Соединения внахлестку угловыми швами

Типы соединений внахлестку и виды угловых швов. Соединение «нахлестку — это непосредственное наложение одного из соединяемых элементов на второй (рис. III—17,а, б) или наложение на соединяемые элементы накладок. Сварные швы, называемые угловыми, располагают в углах, образованных кромкой одного из элементов и пластью второго. Кроме угловых швов, применяемых наиболее часто, соединения внахлестку могут быть выполнены с помощью прорези, пробок и сплошного провара (проплавлением) одного из соединяемых элементов (рис. III—17,в, г, д). Пробочные соединения и швы сплошным проваром применяют в качестве нерасчетных, например для связи широких листов в пакетах, для приварки обшивки к каркасу и т. п. Соединения в прорезь применяют редко вследствие повышенной трудоемкости их и ослабления соединяемого листа.

Угловые швы выполняют без предварительного скоса кромок, но, конечно, с очисткой, удалением заусениц и правкой, обеспечивающих плотное прилегание соединяемых элементов.
В зависимости от расположения угловых швов по отношению к направлению передаваемого усилия различают лобовые швы (рис. III—17,а), расположенные перпендикулярно усилию, и фланговые швы, расположенные параллельно усилию (рис. III—17,б). Могут быть швы, занимающие промежуточное положение, — косые угловые швы.
Нормальный угловой шов в разрезе имеет форму прямоугольного равнобедренного треугольника (рис. III—18,а, г) с криволинейной или прямолинейной гипотенузой. Угловые швы ручной сварки делают выпуклыми со стрелкой дуги около 0,1 биссектрисы прямого угла (см. ведомственные нормали); вогнутую поверхность (рис. III—18,в) придают угловым лобовым и косо расположенным швам в конструкциях, непосредственно воспринимающих регулярные подвижные или вибрационные нагрузки. Угловые швы вызывают значительные отклонения силовых потоков и концентрацию напряжений (рис. III—19). Для большей плавности перехода силового потока от одного из соединяемых элементов к другому в конструкциях, работающих под динамической нагрузкой, применяют пологие лобовые и косые швы (рис. III—18,б), сечение которых представляет неравнобедренный треугольник с отношением катетов 1:1,5, а в мостах еще 1:2 и 1:2,5. Больший катет располагают по пласти, то есть вдоль передаваемого швом усилия. Необходимо во всех случаях особо следить за плавностью сопряжения шва с пластью и за отсутствием подреза в основном металле.

Высотой шва hш называют катет его поперечного сечения; в пологих швах за высоту принимают меньший катет. В конструкциях, работающих под статической нагрузкой, высота шва должна быть не менее 4 мм, а при динамических нагрузках — не менее 6 мм. Кроме того, наименьшая высота однопроходных угловых швов ограничена в зависимости от толщины б более толстого из свариваемых элементов, например для элементов из стали типа Ст. 3 при:

Для низколегированных сталей указанную высоту hш увеличивают на 2 мм (для конструкций из высокопрочных сталей и для мостов приняты несколько иные соотношения).
Высота углового шва, располагаемого у обушка уголка, полки швеллера и т. п., должна быть не более 1,2δ, где δ— наименьшая толщина соединяемых элементов (рис. III—20), а у пера на 1—4 мм меньше толщины уголка (полки двутавра или швеллера).

Работа соединений внахлестку и конструирование их. Соединение лобовым швом (рис. III—21) может разрушиться от сдвига (среза) по пласти листа, от отрыва по кромке накладки или от разрыва по плоскости, почти совпадающей с биссектрисой прямого угла («где тонко, там и рвется»). При статическом действии нагрузок наиболее часто встречается первый вид разрушения и реже — последний (наблюдается при плотном прилегании накладок к соединяемым листам). Шов отрывается от накладки главным образом при вибрационной нагрузке.

Наиболее высокое значение предела прочности на растяжение спокойно возрастающей нагрузкой имеют симметричные соединения лобовыми швами с накладками (рис. III—22,а). Несколько меньшее значение имеет предел прочности несимметричных соединений с двумя швами — простая нахлестка. Здесь сказывается влияние эксцентриситета в расположении листов и возникающего поэтому изгибающего момента — Ne1 (рис. III—22,б).

Длину нахлестки следует назначать не менее пяти толщин более тонкого элемента. Увеличение длины нахлестки уменьшает вредное влияние эксцентриситета и усадочных напряжений. Если это не связано с большой затратой металла, следует увеличивать ее длину. Соединения внахлестку с одним лобовым швом (рис. III—22, в) вследствие неблагоприятного влияния эксцентриситета работают неудовлетворительно и в качестве расчетных не допускаются.
Предел прочности угловых швов зависит от их высоты; с увеличением высоты он немного снижается. Прочность лобовых швов при сжатии несколько выше, чем при растяжении.
Разрушение лобовых швов происходит при малых деформациях (удлинениях) и внезапно. На прочность их, особенно при растяжении, большое влияние оказывают распространенные пороки сварки: пористость, шлаковые включения, непровары, подрезы и т. п. Для уменьшения концентрации напряжений в конструкциях, работающих под динамической нагрузкой, внешнюю поверхность лобовых швов полностью или частично обрабатывают (рис. III—23).
Распределение напряжений в поперечном сечении лобового шва очень неравномерно — максимальные значения у корня шва; они превышают средние (расчетные) в 4—6 раз (см. рис. III—19, а). Для уменьшения этих перенапряжений, играющих существенную роль при динамических нагрузках, следует обеспечивать плотное прилегание листов, глубокий провар и применять пологие швы.

Фланговые швы работают преимущественно на срез, поэтому прочность их соединений ниже, чем лобовых. Подобно лобовым швам прочность соединений фланговыми швами,, работающими на сжатие, выше, чем у работающих на растяжение (разница 15-20%).
При симметричном расположении накладок прочность соединений выше, чем при одностороннем; влияние этого фактора при фланговых швах меньше, чем при лобовых (сравните рис. III—22,б, г).
Фланговые швы, как показали исследования, вследствие преимущественной работы их на срез имеют почти в 1,5—2 раза меньший модуль упругости, чем лобовые швы (700 000—1000000 кг/см2 против 1400 000—1500 000 кг/см2).
Фланговые швы разрушаются по диагональной плоскости.
Распределение напряжений вдоль флангового шва в упругой стадии работы весьма неравномерно (рис. III—22,г). Однако перед разрушением шва за счет пластической работы перенапряженных участков (начального и конечного) происходит выравнивание напряжений. Вследствие этого величина разрушающей нагрузки в соединениях с фланговыми швами растет почти пропорционально длине швов. Некоторое отставание роста нагрузки и неравномерность напряжений по длине шва заставляют ограничивать длину фланговых швов, рассчитанных по среднему напряжению. Их длина должна быть не более 60hш, а в мостах — 50hш. Это ограничение не распространяется на такие швы, у которых усилие возникает по всей длине, например на поясные швы балок, воспринимающие силы сдвига.

He учитываемое расчетом неблагоприятное влияние эксцентриситета и связанного с ним дополнительного момента (см. рис. III—22,г) сильно сказывается на работе очень коротких фланговых швов, резко снижая их прочность. Поэтому нельзя применять угловые швы с расчетной длиной менее четырех высот или короче 40 мм (в мостах и многих других конструкциях 6hш или 60 мм). Это ограничение по производственным соображениям распространяется и на лобовые швы. Неблагоприятное влияние дополнительного момента сильнее сказывается на толстых и коротких фланговых швах, чем на тонких и длинных, которым и следует отдавать предпочтение. Желательно, чтобы в узлах стержневых конструкций длина фланговых швов была не менее ширины прикрепляемого элемента, что благоприятно сказывается на плавности отклонения силовых потоков (рис. III—24).
Для улучшения качества фланговых швов и уменьшения перенапряжений в них желательно начинать сварку на специальных подкладках и кончать на торце привариваемого элемента, тогда непровары окажутся за пределами расчетной части шва.
Иногда швы располагают с интервалами по длине, их называют прерывистыми. Расстояние в свету между такими швами должно быть не более 15 δ в сжатых элементах и 30 δ в растянутых (где δ — толщина более тонкого из соединяемых элементов). Прерывистые швы неудобны для выполнения их автоматом. У концов прерывистых швов возникают значительные перенапряжения, поэтому такие швы не следует применять, заменяя их тонкими сплошными швами.
Расчет соединений угловыми швами. Расчет как лобовых, так и фланговых угловых швов производят по их наименьшему сечению, проходящему вдоль шва через перпендикуляр, опущенный из вершины прямого угла на гипотенузу. При этом у выпуклых швов выпуклость не учитывают (см. рис. III—18). Для определения расчетной площади шва с вогнутой свободной поверхностью в поперечное сечение такого шва вписывают прямоугольный треугольник с гипотенузой, касающейся вогнутой поверхности. В угловых швах, выполненных автоматом или полуавтоматом, а также при специальном способе ручной сваркой с глубоким проваром, получается более глубокий провар корня шва, чем при обычной ручной сварке, что и следует учитывать в расчетах. В общем случае высоту hшр расчетного сечения углового шва можно определить по формуле:

где hш — катет прямоугольного треугольника поперечного сечения шва (при пологих швах — меньший катет, рис. III—18);
kш — коэффициент, учитывающий форму поперечного сечения и глубину провара шва, зависящую от способа выполнения сварки; значения kш приведены в таблице III—3.
Для швов с поперечным сечением в виде равнобедренного прямоугольного треугольника с высотой катета hш:

Увеличение глубины провара при производстве ручной сварки способом «УКД» учитывают в расчетах в соответствии со специальной инструкцией (увеличивают hш на 1—2 мм сверх фактически выполненного катета шва).
Расчетная площадь углового шва в общем случае:

а при обычной ручной сварке с равными катетами шва Fш=0,7hшhш где lш — расчетная длина шва, равная фактической длине за вычетом 10 мм на непровар в начале и конце шва.

Величину непровара правильнее учитывать в зависимости от высоты шва, вычитая из полной длины шва (1-1,5)hш. Если сварка начата и закончена на выводных планках или у торцов нахлестки, уменьшать расчетную длину шва против фактической не следует. Участки швов, уложенные у торцов нахлестки, в расчетную длину не включают. На чертежах надлежит указывать полные (фактические) размеры швов. Несущую способность углового шва определяют по формуле:

а требуемые размеры шва, например длину lш при заданном усилии N и известной высоте шва hш, — по формуле:

или при ручной сварке с равными катетами шва:

Сварные соединения полос внахлестку двумя лобовыми швами, выполненные ручной сваркой с электродами типа, соответствующего свариваемой стали, равнопрочны основным элементам, например для стали марки Ст.З и сварки электродами типа Э42:

Такие швы должны иметь высоту шва hш=δ, а длину lш=b, где δ и b — толщина и ширина свариваемых листов. Начало и конец угловых швов должны быть выведены за пределы соединения на подкладки. Лобовые швы следует делать пологими.
При назначении размеров угловых швов необходимо учитывать, что объем этих швов, а следовательно, трудоемкость изготовления и стоимость их растут пропорционально квадрату катета, а несущая способность шва — пропорционально первой степени величины катета. Поэтому следует отдавать предпочтение тонким и длинным швам перед толстыми и короткими, конечно, если нет причин, вынуждающих применять короткие швы. Размеры сварных швов должны быть наименьшими, с учетом требований прочности и толщины свариваемых элементов.

В случае прикрепления фланговыми швами несимметричных элементов следует для устранения дополнительного момента назначать площадь каждого шва так, чтобы равнодействующая передаваемых ими усилий совпадала с осью прикрепляемого элемента. Так, например, если для прикрепления уголка (рис. III—25,а) с усилием N требуется площадь сварного шва

то эта площадь должна быть распределена между швом у пера F'ш и швом у обушка F''ш обратно пропорционально их расстояниям до центра тяжести уголка.
Обозначив ширину уголка 6, расстояние от центра тяжести уголка до обушка z0 и до пера b — z0, можно написать приближенно соотношение:

В равнобоких уголках нового сортамента расстояние от центра тяжести до обушка составляет от 0,27 до 0,30 ширины полки. Большие значения у толстых уголков. Для расчетов можно принимать z0=0,28 b, тогда F'ш=0,28 Fш и F''ш=0,72 Fш.
Для равнобоких уголков старого сортамента принимали z0=0,3b и F'ш=0,3 Fш. У неравнобоких уголков расстояние от центра тяжести до обушка вдоль большей полки составляет от 0,32 до 0,35 ширины этой полки, а вдоль меньшей полки — от 0,22 до 0,27 малой полки. Для расчетов можно принимать при расположении швов у пера большей полки F'ш=0,33 Fш, а у меньшей F'ш=0,24 Fш.
В случае крепления сжатых элементов несущую способность их находят по формуле:

а требуемую площадь сварных швов:

Соединение внахлестку иногда комбинируют из лобовых и фланговых швов, расположенных по трем или четырем сторонам контура. Наличие лобовых швов улучшает условия работы фланговых, обеспечивая в последних более равномерное распределение напряжений (рис. III—24). Выше отмечалось, что лобовые швы более жестки, чем фланговые, поэтому в стадии упругой работы лобовые нагружены сильнее фланговых швов. Однако к моменту разрушения вследствие пластической работы напряжения в швах относительно выравниваются, и это позволяет рассчитывать их по среднему напряжению, отнесенному к суммарной площади всех швов (рис. III—26):

В мостах соединение внахлестку (одностороннее) рекомендовано выполнять обваркой по контуру (фланговые швы — равносторонние, а лобовые — пологие), при этом считают, что передний лобовой шов принимает на себя 1/3 всего усилия, а остальные три шва — 2/3 этого усилия. В креплении, показанном на рисунке III—26, действует значительный конструктивный эксцентриситет, влияние которого в формуле III—10 не учтено. При обварке по контуру, как и в других случаях устройства швов замкнутого очертания, требуется особо тщательное соблюдение установленной технологии.