1.3. Расчет сварных швов на прочность

Прочность сварного соединения должна быть не ниже прочности основного металла. Величина расчетных сопротивлений (напряжений) регламентируется нормами, установленными для тех или иных конструкций, в зависимости от их назначения, применяемого металла, условий работы, методов контроля и пр.

Расчетное напряжение всегда ниже предела текучести данного металла.

Расчет стыковых соединений. Швы этих соединений работают на растяжение или сжатие в зависимости от направления действующей нагрузки. Основным критерием работоспособности стыковых швов является их прочность Соединение разрушается в зоне термического влияния и рассчитывается по размерам сечения детали по напряжениям, возникающим в материале детали..

Условие прочности:

σ'_р = F/δl_ш ≤ [σ']_р ,

где: σ'_р, [σ']_р — расчетное и допускаемое напряжения на растяжение для шва;

F — нагрузка, действующая на шов;

δ — толщина детали (толщину шва принимают равной толщине детали);

lш — длина шва.

Расчет угловых швов. Угловые швы, иногда называемые валиковыми швами. Обычно сечение шва представляет собой равнобедренный прямоугольный треугольник. Катет шва (k) обычно назначают равным (иногда несколько меньше) толщине привариваемого элемента; при этом швы толщиной k < 3 мм. применяют лишь для ненагруженных соединений или при сварке элементов малой толщины. Швы большой толщины применять нецелесообразно; практически k < 20 мм.

Условие прочности:

τ^'_ср = F/0,7kl_ш ≤ [τ']_ср ,

где , τ^'_ср— расчетное (условное) напряжение по опасному (биссекторному) сечению;

[τ']_ср — допускаемое напряжения среза для шва;

lш — длина шва;

F — нагрузка, действующая на шов.

Расчет точечных сварных соединений. Для сваривания тонкостенных листовых конструкций часто используются точечные сварные соединения. Такие соединения проверяют на срез.

Условие прочности имеет вид:

τ^'_ср = 4F/πd²z ≤ [τ']_ср ,

где d – диаметр сварных точек;

z – число сварных точек.

Расчет тавровых швов. Наиболее характерные случаи нагружения тавровых швов которые могут встречаться также и в комбинациях:

1. Нагрузка моментом в плоскости шва, расчет шва проводится на кручение в кольцевом сечении, расположенном под углом 45° к основанию шва:

τ = Мк*R/J_p ≤ [τ'] ,

где J_p - полярный момент инерции расчетного сечения;

J_p = 0,1(D⁴ – d⁴) - если привариваемая деталь круглая (шов круглый кольцевой).

J_p = J_у – J_z; J_z = 2(0,7kН³/12); J_у = 2(В/2)²*0,7kН - если сечение шва не круглое (В и Н – размеры привариваемой детали).

R - расстояние до наиболее удаленного от центра волокна, сечения шва;

[τ'] - допускаемое напряжение кручения для наплавленного металла шва.

2.Внецентренно приложенная нагрузка или нагрузка моментом. Нагрузка состоит из изгибающего момента M = M₀ или M = P•l и перерезывающей силы Р (при нагрузке только моментом M₀ перерезывающая сила отсутствует). Шов рассчитывается на изгиб и срез, но не по нормальным, а по касательным напряжениям в наклонных сечениях под углом 45° к основанию шва.

Полное касательное напряжение равно векторной сумме напряжений от момента и перерезывающей силы τ_р.

τ_m = Pl/2*(0,7КН²; τ_р = Р/2*0,7КН

Для расчёта самых сложных сварных швов сначала необходимо привести силу и момент к шву и распределить их пропорционально несущей способности (длине) всех простых участков.

Расчет сварных швов тонкостенных оболочек. Тонкостенной осесимметричной называется оболочка, имеющая форму тела вращения толщина, которой мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхности. Принято считать оболочки тонкостенной, если её толщина меньше 0,05 характерного радиуса. К тонким оболочкам могут быть отнесены такие часто встречающиеся элементы конструкций как резервуары, цистерны, газовые баллоны, корпуса аппаратов химических агрегатов и др.

При расчете таких элементов конструкций используется так называемая безмоментная теория оболочек. В соответствии с напряжениями, действующими в оболочке, такие же напряжения должны воспринимать и сварные швы, соединяющие отдельные части оболочки.

При равномерном внутреннем давлении p действует напряжение σ в направлении перпендикулярном поверхности (стыковые швы обечайки), которое определяется по формуле:

σ' = р•r/δ ≤ [σ']_р

Для сосудов давления сила, действующая на крышку, равна силе от внутреннего давления, действующего на крышку

F = (πD²/4)•p

Таблица 1.3. Допускаемые напряжения [σ']_р и [τ']_ср для сварных соединений деталей

Тип шва	Род усилия	Вид сварки
		Ручная, электроды Э42
		Без обработки	Подварка со стороны проплава	Автоматическая, полуавтоматическая, электроды Э42А
Стыковые	Растяжение	0,8[σ]р	0,9[σ]р	[σ]р
	Сжатие	0,9[σ]р	[σ]р	[σ]р
Угловые	Срез	0,6[σ]р	0,65[σ]р	0,65[σ]р

Примечание. [σ]_р – допускаемое напряжение в основном металле при растяжении.

[σ]_р = σ_т / [S],

где σ_т – предел текучести основного материала;

[S] – допускаемый коэффициент запаса прочности ([S] = 1,35…1,7, большие значения для легированных сталей).