Соединения элементов алюминиевых конструкций и их особенности

01.06.2020

Сварные соединения. Сваркой плавлением соединяются чистый алюминий и легированный, т. е. сплавы всех композиций, но без упрочнения их старением или нагартовкой. Прочность сварных соединений из таких сплавов независимо от химического состава близка к прочности металла (рис. 22, а).

После термической обработки сваркой могут быть соединены между собой детали из сплавов: 1915, 1920, AB, АД31, АД33, АД35 и после нагартовки — АМц и магналии всех марок. Свариваемые детали могут быть из материала одной конструкционной марки или разных. Прочность сварных соединений из сплавов, упрочненных термической обработкой и нагартовкой, ниже прочности основного металла. Величина ослабления прочности в зоне сварного шва зависит от марки сплава и термического цикла, которому подвергается металл при сварке.

Под влиянием нагрева сварочной дугой в металле происходят процессы, сопровождаемые фазовыми превращениями. В зависимости от химического состава сплава при сварке наблюдается полный отжиг (рис. 22, б—г) металла околошовной зоны (АМг6БН, АВТ, АД31Т, АД35Т1) или самозакаливание его (1915Т, 1920Т). Полный отжиг сопровождается значительным снижением прочности металла околошовной зоны.

Самозакаливание — процесс, при котором после нагрева до высоких температур и охлаждения на воздухе в процессе сварки наблюдается возврат свойств отожженного металла, а в дальнейшем старение, т. е. повышение прочности. Однако и после старения прочность отожженной зоны остается ниже, чем упрочненного специальной термической обработкой основного металла (табл. 9). Из таблицы видно, что в связи с этим потери прочности металла в среднем составляют 35—44 %, а в отдельных случаях — 50—60 %. Это увеличивает расход сплава примерно в тех же соотношениях, если расчетные напряжения в этих элементах допускать не более чем расчетные сопротивления сварных швов, как это рекомендовалось СНиП П-В.5—64, действовавшим до 1 января 1975 г. В настоящее время в СНиП II-24—74 на проектирование алюминиевых конструкций вообще отсутствуют какие-либо указания по расчету элементов из упрочненного алюминия, имеющих отожженные зоны продольных сварных швов.

Экспериментальными исследованиями было установлено, что действительная прочность сварных элементов с отожженной зоной сварных швов значительно выше. Это подтверждается сравнением диаграмм работы а—е, снятых при растяжении стандартных образцов, вырезанных из основного металла вдоль сварных швов и широких образцов со швом. Шов расположен по оси действия силы. Как видно из графиков рис. 11, прочность сварного соединения ниже прочности нагартованного металла, но относительно выше прочности образцов, вырезанных из отожженной зоны шва. Она зависит от отношения отожженной площади ко всей площади сечения образца. Если швов много, сварной профиль может получить полный отжиг и только тогда его прочность будет равна прочности сварного шва.

На основании опытных и теоретических исследований работы элементов конструкций с продольными сварными швами разработана методика определения прочности и деформативности элементов, имеющих сечение, ослабленное отжигом при сварке.

При растяжении или сжатии продольными силами таких элементов (рис. 23) максимально возможная прочность их может быть определена путем подсчета приведенного расчетного сопротивления Rпр, которое будет ниже расчетного сопротивления основного металла R, но выше расчетного сопротивления металла отожженной зоны и сварного шва Rсв. Деформативность определяется с помощью приведенного модуля Eпр, который меньше модуля упругости Е, но выше модуля пластичности сварного шва Eсв (рис. 23, б).

Ниже даны формулы, с помощью которых можно определить напряженное состояние элемента с продольными сварными швами под воздействием продольной растягивающей или сжимающей силы и его деформативность:

- приведенный модуль

- приведенное расчетное сопротивление

- абсолютное удлинение элемента

- приведенное нормальное напряжение в элементе

Для оценки влияния сварных швов на прочность проектируемых элементов с продольными швами можно пользоваться графиками на рис. 24, а. На графиках изображено изменение расчетных сопротивлений алюминиевых свариваемых сплавов, упрочненных нагартовкой и старением, в зависимости от отношения суммарной площади отожженных зон к общей площади сечения элемента. Дано изменение модуля Eпр, которое следует учитывать при проверке конструкции на перемещения, так как в связи с уменьшением величины E до Eпр в зоне пластических деформаций сварных швов общие деформации конструкции будут увеличиваться.

Рассмотрим случай продольного изгиба центрально-сжатого стержня с симметрично расположенными продольными сварными швами. Диаграмма о—е, характеризующая работу сварных элементов при растяжении, зависит от доли площади отожженных зон по отношению к общей площади элемента. При изгибе сварного элемента с продольными швами наклон диаграммы о—е зависит от отношения моментов инерции площадей отожженных зон к моменту инерции всего сечения. Схематично, но с достаточным для практики приближением это можно изобразить семейством ломаных кривых (рис. 24, б).

Верхняя кривая — диаграмма основного упрочненного сплава как упругопластического, с линейным упрочнением и максимальными механическими характеристиками, самая нижняя кривая — диаграмма отожженного металла, который получил разупрочнение, между ними — диаграммы сварных элементов. В зависимости от расположения сварных швов и конфигурации сечения для разных осей симметрии одного и того же сечения диаграммы могут быть также разными. Таким образом, построив диаграмму о—е конкретного сварного стержня и используя теорию продольного изгиба, можно определить критическую силу, при которой произойдет потеря его устойчивости.

Работу на поперечный изгиб под нагрузкой сварной конструкции следует рассматривать на двух этапах. На первом этапе конструкция будет работать в пределах напряжений, меньших или равных расчетному сопротивлению сварного шва. Второй этап работы конструкции наступает, когда напряжения в ней становятся выше расчетного сопротивления сварных швов, но находятся в пределах расчетного сопротивления основного металла. Во втором случае металл зон сварных швов работает в области пластических деформаций, а основной металл — в области упругих деформаций.

Вступление в область пластических деформаций околошовных зон сварных швов происходит постепенно по мере увеличения краевых напряжений и зависит от расположения сварных швов. Чем дальше от нейтральной оси сечения расположены сварные швы, тем быстрее они вступают в пластическую область и тем деформативнее становится вся конструкция. Если сварные швы расположены вблизи нейтральной оси или прямо на нейтральной оси, то они, как правило, работают в пределах упругости и не влияют на деформативность всей конструкции (рис. 21, б).

Таким образом, в зависимости от площади отожженных зон, расположения их по высоте и формы сечения влияние этих зон на каждую конструкцию разное. Поэтому при расчете проектируемой конструкции следует ориентироваться на величину, которую можно назвать расчетным сопротивлением сварной конструкции или приведенным расчетным сопротивлением сварной конструкции Rпр. При определении расчетного прогиба характеристики жесткости конструкции также изменяются, т. е. на втором этапе работы сварная конструкция вместо EJ будет иметь (EJ)пр.

Оценить влияние отожженных зон на работу сварной конструкции из упрочненных сплавов алюминия можно, проследив напряженное состояние сварного профиля при изгибе, когда напряжения в нем от нагрузки выше расчетного сопротивления сварного шва. С этой целью рассмотрим общий случай нагружения при чистом изгибе обобщенного сварного профиля (рис. 25, а, б). Определение напряженного состояния и деформативности принимается при следующих предпосылках:

1) сварные швы, которыми соединяются элементы, идут вдоль пролета;

2) расположение их по высоте произвольное;

3) расчетное сопротивление металла значительно больше расчетного сопротивления сварных швов и околошовной зоны;

4) основной металл работает в упругой области, а зоны сварного шва — в упругопластической;

5) гипотеза плоских сечений принята как в области упругих, так и в области пластических деформаций. Как следствие, из этого вытекает линейный закон распределения удлинений и укорочений в балке;

6) считается, что волокна не давят друг на друга, поэтому приближенно принимается, что каждое из них испытывает одноосное напряженное состояние;

7) условно принято, что диаграмма а—е одинакова при растяжении и сжатии.

Ниже приведены формулы, полученные в результате теоретических исследований, выполненных в работе. Их можно применять при проектировании балочных конструкций различных сечений.

Ордината уо (рис. 25, б), выше которой появились напряжения большие, чем расчетное сопротивление сварного шва,

приведенное нормальное напряжение

приведенный модуль пластичности при изгибе

приведенный момент инерции Jпр упругопластичной сварной балочной конструкции

Формулы для определения углов поворота 0 и перемещения Aу различных участков однопролетной балки (рис. 25, а):

Рассмотрим пример использования указанных выше формул. На рис. 25, в имеется сечение сварной коробчатой балки с вертикальными стенками. Для рассматриваемого случая К = 2, sin a=l. Из формулы (11) получаем значение ординаты Уо, выше которой напряжения будут больше, чем расчетное сопротивление сварного шва:

Для приведенного напряжения в сечении балки на расстоянии у от нейтральной оси сечения при величине расчетного момента Mх из формулы (12) получаем следующее выражение:

Для определения углов поворота и перемещений из формулы (13) получаем значение приведенного момента инерции

Во всех случаях расчета сварных элементов необходимо знать площадь, вернее ширину отожженной зоны сварного шва. Она зависит от режима, способа сварки, термического цикла и связанных с ним фазовых превращений, происходящих в сплавах разного химического состава, а также от температуры, при которой в процессе сварки сплав получает полное разупрочнение. Ширину зоны отжига можно подсчитать по теории тепловых процессов при сварке, разработанной академиком Н.Н. Рыкалиным. На основании этой теории в Институте электросварки им. Е.О. Патона авторами А.А. Казимировым и др. для практических расчетов составлен справочник (таблицы для вычисления) «Расчет температурных полей в пластинах при электросварке плавлением».

На рис. 40 показаны температурное поле и термический цикл точек, удаленных на разном расстоянии от сварочной дуги. У упрочненного алюминия марки АМг61Н нагартовка снимается при температуре 573 К и выше. Эту температуру можно принять для всех нагартованных магналиев. Ширину зоны термического влияния при сварке деталей из 1915Т и 1920Т следует брать по граничной температуре, равной 473 К. В среднем от одного прохода дугой при аргонрдуговой сварке можно ширину зоны отжига принимать равной четырем толщинам свариваемых деталей, считая в каждую сторону от шва.

Выше были показаны особенности работы сварных конструкций из упрочненных термообработкой и нагартовкой сплавов алюминия и методика учета ослабления сечения термическим влиянием дуги. Прочность самих соединений должна проверяться в зависимости от конструкции этих соединений и не превышать расчетных сопротивлений, установленных нормами для металла сварных швов (см. табл. 29).

Клепаные и болтовые соединения. Клепка может применяться для соединения элементов из разных марок упрочненного алюминия и деталей разной толщины. Напомним, что упрочненный алюминий очень чувствителен к нагреву. При горячей клепке вокруг заклепок металл соединяемых элементов может получить нежелательный цикл термообработки, который в дальнейшем будет способствовать развитию интеркристаллитной коррозии, а в случае стальных заклепок — электрохимической коррозии. Алюминиевые заклепки не полностью заполняют заклепочное отверстие, в котором после остывания остаются небольшие зазоры между стержнем заклепки и листовым пакетом. Поэтому для соединений в алюминиевых конструкциях применяется холодная клепка.

Холодная клепка имеет свои особенности. В строительных конструкциях наиболее употребительные диаметры заклепок в среднем составляют 16—24 мм. Образование замыкающей головки холодным деформированием для таких заклепок требует больших усилий (от 300 до 900 кН). Величина усилия зависит от материала и формы замыкающей головки. Наименьшее усилие для формирования требуют плоскоконическая и уменьшенная полукруглая головки (рис. 27, а).

В алюминиевых конструкциях могут применяться алюминиевые и стальные болты, последние в основном используются для монтажных соединений. Стальные болты нормальной и повышенной точности принимаются в соответствии с ГОСТ 1759—70, высокопрочные — по ГОСТ 22353—77 и ГОСТ 22356—77, гайки и шайбы к ним — по ГОСТ 22354—77, ГОСТ 22355—77. Материал и расчетные сопротивления болтов должны отвечать требованиям СНиП II-23—81 «Нормы проектирования. Стальные конструкции».

Стальные болты, шайбы, гайки и другие стальные детали в соединении, которые непосредственно касаются алюминия, должны быть оцинкованы или кадмированы. Покрытия цинком или кадмием применяются с целью защиты алюминия от электрохимической коррозии и разрушения. Кроме того, при высокой влажности между болтами, гайками, шайбами и алюминием рекомендуется ставить паронитовые прокладки.

Клеевые соединения. В алюминиевых конструкциях они применяются в основном для соединения гладких, рельефных заготовок и рифленых листов с утеплителем из пенопласта, пенополистирола, пенополиуретана и других материалов для стеновых и кровельных панелей. Обеспечивают гидроизоляцию конструкций и улучшают совместную работу элементов комбинированные соединения клеем и с замком или защелкой (см. рис. 20, е, ж). В таком соединении щели в замке или защелке заполняются клеем или в них вкладывается ткань, пропитанная клеем. Для деталей из алюминия могут применяться клееболтовые соединения.

В клееболтовых соединениях клеевая прослойка работает на срез, а болты — на срез или растяжение, в зависимости от конструкции узла. При значительных нагрузках в расчет вводится только болтовое соединение.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна