну, але можливе застосу- вання напівавтоматів. Взагалі стельового положення слід уникати, що звичайно враховують при проектуванні.

Стосовно переривчастих швів зауважимо, що останні використовуються лише у з'єднаннях з кутовими швами. У з'єднаннях з двобічними швами відріз- ки переривчастих швів (шпонки) розміщуються один проти одного або в шахо- вому порядку.

Початок і кінець будь-якого шва мають непровар та кратер, тому ці ді- лянки (їх довжина приблизно по 5мм), вважають дефектними. Враховуючи цю обставину, при визначенні розрахункової довжини зварного шва його фізич- ний розмір (геометричну довжину) зменшують у відповідності з вимогами дію- чих норм [1].

2.2. Види зварних з'єднань

За допомогою електродугового зварювання виконують такі головні види з'єднань: стикове, кутове, таврове, внапуск (рис. 2.9) та комбіноване

(рис. 2.10).

Стикові з'єднання виконують за допомогою стикових швів. Вони є оп- тимальними за витратами матеріалу та умовами роботи під навантаженням. Їх

13

застосовують у балках різних профілів, елементах ферм, колонах будівель, ре- зервуарах, газгольдерах, бункерах, силосах, трубопроводах тощо. Особливо

в

г

д

е є ж Рис. 2.9. Види зварних з'єднань: а, б - стикові відповідно з прямим та косим

швом; в - торцеве; г - внапуск; д – внапуск з використанням накладок; е – кутове з кутовим швом; є - кутове із стиковим швом; ж – таврове; 1- фланговий кутовий шов; 2 – лобовий кутовий шов; 3 – косий лобовий шов

доцільні вони в листових конструкціях, оскільки забезпечують найменшу кон-

14

центрацію напружень, економічні, зручні для фізичних методів контролю якос- ті, герметичності швів.

Рис. 2.10. Комбіноване з'єднання із застосуванням стикових та кутових швів

В конструкціях широко застосовують з'єднання внапуск. Вони не потре- бують великої точності при підготовці кромок та складанні з'єднань, але недо- цільні при експлуатації в агресивних середовищах, бо потребують спеціальних заходів щодо захисту від корозії. На відміну від стикових у кутових швах на- пруження розподіляються нерівномірно, що підвищує можливість їхнього кри- хкого руйнування, особливо при змінних та динамічних навантаженнях. З'єд- нання внапуск утворюють за допомогою кутових швів і використовують у бі- льшості монтажних стиків та досить часто у заводських умовах. Для цього виду з'єднання допускаються менші точності виготовлення деталей та спрощується виконання. На відміну від стикових з'єднанням внапуск властиві значні концен- трації напружень, які підвищують можливість їхнього крихкого руйнування і тому негативно впливають на роботу цих з'єднань при динамічних навантажен- нях. При статичних навантаженнях і використанні пластичних сталей не- гативний вплив концентрацій напружень у кутових швах незначний.

Різновидністю з'єднань внапуск є з'єднання з накладками (рис. 2.9, г, д), які використовуються для елементів, розміщених в одній площині. Можливі комбіновані з'єднання, у яких стикові шви застосовуються разом з кутовими (рис. 2.10), або мають місце тільки кутові шви: лобові та флангові.

Таврові та кутові з'єднання використовують для скріплення взаємно

15

перпендикулярних елементів, наприклад, поясних швів балок і колон, приєд- нання ребер тощо. Такі з'єднання можуть бути з повним і неповним проплав- ленням товщини. При статичних навантаженнях проектують неповне проварю- вання, бо проплавлення всієї товщини ускладнює процес зварювання і зумов- лює його подорожчання. Повне проплавлення передбачають лише у достатньо обґрунтованих випадках, наприклад, у поясних з'єднаннях підкранових балок, оскільки непровар у корені шва є концентратором напружень і зумовлює знач- не зниження втомної міцності металу шва.

Застосування у будівельних конструкціях прорізних швів, електрозак- лепок і переривчастих швів обмежене. Їх можна використовувати у несучих конструкціях, на які не впливають рухомі чи вібраційні навантаження та розтя- гувальні зусилля, а також у допоміжних елементах. Відстань між переривчас- тими швами не повинна перевищувати 15t у стиснених і 30t у розтягнених не- робочих елементах ( t − найменша товщина з'єднуваних елементів).

Якість зварних швів обов'язково контролюють. Методи контролю регла- ментовані у частині III „ Будівельних норм і правил" на виконання і приймання робіт.

2.3. Деформації та напруження зварних з'єднань

Нерівномірність нагріву виробу при зварюванні, неодночасність появи об'ємних ефектів структурних перетворень, різниця між фізичними властивос- тями зварювальних матеріалів та основного металу викликає інтенсивний роз- виток деформацій у пришовній зоні. Великі розміри виробу (відносно малої зо- ни з'єднання) перешкоджають вільному поширенню цих деформацій, внаслідок чого під час зварювання виникають напруження і пластичні деформації частини металу з'єднання, які залишаються і після його охолодження.

Зварювальні напруження не пов'язані з дією зовнішніх навантажень, вони є власними, внутрішніми напруженнями, що врівноважуються в елементі, ви- кликаючи його деформування. Серед багатьох можливих формозмін зварюва- них елементів можна виділити декілька найбільш характерних видів, які вияв-

16

ляються або окремо, або в певних комбінаціях один з одним. До них слід відне- сти зміни, викликані поперечною (рис. 2.11, а) або поздовжньою (рис. 2.11, б) усадкою, поворотом одного елемента відносно іншого (рис. 2.11, в), скорочен- ням довжини поздовжніх швів балок (рис. 1.10,г), кутовими деформаціями (рис. 2.11, д), жолобленням, пов'язаним з втратою стійкості тонких елементів (рис. 2.11, е), корсетністю (стягуванням) тонкостінних трубчастих елементів у місцях кільцевих швів (рис. 2.11, є) тощо.

Рис. 2.11. Типові випадки формозміни зварювальних деталей: а - від поперечної усадки; б - від поздовжньої усадки; в - від повороту одного елемента відносно іншого; г - деформації вигину балок від поясних швів; д - від кутових деформацій; е - жолоблення; є - корсетність у зоні кільцевих швів тонкостінних оболонок обертання

У будь-якій точці шва зварювальні напруження виникають у різних на- прямках відносно поздовжньої осі шва (вздовж та поперек осі, а також по тов- щині зварюваного елемента). Але поздовжні деформації є найбільшими, що до- зволяє в багатьох випадках розглядати лінійний напружений стан для більшості з'єднань. Теоретично описати цей стан досить складно, тому зазвичай обмежу- ються експериментальним визначенням їхнього впливу на міцність з'єднання.

Зварювальні напруження, що мають лінійний характер, практично не впливають на міцність з'єднання. Якщо напруження від зовнішнього наванта- ження збігаються за напрямком зі зварювальними, то останні будуть збільшу-

17

вати або зменшувати сумарні напруження без порушення їхньої рівноваги. У першому випадку це викликає передчасну появу місцевої текучості, яка сприяє вирівнюванню нерівномірного розподілу напружень. Пластична робота матері- алу при цьому знижує зварювальні напруження, і після першого розвантаження матеріал починає працювати пружно.

Наявність зварювальних напружень у двох або трьох напрямках пере- шкоджає розвитку пластичності і може викликати крихке руйнування з'єднан- ня. При цьому несприятливий вплив зварювальних напружень посилюється наявністю концентраторів напружень внаслідок дефектів швів.

Необхідність регулювання рівня залишкових напружень у зварних конс- трукціях, які згідно з нормами проектування не враховуються при розрахунках, викликала розроблення певних конструктивних та технологічних заходів, що запобігають можливим формозмінам конструкцій від зварювальних напружень. При проектуванні необхідно обмежувати насамперед кількість зварних з'єднань за рахунок використання великорозмірного листового та профільного прокату. Розміщення зварних з'єднань у конструкції, їхнє конструювання повинні запо- бігати виникненню об'ємного напруженого стану в пришовній зоні, зменшенню концентрації напружень при різких змінах перерізів елементів тощо.

Проте конструктивні заходи сприяють зменшенню деформацій формо- зміни, але не знижують рівень залишкових зварювальних напружень. Цього можна досягти за рахунок раціонального вибору послідовності складання і зва- рювання конструкцій, а також режиму зварювання, що забезпечує якісне фор- мування швів. У відповідних випадках під час виготовлення конструкцію під- дають додатковим силовим та термічним діям, за допомогою яких можна регу- лювати рівень зварювальних напружень у широких межах, виконуючи їх до зварювання, під час або після закінчення процесу з'єднання. Ці заходи вимага- ють великих витрат, які іноді перевищують вартість виготовлення конструкції.

18

2.4.Розрахункові опори зварних швів

Узварних з'єднаннях напружено-деформований стан визначається не тільки характером зовнішнього навантаження конструкції, але й геометричною та фізичною неоднорідністю в пришовній зоні, а також залишковими зварю-

вальними напруженнями та деформаціями. Геометрична неоднорідність має місце при наявності різних розмірів зварюваних елементів та дефектів швів, фі- зична є наслідком різниці механічних властивостей металу шва та елементів з'єднання, що обумовлено мікроструктурними змінами, які відбуваються під впливом теплових та металургійних процесів зварювання. Особливо це харак- терно для з'єднань з кутовими швами. Для зниження впливу фізичної неоднорі- дності співвідношення міцності основного металу та зварного шва регулюється вибором зварювальних матеріалів.

Таким чином, міцність зварних з'єднань залежить від міцності основного металу з'єднуваних елементів та наплавленого металу, форми з'єднання та виду швів, характеру напруженого стану, зумовленого дією зовнішніх зусиль (роз- тяг, стиск, згин, зріз) та якості шва (способу зварювання).

Стикові шви працюють під дією осьових зусиль, а іноді згину та зрізу. З'єднання такими швами застосовують у відповідальних випадках, тому їхня міцність не повинна поступатися міцності основного металу при статичному навантаженні. Виходячи з того, що граничний стан конструкції і зварного сти- кового з'єднання збігаються, згідно з вимогами норм розрахункові опори стико- вих швів, які можуть бути виконані усіма способами дугового зварювання, за умови правильного вибору зварювальних матеріалів, наявності повного прова- ру та при високій якості швів приймають такими, що дорівнюють розрахунко- вим опорам основного металу, тобто

Ця рівність є умовою рівноміцності металу з’єднання і металу з’єднуваних елементів. Вона завжди має місце при роботі з'єднання на стиск,

оскільки стиснуті шви практично нечутливі до концентрації напружень, а та- кож, на розтяг або згин при автоматичному, напівавтоматичному та ручному

19

зварюванні, але лише за умови забезпечення контролю якості швів фізичними методами. За відсутності такого контролю слід приймати понижене значення розрахункового опору стикового шва на 15%: R ωy (2.2)

Якщо в з’єднувальних елементах конструкції допускається розвиток пла- стичних деформацій, то і з'єднання проектують з урахуванням його пластичної роботи. У цьому випадку для стиску, а також для розтягу та згину за умови ви- конання фізичного контролю якості шва, розрахунковий опір стикового шва за тимчасовим опором R ωu приймають рівним значенню розрахункового опо-

ру сталі за її тимчасовим опором R u , з якої виготовлено з’єднувальні елементи.

При роботі стикового шва на зсув (зріз) приймають:

тобто при даному виді напруженого стану завжди маємо умову рівноміцності металу з’єднання і металу з’єднуваних елементів.

Граничним станом з'єднань з кутовими швами є їхнє руйнування, яке ві- дбувається як по металу шва, так і по межі сплавлення шва з основним мета- лом (рис. 2.10). Руйнівні напруження при цьому не залишаються сталими, а за- лежать від виду навантаження діючими зусиллями та орієнтації шва відносно осі їхньої дії. Вони визначаються складними напруженими станами, які на сьо- годнішній день теоретично ще не до кінця вивчені. У нормах проектування [1] для спрощення практичних розрахунків з’єднань з кутовими швами прийнято експериментально обґрунтований, еквівалентний за несучою здатністю, спро- щений вид напруженого стану, що має назву умовного зрізу. При цьому розра- хункові опори умовному зрізу встановлені для двох розрахункових перерізів шва - по металу шва та по металу межі сплавлення (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Розрахункові перерізи зварного з'єднання з кутовим швом:

1 - переріз по металу шва; 2 - переріз по металу межі сплавлення

20

З метою забезпечення однакових несучих здатностей швів, визначених для двох розрахункових перерізів (рис. 2.12), необхідно вибирати зварювальні матеріали таким чином, щоб дотримати певне співвідношення розрахункових опорів R ωf та R ωz . Для елементів, виготовлених із сталей з σy ≤ 285 МПа, ця

умова виконується, якщо при автоматичному та напівавтоматичному зварю-

Коефіцієнти βf та βz враховують вплив глибини проплавлення шва на несучу здатність кутового шва (рис. 2.13). Коефіцієнти βf зв’язують між собою

розрахункові параметри hi (рис. 2.6) з розмірами катетів швів. В свою чергу ці параметри відіграють роль ширини розрахункової площі шва умовному зрізу в перерізі 1 - 1 (рис. 2.12, 2.13).

Рис. 2.13. До визначення ширини розрахункової площі умовному зрізу кутового шва в розрахункових перерізах відповідно за наплавленим металом 1 - 1 та за межею сплавлення 2 - 2

Коефіцієнти βz також зв’язують між собою розмір ширини розрахункової площі умовному зрізу кутового шва з розміром його катета в розрахунковому перерізі за межею сплавлення 2 – 2 ( рис. 2.12, 2.13).

22