Прочие виды сварных соединений

Соединения внахлестку прорезью, сплошным проваром и электропробками. Соединение широких элементов внахлестку с помощью фланговых швов иногда усиливают швами, укладываемыми в прорези. Швы в прорезях делают также для связи между собой листов широких пакетов для более слитной их работы. Швы в прорезях очень трудоемки и дороги. Кроме того, они вносят ослабление в соединяемые элементы. Поэтому применять их следует очень ограничено.
Прорезь (рис. III—27) делают в одном из соединяемых элементов. Ширину прорези понизу а назначают не менее двукратной толщины прорезаемого элемента (а≥2δ). Глухой торец прорези закругляют по радиусу, равному половине ее ширины (r=0,5а). Для удобства сварки стенки глубоких прорезей скашивают.

Соединение устраивают или угловыми швами по стенкам прорези, или сплошной ее заваркой. В первом случае соединение в прорези работает, как обыкновенные угловые швы, во втором — соединение может разрушиться от сдвига наплавленного металла по целому листу (рис. III—27, б — узкая прорезь) или от сдвига прорезанного листа с оставлением наплавленного металла на целом (рис. III—27, в — широкая прорезь). Кроме того, может произойти разрыв присоединяемого элемента у начала прорези (рис. III—27,г). Если обозначить длину прорези lпр, то несущая способность ее в первом случае выразится формулой:

При соблюдении требования а=2δ несущая способность прорези в обоих случаях будет одинаковой.
Несущую способность соединения в прорези с угловыми швами определяют как обычно, вводя в расчет 0,7 hш. Так как высота шва не может быть больше толщины прорезанного листа, то несущая способность соединения с угловыми швами меньше, чем при сплошной заварке прорези (2δ>2*0,7δ).
Расчет комбинированного соединения прорезью и фланговыми швами, уложенными по краям элемента, сводится к определению требуемой суммарной площади сварных швов:

и к распределению этой площади между элементами соединения (рис. III—28):
- при сплошь заваренной прорези

- при двух угловых швах по длине прорези с такой же высотой, как по кромкам,

Угловые швы, уложенные в прорези, и сплошная заварка ее не компенсируют ослабление листа. Это необходимо учитывать в расчетах.
Например для случая, показанного на рисунке III—27,г, следует проверить прочность прорезанного листа у начала прорези:

Если у краев прорези есть скосы, нужно учесть и ослабление ими. Чтобы ослабление прорезью не оказывало вредного влияния на работу прикрепляемого элемента, следует назначать длину ее не более 2/3—3/4 длины фланговых швов, в комбинации с которыми она применена. Длина прорези должна быть не менее шести толщин прорезаемого элемента.
Для связи между листами пакета и лучшей совместной работы листов, а также для крепления тонкой обшивки к балкам при автоматической сварке швы выполняют сплошным проваром (проплавлением). Таким способом можно соединить и листы тавром (рис. III—29,б). Соединение сплошным проваром при тонких листах состоит из ряда отдельно проваренных точек — кругов, диаметр которых зависит от толщины провариваемого листа. Такое соединение называют электропробками со сплошным проваром. При ручной сварке сплошным проваром скрепляют соединения тонколистовой обшивки с балками. Вследствие трудности контроля и малой изученности швов, выполненных сплошным проваром, их разрешено применять только в качестве нерасчетных, конструктивных соединений.

При ручной или полуавтоматической сварке нерасчетные соединения листов и других тонких элементов можно выполнять электропробками без сплошного провара. Для этого в одном из соединяемых листов продавливают или просверливают круглые. отверстия, очищают края от заусенцев, чтобы листы плотно прилегали друг к другу, и заваривают отверстия. Диаметр отверстия должен быть не менее двух толщин продавливаемого листа (d≥2δ). При d≥30 мм допускается взамен полного заполнения отверстия сваркой устраивать по контуру угловые швы высотой (0,8/1,0)δ. При толщине продавливаемого листа δ≥8 мм кромки отверстия скашивают (раззенковывают) под углом 25.°
Соединения тавровые и угловые. Тавровое соединение — это крепление под прямым углом одного элемента к другому в пределах ширины последнего (рис. III—29). Косые примыкания встречаются редко.

Тавровые соединения применяют очень часто, например в балках и рамах (приварка поясов и ребер жесткости к стенке), в составных стержнях ферм, в колоннах и стойках и т. д. Как правило, тавровые соединения работают на восприятие сдвигающих сил, однако встречаются соединения, работающие на сжатие или растяжение, а также и на изгиб. Изгибающий момент может действовать как в плоскости, параллельной продольной оси соединения, так и в перпендикулярной плоскости. В последнем случае влияние момента сказывается особенно сильно, так как жесткость соединения в этом направлении очень мала. Такое явление наблюдается, например, в подкрановых балках, при расположении рельса не по оси стенки.

Соединение тавром осуществляют двумя угловыми швами без скоса или со скосом одной или двух кромок (рис. III—30). В первом случае между соединяемыми элементами остается небольшой зазор, который концентрирует напряжения. Зазор отрицательно влияет при работе
тавра на отрыв стенки от полки, на изгиб и при динамических или вибрационных воздействиях, поэтому необходим полный провар соединения.
Pасчет таврового соединения ведут в первом случае, как для пары угловых швов. Несущая способность 1 см длины такого соединения:

например, при ручной сварке [N1]= 1,4 hш Rуг св кг/см.
Во втором случае при сварке со сплошным проваром шов рассчитывают как стыковой, то есть вводят в расчет соответственно Rс св, Rp с или Rср св, а высоту шва принимают равной толщине примыкающего элемента δ. Несущая способность одного сантиметра длины такого шва:

Соединения тавром часто передают очень незначительные усилия, тогда высоту угловых швов hш назначают конструктивно в зависимости от толщины δмакс наиболее толстого из свариваемых листов.
Угловые соединения могут быть выполнены: без скоса кромок с укладкой одного наружного углового шва или двух угловых швов снаружи и изнутри (рис. III—30,г);
- со скосом одной или двух кромок в одном из соединяемых элементов (рис. III—30, д);
- со скосом соединяемых поверхностей обоих элементов (рис. III—30, е).
Угловые соединения в большинстве случаев применяют в качестве нерасчетных, связующих. При необходимости выявить размеры угловых соединений расчетом или проверить их прочность эти соединения рассматривают соответственно способу выполнения как угловое, или как стыковое соединение.

Соединения с накладками. Если устройство шва в стык встречает затруднения (например, при изготовлении конструкций в малооборудованных мастерских или при неточной обрезке стыкуемых элементов), стык перекрывают накладками и приваривают
их угловыми швами. Приварка накладок только лобовыми швами обеспечивает сравнительно малое отклонение силовых потоков и притом в одном направлении (по толщине элементов, рис. III—31,а). Однако такое соединение требует высоких швов и, следовательно, толстых накладок. Из условия равной прочности стыка и соединяемых листов имеем:

где δ и δн — толщина соединяемых листов и накладок.
Приварка накладок только фланговыми швами требует постановки длинных накладок (рис. III—31,6) и вызывает значительные отклонения силовых потоков в двух направлениях: как по пласти, так и по толщине соединяемых листов и накладок. Это приводит к большому снижению предела выносливости таких стыков, которых следует избегать. Для плавного отклонения силовых потоков и уменьшения концентрации напряжений длину полунакладки следует назначать не менее ее ширины. Чтобы сделать стык более компактным и уменьшить неблагоприятное влияние концентрации напряжений, применяют обварку накладок по контуру (рис. III—31,в). Лобовые швы в таких стыках делают пологими. При выполнении сварки по контуру необходимо строго соблюдать установленную технологию, так как такие соединения часто вызывают высокие сварочные напряжения и образование трещин. Угловые швы для крепления накладок рассчитывают обычным путем.
Стыки с накладками работают при статических нагрузках вполне удовлетворительно. При динамической или вибрационной нагрузке хорошо выполненные и затем механически обработанные пологие лобовые швы работают лучше, чем фланговые. Однако у всех соединений с накладками предел выносливости меньше, чем у соединений в стык. К недостаткам соединений с накладками относятся также повышенный расход металла и удлинение швов.
Желательно стыки перекрывать симметричными парными накладками. Односторонние, а также несимметричные (разной длины) накладки вызывают изгибающий момент, действующий в плоскости, перпендикулярной плоскости накладок (обычно в направлении наименьшей жесткости соединяемых элементов). Изгибающий момент приводит к дополнительным напряжениям, которые особенно нежелательны при динамических или вибрационных нагрузках.

Однако в стыках фасонных профилей не всегда удается поставить парные накладки. Уголки, например, часто перекрывают односторонними уголковыми накладками (рис. III—32, а—в). Для плотного прилегания уголковой накладки обушок уголка должен быть состроган наискось. Швы могут быть расположены или у пера уголков (а), или вдоль продольно срезанной кромки уголка — накладки (б), или у косо срезанных кромок (в). Последнее решение наиболее целесообразно, так как косо расположенные швы обеспечивают в нем наименьшее отклонение силовых потоков и, следовательно, наименьшую концентрацию напряжений. Косо расположенные угловые швы при динамических нагрузках следует делать пологими. В первом случае (рис. III—32, а) трудно обеспечить хороший провар корня шва, а во втором — (рис. III—32,б) получается большое ослабление накладки, поэтому ее приходится делать из более толстых уголков, чем перекрываемые. Косой рез полок уголковой накладки делают от пера до начала закругления-перехода от одной полки к другой. Это обеспечивает простоту резки (на гильотинных ножницах).
Пример перекрытия накладками стыка двутавра и швеллера — на рисунке III—32, г, д. Если внешние поверхности уголка доступны, то стык следует перекрывать парой полосовых накладок на внешних плоскостях (рис. III—32,е).

При конструировании стыков необходимо учитывать, положение стыкуемых элементов, накладок и сварных швов в пространстве во время сварки, с тем чтобы устранить потолочные швы и уменьшить количество кантовок. Для этой цели, например, накладку, укладываемую по верхней полке вертикально стоящего двутавра, делают уже этой полки (рис. III—32,г), а накладку нижней полки, наоборот, — шире. Расположение накладок, перекрывающих стык швеллера (рис. III—32, д), требует поворота швеллера на 180°. При такой форме накладок у внешних уголков швеллера между швами на стенке и на полке возникают значительные растягивающие усадочные напряжения, что нежелательно. Ромбическая форма накладки стенки увеличивает расстояние между указанными швами и тем самым уменьшает напряжения, возникающие при поперечной усадке угловых швов. Между швами, крепящими накладки, с одной и другой стороны стыка следует оставлять зазор около 5 толщин накладок и не менее 50 мм.
Соединения в стык, усиленные накладками. Для усиления прямых стыков растянутых и изгибаемых элементов применяют парные или одиночные накладки. Форма накладок прямоугольная или ромбическая с притупленными концами (рис. III—33). К недостаткам такого комбинированного соединения относится одновременная работа в одном поперечном сечении относительно жесткого сварного шва в стык и относительно податливого материала накладок, вследствие чего шов оказывается перегруженным. При действии динамических нагрузок у краев приваренных накладок концентрируются напряжения, поэтому предел выносливости таких «усиленных» соединений оказывается ниже, чем у аналогичного соединения в стык без усиления (разрушение их показано на рисунке III—33,б). Кроме того, эти соединения очень трудоемки и дороги; их следует избегать.
При односторонней несимметрично расположенной накладке толщиной δн в соединении возникает конструктивный момент (рис. III—33,в), действующий в площади наименьшей жесткости соединения и потому весьма нежелательный. Величина момента M=0,5N(δ+δн) с увеличением толщины накладки возрастает. Влияние дополнительного момента необходимо учитывать.