Файл: Майзель В.С. Сварные конструкции учебник.pdf

Т а б л и ц а 3.8. Эффективный коэффициент концентрации напряжений ß для сварных соединений впритык

(сталь марки М16С)

статической нагрузке для этого соединения обеспечено. Это свиде­ тельствует о том, что концентрация напряжений в сечении по швам является более высокой, чем в сечении по основному металлу, расположенному у границы швов.

При разрушении по швам наиболее опасным сечением оказы­ вается сечение, расположенное под углом 45° по отношению к на­ правлению действия растягивающего усилия. Разрушение по швам начинается от участков, расположенных в корне шва, в ко­ торых напряжения имеют более высокое значение.

Повышение глубины провара увеличивает толщину рабочего сечения угловых швов и снижает в них напряжение. При этом опасность проявления концентрации напряжений несколько сни­ жается и при некоторой определенной глубине провара прочность в сечении по сварным швам может быть обеспечена не в меньшей степени, чем по основному металлу.

Применение скоса кромок обеспечивает возможность осуще­ ствления сварного соединения с проваром по всей толщине эле­ ментов. В этом случае условия распределения напряжений в со­ единении улучшаются и концентрация напряжений в нем несколько снижается. И хотя в этом случае разрушения происходят также по границе швов, все же значения предела выносливости оказы­ ваются более высокими, чем для соединений впритык без раз­ делки кромок.

Снижение концентрации напряжений в сварном соединении впритык, достигаемое применением местной механической обра­ ботки участков перехода от швов к основному металлу, приводит к дальнейшему повышению предела выносливости. В этом случае при наличии сквозного проплавления удается получить сварное соединение, которое по своей вибрационной прочности не уступает образцу из основного металла, не имеющему концентраторов на­ пряжения. Разрушения сварных образцов, имеющих местную об­

работку, во всех случаях происходили по основному металлу вдали от швов.

Разрушения клепаных соединений впритык происходят в боль­ шинстве случаев из-за отрыва головок заклепок при весьма низ­ ких значениях вибрационной прочности.

В случае применения низколегированной стали, более чув­ ствительной к концентрации напряжений, вибрационная проч­ ность сварных соединений впритык почти не повышается и остается примерно на уровне вибрационной прочности аналогичных соединений из малоуглеродистой стали. Применение местной обра­ ботки поверхности перехода от шва к основному металлу и в этом случае позволяет достигнуть равнопрочности сварных соединений с основным металлом.

При проектировании конструкций выбор типа сварных соеди­ нений впритык следует производить с учетом различий в их вибра­ ционной прочности. Менее прочными при работе на растяжение являются соединения, в которых не обеспечен провар по всей толщине основных элементов. Поэтому применение этих соедине­ ний рационально в мало напряженных участках.

В табл. 3.9 приведены результаты испытания вибрационной нагрузкой образцов с ребрами жесткости.

Т а б л и ц а 3.9. Эффективный коэффициент концентрации напряжений ß для образцов с поперечными ребрами

(сталь марки М16С)

Испытания показали, что характер разрушения и значение пределов выносливости образцов с ребрами жесткости также за­ висит от их конструктивного оформления. Все образцы, в которых ребра были приварены двусторонними швами, разрушались в ме­ сте перехода от листа к угловым швам.

Образцы, в которых ребра были приварены односторонними швами, начинали разрушаться от корня шва.

Предел выносливости образцов с одиночными ребрами ока­ зался несколько выше, чем у образцов с парными ребрами. Это связано с благоприятным влиянием местного изгиба, разгружаю­ щего переход от шва к основному металлу.

Результаты испытания сварных нахлесточных соединений приведены в табл. 3.10.

Т а б л и ц а 3.10. Эффективный коэффициент концентрации напряжений ß для сварных нахлесточных соединений

(сталь марки М16С)

Эти результаты свидетельствуют об очень низкой вибрацион­ ной прочности сварных нахлесточных соединений, многие из ко­ торых уступают даже вибрационной прочности клепаных соеди­ нений.

Самая низкая вибрационная прочность наблюдается у соеди­ нений с боковыми швами. Разрушение таких соединений всегда происходит в сечении по основному металлу, расположенному у концов сварных швов. Это объясняется наиболее значительной концентрацией напряжений в этом сечении. Максимальные на­ пряжения имеют место в точках, расположенных у концов швов. Именно здесь и начинаются разрушения.

Соединения с лобовыми швами также характеризуются низкой вибрационной прочностью, хотя она и несколько выше, чем в слу­ чае нахлесточного соединения с боковыми швами. Разрушение соединения с лобовыми швами всегда происходит по основному металлу и начинается в наиболее перенапряженных точках, рас­ положенных на границе лобовых швов. Применение швов с раз­ ными катетами, несколько снижает концентрацию напряжений соединения и повышает его вибрационную прочность. Однако эта мера является малоэффективной. Даже применение механической обработки поверхности сварных соединений в месте перехода от швов к основному металлу не может должным образом снизить концентрацию напряжений и повысить вибрационную прочность. Результаты исследований Б. Н. Дучинского показали, что только в случае, когда толщина накладок 'будет увеличена в два раза по сравнению с требуемой по условиям их прочности, а размеры сварных швов будут увеличены до соотношения катетов 1 : 3,8 и когда, кроме того, будет обеспечен плавный переход дополнитель­ ной механической обработкой, только тогда вибрационная проч­ ность сварного нахлесточного соединения может быть повышена до уровня вибрационной прочности основного металла. Но в этом

случае полностью пропадает основное преимущество сварного нахлесточного соединения (простота его изготовления), а поэтому применение всех перечисленных мер вряд ли может быть при­ знано целесообразным.

Низкие характеристики вибрационной прочности нахлесточных соединений могут служить объяснением причин появления преждевременных разрушений некоторых сварных конструкций, воспринимающих переменные нагрузки (мостовых кранов, под-

Рис. 3.21. Диаграмма значений пределов выносливости для различных соединений из малоуглеродистой стали

крановых балок, пролетных строений железнодорожных мостов и т. п.), в которых эти соединения иногда допускались в сильно напряженных участках главных элементов конструкции. Опыт эксплуатации таких конструкций послужил основанием для того, чтобы отказаться от применения нахлесточных соединений в от­ ветственных узлах и допускать их только для второстепенных слабо нагруженных узлов сварных конструкций (для связей и других вспомогательных элементов).

На рис. 3.21 дана общая оценка вибрационной прочности раз­ личных сварных соединений, составленная на основании приве­ денных выше данных.

Штриховыми линиями отмечены уровни пределов выносливости основного металла и клепаного соединения с накладками.

§ 13. МЕРЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

При использовании результатов испытаний сварных соедине­ ний ударной и вибрационной нагрузками следует иметь в виду, что они не всегда в полной мере отражают реальные условия ра­ боты конструкций и что критерии прочности сварных соединений при динамической нагрузке в ряде случаев окончательно еще не установлены.

Поэтому для сварных соединений целесообразно применять метод сравнительной оценки, сопоставляя отдельные характери­ стики их динамической прочности с соответствующими характе­ ристиками, полученными для некоторых эталонных образцов.

В качестве таких эталонов, с одной стороны, может быть при­ нято клепаное соединение, которое достаточно полно проверено многолетним опытом эксплуатации различных конструкций. Ха­ рактеристики динамической прочности клепаного соединения могут быть приняты в качестве некоторых минимально допустимых пределов. С другой стороны, в качестве эталона может быть при­ нят образец из основного металла. Характеристики динамической прочности образца из основного металла следует рассматривать в качестве некоторого верхнего предела.

Производя оценку динамической прочности различных сварных соединений и узлов по вышеуказанным крайним пределам, можно установить оптимальные формы сопряжений, а также наметить пути их дальнейшего совершенствования.

Многообразие форм сварных соединений предоставляет боль­ шие возможности для создания конструкций, которые являются более совершенными, чем клепаные конструкции, и превосходят их по работоспособности.

При оценке прочности различных по форме сварных соеди­ нений необходимо учитывать концентрацию напряжений и ее влияние на прочность в зависимости от вида нагрузки.

Для наиболее характерных в сварных конструкциях соедине­ ний встык и впритык коэффициенты концентрации напряжений значительно ниже, чем для клепаных соединений. Для сварных соединений внахлестку, а также для некоторых других отдельных случаев сопряжения коэффициент концентрации напряжений мо­ жет быть более высоким.

При статических и ударных нагрузках процесс разрушения сварных соединений из малоуглеродистых и низколегированных сталей сопровождается значительными пластическими деформа­ циями, поэтому в этих условиях концентрация напряжений, за исключением некоторых особых случаев, на прочность влияния не оказывает.

При действии статической нагрузки в условиях нормальных температур в конструкциях могут быть использованы все обычные формы сварных соединений, в том числе и сварные соединения