Прочность сварных конструкций

Е.В. Пояркова  
Л.С. Диньмухаметова  
Ж.Г. Калеева  
 
 
 
ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
2-е издание, стереотипное 
 

 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство «ФЛИНТА» 
2017 

УДК 620.10 
ББК  30.121 
         П 41 

Научный редактор 

Грызунов В. И., доктор химических наук, профессор, заведующий 
кафедрой материаловедения и технологии металлов Орского  
гуманитарно-технологического института (филиала) ОГУ 

Рецензенты: 

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий
кафедрой «Технологические машины  и оборудование» ФГБОУ ВПО
 «Уфимский государственный  нефтяной технический университет» Кузеев И. Р.

доктор технических наук, профессор, директор Аэрокосмического института 
ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» Сердюк А. И. 

 Пояркова Е.В. 
П 41 
    Прочность сварных конструкций [Электронный ресурс] : учебное пособие / 
Е.В. Пояркова, Л.С. Диньмухаметова, Ж.Г. Калеева. — 2-е изд., стер. — М. : 
ФЛИНТА, 2017. — 223 с. 

ISBN 978-5-9765-3386-8

В учебном пособии рассмотрены основные показатели прочности сварных 
конструкций и современные методы её определения. Изложены аналитические и 
экспериментальные 
методы 
исследований 
напряженно-деформированного 
состояния сварных соединений и способы обработки результатов испытаний. 
Учебное 
пособие 
предназначено 
для 
студентов, 
обучающихся 
по 
программам 
высшего 
профессионального 
образования 
по 
направлению 
подготовки бакалавров 150100 «Материаловедение и технологии материалов» и 
специалистов 150501 Материаловедение в машиностроении при изучении 
дисциплин «Расчет и проектирование сварных конструкций», «Контроль качества 
сварных соединений». 

УДК 620.10 
ББК  30.121 

ISBN 978-5-9765-3386-8
© Пояркова Е.В., Диньмухаметова Л.С., 
    Калеева Ж.Г., 2017 
© Издательство «ФЛИНТА», 2017 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
Введение  ......................................................................................................... 6 
1 Основные понятия в прочностных расчетах.  
Принципы расчета сварных конструкций  ............................................. 9 
1.1 Принципы конструктивно-технологического  
проектирования сварных конструкций  .................................................... 12 
1.2 Расчетная и конструктивная прочность  ............................................. 14 
1.3 Основные принципы расчета сварных конструкций ........................ 16 
2 Общие сведения о сварных конструкциях. Особенности 
сварных соединений как элементов конструкций  .............................. 22 
2.1 Элементы сварных конструкций и типы сварных швов  
и соединений  ............................................................................................... 22 
2.2 Материалы сварных конструкций  ...................................................... 29 
2.2.1 Основные материалы сварных конструкций ................................ 29 
2.2.2 Сварочные (вспомогательные) материалы  ................................... 31 
2.2.3 Работа материалов в сварных конструкциях ................................ 32 
2.2.4 Выбор материала для сварных трубопроводов  ............................ 34 
2.2.5 Выбор состава стали повышенной прочности  ............................. 35 
2.3 Свойства сварных соединений  ........................................................... 39 
2.4 Влияние механической неоднородности на прочность 
сварных конструкций  ................................................................................. 52 
3 Напряжения и деформации при сварке и их влияние  
на работоспособность конструкции ........................................................ 57 
3.1 Роль остаточных напряжений  ............................................................. 60 
3.2 Влияние остаточных сварочных напряжений на прочность  
сварных соединений и конструкций  ........................................................ 64 
3.3 Влияние остаточных деформаций  ...................................................... 66 
3.4 Регулирование и устранение сварочных напряжений  ..................... 68 
4 Распределение напряжений в сварных швах  
при приложении нагрузок  ........................................................................ 71 
4.1 Распределение напряжений в стыковых швах  .................................. 71 
4.2 Распределение напряжений в соединениях с лобовыми 
швами ............................................................................................................ 73 
4.3 Распределение напряжений в соединениях с фланговыми 
швами ............................................................................................................ 77 
4.4 Распределение напряжений в точечных соединениях,  
выполненных контактной сваркой  ........................................................... 81 

Расчет прочности сварных элементов в зависимости от 
характера напряженного состояния  ....................................................... 84 
5.1 Стыковые сварные швы  ....................................................................... 84 
5.1.1 Расчет стыкового сварного шва на растяжение (сжатие) ............ 84 
5.1.2 Расчет стыкового сварного шва на изгиб  ..................................... 85 
5.1.3 Расчет стыкового сварного шва при одновременном 
воздействии растягивающей нагрузки и изгибающего момента ......... 86 
5.1.4 Расчет стыкового сварного шва на кручение  ............................... 87 
5.1.5 Расчет стыкового сварного шва в условиях сложного  
напряженного состояния  ......................................................................... 88 
5.2 Расчет на прочность угловых сварных швов  .................................... 89 
5.2.1 Расчет угловых сварных швов на растяжение  ............................. 89 
5.2.2 Расчет угловых сварных швов на изгиб  ....................................... 91 
5.3 Допускаемые напряжения сварных соединений  .............................. 96 
5.4 Примеры расчетов сварных соединений  ........................................... 99 
6 Прочность сварных конструкций при переменных 
нагрузках ..................................................................................................... 113 
6.1 Факторы, влияющие на прочность сварных соединений  
при переменных нагрузках  ...................................................................... 113 
6.2 Расчет прочности сварных соединений при переменных 
нагрузках  ................................................................................................... 118 
7 Сопротивление сварных конструкций хрупким  
разрушениям .............................................................................................. 119 
7.1 Методы оценки сопротивляемости хрупким разрушениям  .......... 122 
7.2 Причины хрупких разрушений сварных конструкций  .................. 127 
7.3 Пути повышения сопротивляемости хрупким разрушениям ......... 128 
8 Расчет сварных конструкций на устойчивость  .............................. 131 
8.1 Общая устойчивость сжатых сварных стержней  ............................ 131 
8.2 Местная устойчивость сварных элементов  ..................................... 135 
9 Конструктивная прочность сварных конструкций  ....................... 137 
9.1 Влияние дефектов сварных соединений на прочность 
конструкций ............................................................................................... 137 
9.1.1 Неполное проплавление (непровар)  ............................................ 139 
9.1.2 Поры  ............................................................................................... 141 
9.1.3 Смещение кромок в стыковых соединениях  .............................. 143 
9.1.4 Включения  ..................................................................................... 144 
9.2 Влияние низких температур на свойства сварных соединений .......... 145 
9.3 Прочность сварных соединений при высоких температурах ......... 147 

Основы расчета сварных конструкций ........................................... 153 
10.1 Балки  .................................................................................................. 153 
10.2 Фермы  ................................................................................................ 160 
10.2.1 Расчет усилий в стержнях  .......................................................... 165 
10.2.2 Проверка прочности и подбор сечений стержней ферм .......... 168 
10.2.3 Расчет узлов ферм ........................................................................ 169 
10.3 Листовые конструкции  .................................................................... 173 
10.4 Тонкостенные цилиндрические и сферические оболочки  ........... 176 
10.5 Сварные детали машин  .................................................................... 178 
11 Лабораторно-практические возможности исследования  
сварных соединений  ................................................................................ 182 
Лабораторная работа 1. Изучение влияния структурной  
неоднородности на механические свойства сварных соединений  ....... 182 
Лабораторная работа 2. Исследование характера распределения  
напряжений в сварных соединениях при приложении нагрузок ........... 187 
Лабораторная работа 3. Оценка сопротивления сварных 
элементов  
хрупким разрушениям в условиях концентрации напряжений ............. 201 
Заключение  ................................................................................................ 206 
Библиографический список .................................................................... 207 
Приложение А. Перечень обозначений основных величин 
и их наиболее употребляемые единицы  .................................................. 211 
Приложение Б. ............................................................................................. 214 
Приложение В. Задачи для самоконтроля ................................................ 215 

Пояркова Е. В., Диньмухаметова Л. С., Калеева Ж. Г.

6 

Введение

В представленном учебном пособии освещен единый методиче
ский подход к оценке сопротивления разрушению и ресурса безопасной 
эксплуатации сварных конструкций. Обоснованы критерии анализа их 
прочности и безопасности. Представлен обзор классических и современных методов диагностики конструкций оборудования. Изложены 
основы проведения экспресс-анализа технического состояния сварных 
конструкций. Наряду с анализом существующих и традиционно используемых приемов испытаний и расчетов сварных соединений и конструкций систематизированно изложены современные подходы к постановке расчета сварных соединений с использованием ЭВМ.

Цель данного пособия – дать основополагающие сведения по ме
тодам анализа прочности, основам проектирования и постановки экспериментов по оценке технического состояния сварных конструкций. 
Проработка материала пособия позволит обеспечить высокий уровень 
готовности студентов к профессиональной деятельности в области рационального выбора материалов, планирования и реализации научноисследовательских работ, а также способствующие формированию у 
них производственной культуры безопасности, представления о неразрывности единства эффективной профессиональной деятельности с 
требованиями по безопасности и защищенности человека.

При составлении пособия в качестве исходных принимались два 

основных положения.

Первое из них заключается в необходимости удовлетворения за
просов кафедры материаловедения и технологии металлов Орского 
гуманитарно-технологического института (филиала) Оренбургского 
государственного университета, имеющей весьма разнообразные рабочие программы и располагающей различными возможностями по 
отводимому времени на самостоятельную работу студентов.

Прочность сварных конструкций

7 

В качестве второго положения принято, что уровень профессио
нальной компетентности студентов технических специальностей и 
направлений подготовки должен соответствовать уровню развития 
науки и техники, базирующемуся в настоящее время на методах системного анализа и численного моделирования и характеризуемому 
общей компьютеризацией. Это направление обусловливает изменения требований к общеинженерной подготовке студентов со стороны 
профилирующих кафедр, и открывающимися в связи с ним новыми 
возможностями совершенствования курса дисциплины.

В пособии определены основные понятия в прочностных расче
тах. Изложены принципы расчета сварных конструкций в зависимости от характера их работы. Раскрыты критерии работоспособности 
сварных конструкций. 

Приведена классификация сварных конструкций, показаны типы 

сварных швов и соединений, а также материалы, применяемые для 
изготовления сварных конструкций и сварочные материалы. Отражены особенности работы материалов в сварных конструкциях, в том 
числе освещены результаты исследований влияния характера структурно-механической неоднородности сварных соединений на прочность конструкций при различных режимах нагружения, полученные 
авторами пособия, а также раскрыт вопрос о влиянии термодеформационного цикла сварки на напряженно-деформированное состояние 
конструкций. Вопрос о влиянии остаточных сварочных напряжений и 
деформаций на эксплуатационные свойства сварных конструкций 
представлен в развернутом виде по результатам многочисленных исследований. 

В отдельной главе подробно описаны методики расчета прочно
сти сварных элементов: стыковых, нахлесточных, точечных, тавровых швов: даны основные сведения по теории, расчетные формулы с 
необходимыми пояснениями их сущности и рекомендациями для 
практического применения.

Пояркова Е. В., Диньмухаметова Л. С., Калеева Ж. Г.

8 

В завершении издания приводится описание практических и ла
бораторных работ по курсу дисциплины. Особое внимание уделяется 
технике использования теоретического материала при постановке 
и реализации технических и научных экспериментов.

Книга может быть использована студентами технических специ
альностей и направлений подготовки как учебное пособие при прохождении курсов дисциплин «Прочность сварных конструкций», 
«Расчет и проектирование сварных конструкций», «Контроль качества сварных соединений» при выполнении расчетно-проектировочных работ. Пособие является конструктивным помощником при 
написании курсовых, выпускных квалификационных работ и дипломных проектов, а также может быть полезной аспирантам и научным работникам, инженерам-прочнистам и технологам, работающим 
в отраслях тяжелого и транспортного машиностроения, трубопроводного транспорта, строительства.

Прочность сварных конструкций

9 

1 Основные понятия в прочностных расчетах. 

Принципы расчета сварных конструкций

Широкое распространение сварных конструкций в различных 

областях промышленности, строительства и транспорта обеспечено 
ввиду большого технического и экономического преимущества перед 
другими видами продукции технологического назначения. Помимо 
прямой экономии материалов, трудозатрат и времени на производство сварных конструкций, сварка открыла новые возможности механизации и автоматизации производственных процессов, создала 
условия для повышения производительности труда и позволила увеличить выпуск продукции с имеющихся производственных площадей. А организация сварочного производства требует значительно 
меньших капиталовложений, чем литейное или кузнечное производства. Применение наплавки защитных поверхностей позволяет повысить долговечность изделий и конструкций, подвергающихся повышенному износу и воздействию агрессивных сред.

Сварка используется для конструкций самого различного назна
чения. С её помощью могут быть изготовлены легкие ажурные конструкции различных башен и мачт, все элементы которых выполняются с помощью электродуговой сварки, а также и тяжелые прессы, 
выполняемые с применением электрошлаковой сварки.

Условия эксплуатации сварных конструкций, эксплуатируемых в 

различных микроклиматических условиях и районах земного шара, 
характеризуются изменением температуры от -60 до +50оС, влажности 
от 40 до 100% (туман, морской туман), различной скоростью ветра, 
воздействием атмосферных осадков, песка и пыли наружного воздуха, 
солнечного излучения и др. Эти факторы оказывают значительное 
влияние на работоспособность сварных узлов. К примеру, под действием одних (отрицательной температуры, снежных заносов, ветра и 
др.) повышаются нагрузки на узлы, под действием других (солнечного 
излучения, повышенной влажности, отрицательной температуры) изменяются свойства материалов, из которых они изготовлены.

Пояркова Е. В., Диньмухаметова Л. С., Калеева Ж. Г.

10 

Необходимо отметить, что разработанные до настоящего време
ни принципы проектирования сварных конструкций и существующие 
организационные формы проектных организаций и конструкторских 
бюро не обеспечивают достаточно полного использования современных возможностей сварочной техники. В этой связи при проектировании сварных конструкций недостаточно полно учитываются характерные особенности сварных соединений, а также уделяется недостаточное внимание вопросам технологичности сварных конструкций. 
При этом вопросы точности сводятся практически к установлению 
требований, предъявляемых к изготовлению сварных конструкций, 
без доскональной проверки возможности достижения требуемой точности при принятых конструктивных формах и методах сварки. Этому способствует также существующая практика проектирования 
сварных конструкций в отрыве от проектирования технологического 
процесса их изготовления.

В то же время сварные соединения и конструкции обладают ря
дом отличительных особенностей, которые предопределяют и методику проектирования, и организационные формы проектных и конструкторских бюро. К числу основных особенностей сварных конструкций, согласно систематизации Н. О. Окерблома, нужно отнести 
следующие:

1.Органическая связь отдельных элементов друг с другом, со
здаваемая сварными швами. При этом конструкция, составленная из 
нескольких отдельных заготовок и деталей, превращается в монолитную конструкцию, совмещающую в себе преимущества составных 
конструкций с достоинствами монолитных.

2.Легкость придания разнообразных конструктивных форм, так 

как при сварке в отличие от клепки не требуются какие-либо промежуточные соединительные элементы для сопряжения двух листов под 
любыми углами и они могут быть соединены друг с другом непосредственно.

Прочность сварных конструкций

11 

3.Возможность использования заготовок, выполненных с при
менением любых технологических процессов, наиболее соответствующих их назначению и экономичных при заданных размерах, форме 
и числе одинаковых заготовок. Это позволяет создавать наиболее рациональные и экономичные конструкции.

4.Возможность применения в одной конструкции различных 

материалов, наиболее соответствующих тем требованиям, которые 
предъявляются условиями работы различных элементов и деталей 
конструкций. Это облегчает полноценное использование всех свойств 
применяемых материалов и снижает затраты металла.

5.Наличие взаимного влияния друг на друга конструкции и тех
нологии ее изготовления. Выбранные конструктивные формы в известной мере ограничивают выбор технологических приемов и методов сварки, а принятая технология изготовления сварной конструкции в определенной степени влияет на изменение исходных свойств 
материала, на точность сохранения проектных размеров и формы 
конструкции и на возникновение в конструкции того или иного 
напряженного состояния. Все это может отразиться на работоспособности сварной конструкции.

6.Возникновение в сварном соединении различных неоднород
ностей вследствие доведения свариваемых кромок до плавления (при 
сварке плавлением) или до пластического состояния (при сварке давлением). В том и другом случае в сварном соединении образуются 
зоны с различным химическим составом металла, с различной структурой, с различными свойствами. К этому может добавиться и геометрическая неоднородность, вызванная как заданными конструктивными формами, так и технологией выполнения сварки.

7.Появление остаточных деформаций и напряжений в сварной 

конструкции как следствие возникновения при сварке пластических 
деформаций.

Все те особенности сварных конструкций, которые, на первый 

взгляд,
могут казаться отрицательными (например, отмеченные 

Пояркова Е. В., Диньмухаметова Л. С., Калеева Ж. Г.

12 

в п. 5-7) в действительности не окажут такого влияния, если их учесть 
еще при проектировании* конструкции. 

1.1 Принципы конструктивно-технологического 

проектирования сварных конструкций

Анализируя особенности сварных конструкций, представленные 

выше, выявлено, что для создания наиболее рациональных конструкций необходимо при их проектировании учитывать все технологические воздействия, которые она испытывает в процессе изготовления. 
Стало быть, необходимо комплексное проектирование сварной конструкции и технологического процесса ее изготовления, так как только в этом случае можно выбрать такие решения, которые обеспечат 
необходимую работоспособность сварной конструкции при минимальных затратах материалов, труда и времени на ее изготовление.

При одновременном проектировании конструкции и технологи
ческого процесса ее изготовления могут быть выбраны формы, облегчающие механизацию и автоматизацию процессов изготовления 
сварной конструкции, и использованы технологические средства для 
повышения ее работоспособности. Однако комплексная разработка 
проекта конструкции и проекта технологического процесса ее изготовления еще недостаточно для максимального использования всех 
возможностей создаваемых сваркой и для полной гарантии надежной 
работы сварной конструкции. 

Существующие методы расчетов прочности, как правило, не учи
тывают воздействия, оказываемого на конструкцию процессом ее изготовления. Поэтому в обычно выполняемых расчетах прочности, как 
правило, исходят из нормативных свойств материала без учета изменений, которые называются процессом сварки, без учета наличия в 
сварных соединениях неоднородности свойств в различных зонах. 

* В науке о сварке к настоящему времени созданы многочисленные разделы теории сварочной 

техники, которые позволяют регулировать происходящие при сварке процессы, не только предотвращая вредные последствия, но и используя эти процессы для повышения работоспособности сварной конструкции.

Прочность сварных конструкций

13 

Расчеты прочности ведут, ориентируясь на то напряженное состояние, 
которое вызывается только внешней нагрузкой, и не учитывают того 
поля напряжений, которое создано процессом изготовления конструкции. При расчетах исходят из проектных размеров и формы отдельных 
сварных соединений и элементов без учета тех искажений, которые 
вызываются сварочными деформациями. Все это приводит к тому, что 
расчеты перестают правильно воспроизводить действительные условия работы конструкции и в ряде случаев не могут гарантировать 
надежность работы конструкции. Поэтому необходимо в расчетах 
прочности и устойчивости учитывать технологические воздействия.

Если в отдельных случаях и пытаются учесть воздействия тех
нологии при расчетах, то это делают введением поправочных коэффициентов в допускаемые напряжения, предельные нагрузки или 
нормы. Такой подход приводит к излишним затратам материала, так 
как понижающие коэффициенты приходится применять и там, где 
они не нужны, и, кроме того, они не дают гарантии надежности, так 
как один коэффициент не может учесть всего многообразия действительных условий работы конструкции и ее сварных соединений. Поэтому необходимы уточненные методы расчетов прочности и устойчивости, в которых бы учитывались технологические факторы.

Наряду с расчетами прочности должны производиться и расчеты 

точности. При проектировании обычно ограничиваются лишь требованиями к точности отдельных элементов конструкции, в целом не 
проверяя, в какой мере при выбранных конструктивных формах достижима эта точность. В настоящее время существуют инженерные 
методы расчеты деформаций, возникающих при сварке, которые позволяют расчетным путем оценивать достижимую точность сварного 
элемента, а следовательно, еще при проектировании конструкции 
предусматривать те меры повышения точности, которые придется 
принимать при изготовлении конструкции, если конструктивными 
средствами достичь требуемой точности невозможно.