Предел прочности при растяжении для сварки

На чтение 7 мин. Опубликовано 13.08.2020

В производстве металлоконструкций самым надежным методом соединения между собой отдельных деталей является сварка. Прочность сцепления при этом обеспечивается межмолекулярным взаимодействием, возникающим под влиянием высокой температуры. Чтобы стыки (дорожки, швы) готового изделия получились качественными, перед началом работы должны быть правильно выполнены расчеты сварного шва. Точные вычисления нужны для выбора основных и расходных материалов, для понимания того, насколько надежной и монолитной будет конструкция.

Расчет сварного шва на срез производится по общепринятым стандартным формулам.

Какие параметры используются в расчете

В расчете на прочность сварных соединений необходим целый ряд показателей.

Их знание позволяет провести подсчеты с наименьшей погрешностью.

При этом учитывают следующие основные параметры:

Ry — сопротивление материала изделия с учетом предела текучести; это постоянная величина для каждого металла;
Ru — сопротивление материала в соответствии с временным сопротивлением; стандартный табличный показатель;
Rwy — сопротивление с учетом предела текучести;
N — предельно допустимая нагрузка, которую может выдержать сцепление;
t — минимальная толщина соединяемых деталей;
lw — максимальная длина сварного стыка, при вычислении ее уменьшают на 2t;
gс — коэффициент условий, которые преобладают на рабочем месте; стандартизированный параметр, присутствует в общепринятых таблицах, в частности, в методичках для сварщиков.

Процесс растяжения и сжатия металла вычисляют по формуле:

Если при изготовлении изделия свариваются детали из разных металлов, то в формулах используются Ry и Ru для материала с наименьшей прочностью. Аналогично поступают при включении параметров в расчете шва на срез.

При расчете на прочность необходим ряд показателей.

Кроме названных числовых показателей на надежность соединения влияют:

качество материала изделия;
правильно подобранные расходные материалы (присадки, электроды);
режим сварки, в т. ч. полярность и сила тока;
тщательность обработки заготовок — на кромке стыков не должно быть никаких деформаций и посторонних вкраплений;
соответствие сварного аппарата требуемой технологии сварки и мощности.

Такие характеристики обязательно берутся во внимание, от каждой из них зависит точность расчета качества сцепления.

Коэффициент прочности шва

Это показатель φ, являющийся отношением между собой прочностей сварной дорожки и основного материала. Его значение нормировано и определяется способом сварки и конструкцией стыка. Он принимается на основании Правил Госгортехнадзора и отражается в приложениях ГОСТов Р52857.1-2007, 14249-89 и 34233.1-2017.

Таблица 1. Коэффициенты прочности сварочных швов

Тип сварного соединения	Значение φ
	Контролируемый участок от общей протяженности шва:
	100%	10-50 %
Стыковое одностороннее, выполненное ручной сваркой	0,9	0,65
Тавровое, с конструктивно предусмотренным зазором между деталями	0,8	0,65
Встык одностороннее, производимое с подкладкой из флюса или керамики, автоматической или полуавтоматической сваркой	0,9	0,8
Втавр или встык со сплошным двусторонним проваром, выполняемый автоматикой или полуавтоматикой	1,0	0,9
Стыковое с подвариванием корня шва или тавровый со сплошным проваром с 2 сторон, выполненные ручной сваркой	1,0	0,9
Одностороннее встык, во время сварки имеет со стороны корня шва металлическую подкладку, прилегающую к основному материалу по всей длине шва	0,9	0,8

Коэффициент прочности для дорожек, паянных мягкими и твердыми припоями с использованием аппаратов из цветных металлов, составляет 0,7 для композиционной пайки, 1 — для однородной.

Используемые формулы

Есть много формул, по которым производят расчеты для создания качественных сварных дорожек. В них используются показатели, определяемые не только типом шва, но и видом и толщиной основного материала, площадью и расположением стыкуемых деталей, предельными нагрузками, эксплуатационной температурой изделия и др. Уравнения для отдельных разновидностей сварных швов различаются.

Есть много формул, по которым производят расчеты.

Расчет прочности швов на выпуклых поверхностях

В производстве сосудов — труб различных емкостей — применяются стыковые сварные соединения. Сюда относятся швы на выпуклых днищах (меридиональные и хордовые) и на обечайках (продольные). Принятые стандарты и методы расчета на прочность таких изделий отражены в ГОСТ 34233.11-2017. Расчет сварного соединения выпуклой поверхности зависит от ряда показателей — марки и толщины стали, из которой изготавливается сосуд, внутреннего и внешнего давления на стенки, типа нагрузки и т. д.

Уравнение расчета допускаемого напряжения (измеряется в МПа) на примере цилиндрической обечайки для сосуда, работающего при однократных статических нагрузках и выполненного из низколегированной или углеродистой стали:

Данная формула применима только для сосудов из пластичных материалов в условиях использования металлов.

Зависимость от типа сварочного шва

Существует несколько вариантов сцепления металлических элементов в единую конструкцию. По расположению соединяемых деталей различают следующие виды сварных швов:

Стыковой — наиболее рациональный, т. к. концентрация напряжения в шве при таком методе минимальна. Свариваются торцы деталей, в результате одна часть изделия продолжает другую.
Угловой — соединяемые элементы располагаются перпендикулярно друг другу. Прочность здесь во многом зависит от верно рассчитанного предельного усилия.
Тавровый — похож на угловой с той лишь разницей, что детали свариваются торцами. Такая дорожка прочная, экономичная и простая в выполнении.
Нахлесточный — края сцепляемых деталей несколько находят друг на друга. Такой тип позволяет укрепить соединение и применяется там, где нужно сварить металл толщиной не более 5 мм.

Для каждого из названных типов расчет производится по индивидуальной формуле.

Прежде чем начинать вычисление прочности будущего сцепления, нужно рассчитать площадь его поперечного сечения. Для этого длину сварного соединения умножают на его толщину.

Соединение листов внахлест

Для расчета напряжения среза используют формулу:

где:

P — нагрузка на шов, Н;
[τ]’ср — допускаемое напряжение на срез, Па;
0,7k — толщина шва в наиболее опасном сечении, см;
l — длина сварной дорожки, мм.

При соединении внахлест разделка кромок не требуется.

Из выражения понятно, что полученное напряжение на срез должно получиться меньше максимально допустимого.

Значение нагрузки P таково:

При расчете учитывают минимальную площадь сечения сварной дорожки в поперечнике. Это связано с тем, что сварочные материалы по прочности могут превышать основной металл.

Угловые конструкции

Такие соединения рассчитываются на основании их поперечного сечения, причем наименьшего, т. е. в наиболее опасном месте дорожки. Показатель устойчивости простого углового шва на изгиб, когда он нагружен лишь моментом M, вычисляется так:

где:

Wc — момент сопротивления опасного сечения дорожки (шва);
M — изгибающий момент.

Угловые конструкции рассчитываются на основании их поперечного сечения.

А напряжение простого углового соединения на срез запишется таким образом:

где:

M — нагружающий момент на срез;
Fc = 0,7kl — площадь сечения дорожки в опасном месте, мм²;
P — допустимая нагрузка на дорожку.

При расчете угловых сварных швов на срез применяется общепринятое выражение:

где:

N — максимальная нагрузка, давящая на линию сцепления;
с — коэффициент условий рабочей среды, значение указано в стандартизированных таблицах;
ßf, ßz — постоянные величины, не зависящие от марки металла, ßz = 1, ßf = 0,7;
Rwf — сопротивление срезу, табличная величина для разных материалов;
Rwz — сопротивление на линии стыка; стандартные, постоянные табличные величины;
kf — толщина дорожки, измеряется по линии сплавления;
Ywf — для стыка материала с сопротивлением 4200 кгс/см² составляет 0,85;
Ywz — 0,85 для всех марок стали;
lw — общая длина стыка, уменьшенная на 10 мм.

В определении длины сварочного сцепления на отрыв обязательно учитывают силу, направленную к центру тяжести. При этом площадь сечения выбирают в самом опасном месте дорожки, т. е. наименьшую.

Тавровые швы

Условие прочности сцепления втавр, выполненного встык и работающего на растяжение Р и момент M, выглядит так:

Формула для такого же, но не стыкового, а углового шва:

Тавровые швы могут быть односторонними и двусторонними.

Если тавровое соединение будет нагружено изгибом и крутящим моментом, то применяется уравнение:

Крутящая и изгибающая сила соответственно определяются следующими формулами:

Сварка на стыке

Расчет шва встык, который будет работать на сжатие либо на растяжение, выполняется по уравнению:

где:

l — длина сварочной дорожки, мм;
P — нагрузка, действующая на стык, Н;
s — толщина соединяемых деталей, мм;
[σ]’ р1сж1 — допускаемое для сцепления напряжение на растяжение либо сжатие, Па.

Допустимая действующая нагрузка P составит:

Стыковое сцепление, работающее на изгиб, рассчитывается по формуле:

где:

М — это изгибающий момент, Н/мм;
Wc — момент сопротивления расчетного сечения.

Если напряжение шва возникает и от изгиба М, и от сжатия либо растяжения Р, то оно определяется уравнением:

Источник

Прочность сварных соединений — это свойство, не разрушаясь, воспринимать определенные нагрузки в тех или иных заданных условиях. При этом учитывают как рабочие, так и предельные нагрузки. Под рабочими нагрузками понимают суммарные напряжения, возникающие от собственного веса, внешних нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации, и собственных напряжений, создающихся при сварке, сборке и т.д.

Предельными считаются нагрузки, когда наступает текучесть в основном сечении, возникшая под действием статических, повторно-переменных и динамических сил. При этом возникают максимально допустимые повреждения или деформации, за которыми следует потеря эксплуатационной способности конструкции. При расчете несущей способности сварочного шва ориентируются на допустимое напряжение в наиболее опасном сечении элемента «s» и допустимое напряжение, составляющее некоторую часть от предела текучести «нвэ». При этом обязательно должно выдерживаться соотношение: HSЭ i s. При таком соотношении элемент конструкции удовлетворяет требованиям прочности. Для большей уверенности применяют коэффициент запаса прочности «п», который гарантирует не наступление текучести и для низкоуглеродистых сталей лежит в пределах 1,35 — 1,50, a HSЭ = 160 Мпа.

Допустимое напряжение в наиболее опасном сечении «s» определяют по формуле:

Где F — площадь поперечного сечения элемента, а N — осевое усилие, прикладываемое к нему.

Говоря о прочности сварочного соединения, не следует забывать о его пористости и трещинах, оказывающих значительное влияние на этот показатель. Поры в сварочном шве возникают при выделении газов в процессе кристаллизации металла. Как правило, это азот, водород или окись углерода, получаемые в результате химических реакций. Но поры в сварочном шве могут возникать не только от газов. Это явление случается при повышенной тугоплавкости, вязкости и плотности шлаков, которые не покидают пределы сварочного шва.

Поры могут быть внутренними или наружными, располагаться по оси шва или на его границах, форма их может быть округлая, овальная или более сложная, а их размеры могут колебаться от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Уменьшению пористости сварочного шва способствует предсварочная подготовка, которая заключается в тщательной зачистке сварного соединения от грязи, масел, ржавчины и прочих посторонних включений. Борются с пористостью при помощи правильно подобранных режимов сварки, защитными покрытиями и флюсами, вводимыми в сварочную ванну.

Трещины в массиве шва и околошовной зоны могут быть холодными и горячими. Горячие трещины (рис.1) возникают в процессе кристаллизации жидкой фазы металла.

Рис. 1 Наличие горячих трещин в сварных соединениях: 1 —2 —3 — поперечные трещины шва и зоны вокруг него в материале; 4 —5 — трещины продольные

Этому явлению способствуют линейные сокращения металла, возникающие в результате внутренних напряжений. Размеры и направление горячих трещин могут быть самыми различными и зависят от соответствия материала, электродов и режимов сварки.

Для определения этого соответствия сначала сваривают пробный образец, который подвергают тщательному анализу. Наличие трещин может определяться визуально под увеличением, а ответственные детали подвергают просветке или облучению.

Холодные трещины чаще всего имеют микроскопический характер и возникают при температурах не более 200°С. Причинами появления холодных трещин может быть хрупкость металла при быстром его охлаждении, остаточные напряжения в сварных соединениях или повышенное содержание водорода.

Коррозия сварных соединений снижает прочность шва и его долговечность. В связи с большими структурными изменениями сварных соединений они обладают большей коррозийной активностью по сравнению с основным металлом. Коррозия может быть общей и местной.

При общей коррозии поражается вся поверхность металла, что свидетельствует о его низкой коррозийной стойкости. Местная коррозия проявляется в наличии отдельных ржавых пятен, точек. Она может быть как поверхностная, так и межкристаллитная.

Наиболее опасна межкристаллитная коррозия, которая проникает вглубь зерен, не разрушая их. Наиболее характерные коррозийные разрушения сварного соединения показаны на рис.2.

Избежать этого опасного явления помогает правильный подбор материалов, сварочных электродов, применение защитных покрытий и замедлителей, которые наносят на поверхность металла или в коррозионную среду. Хорошие результаты дает применение сварочной проволоки с высокой коррозийной стойкостью. При сварке такой проволокой получается шов с большей коррозийной стойкостью, чем основной металл. На коррозийную активность сварочного шва оказывают влияние и выбранные режимы сварки.

Рис.2. Коррозионные разрушения при сварке: А — общая коррозия: 1 — равномерное распределение; 2 — шовная коррозия; 3 — интенсивная коррозия всего металла; 4 — ржавчина в зоне термического влияния; Б — местная коррозия: 1 — коррозия в термической зоне (межкристалитная); 2 — шовная коррозия; 3 — коррозия в зоне сплавления; 4 — точечная коррозия; В — усталость (коррозийное вытрескивание)

Понятие о расчете швов на прочность

При расчете сварных соединений на прочность в первую очередь необходимо знать площадь поперечного сечения сварного шва. Перемножая толщину сварного шва на его длину, получим площадь поперечного сечения сварного шва. При растяжении допускаемое усилие в сварном соединении определяется по следующей формуле:

Р = σр •S • l.

При сжатии

P = σсж •S • l,

где l — длина шва; S — толщина соединяемых элементов; σр— допускаемое напряжение в сварном шве при растяжении; σсж — допускаемое напряжение в сварном шве при сжатии.

При расчете на прочность нахлесточного соединения применяют следующую расчетную формулу:

P = τср • 0,7K • l,

где P —допускаемое усилие: τcр—допускаемое напряжение наплавленного металла при срезе; К —длина катета; l — длина сварного шва.

Источник

Поделиться ссылкой:

Коэффициент прочности сварных соединений
отношение предельной нагрузки, действующей в направлении, перпендикулярном к направлению сварного соединения (т. е. при αw = 0), к предельной нагрузке бесшовной детали (из РД 10-249-03).

Общие сведения.

Обычно для обозначения коэффициент прочности сварных соединений используют греческую букву — φ. На сайт для обозначения в расчетах используется буква — f.

Расчетный коэффициент прочности φ представляет собой относительную величину, используемую в формулах для определения толщины стенки расчетной детали и учитывающую ослабление отверстиями и сварными соединениями.

Коэффициенты прочности определяется в процессе выполнения расчета на прочность согласно выбранной методики расчета. В разных методиках классификация коэффициентом прочности может быть своя и иметь свои нюансы.

Коэффициенты прочности сварных соединений по ГОСТ 32-388-2013 «Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчета на прочность, вибрацию и сейсмические воздействия».

Виды коэффициентов прочности сварных соединений.

- коэффициент прочности продольного сварного шва при растяжении (φy);
- коэффициент прочности поперечного сварного шва при растяжении (φw);
- коэффициент прочности поперечного сварного шва при изгибе (φbw);
- коэффициент прочности элемента с угловым сварным швом (φL).

Значения коэффициентов прочности сварных соединений для стальных трубы.

Коэффициенты прочности продольного и поперечного сварного шва при растяжении.

Коэффициенты прочности при растяжении φy, φw для стыковых сварных соединений стальных трубопроводов при растяжении, выполненных любым допущенным способом (автоматической, полуавтоматической или ручной дуговой сваркой), обеспечивающим полный провар по всей длине стыкуемых элементов, при контроле шва радиографией или ультразвуком по всей длине шва принимают по таблице

Сталь и способ сварки	φy при расчетной температуре		φy при расчетной температуре с учетом уровня контроля
	510°С и менее	530°С и более	510°С и менее		530°С и более
	510°С и менее	530°С и более	при выбор. контр. не менее 10%	при от-вии контр. или при выбор. контр. менее 10%	при выбор. контр. не менее 10%	при от-вии контр. или при выбор. контр. менее 10%
Углеродистая, низколегированная, марганцовистая, хромомолибденовая и аустенитная при любом способе сварки	1,0	1,0	0,8	0,7	0,8	0,7
Хромомолибденованадиевая и высокохромистая:
— при электрошлаковой сварке	1,0	1,0	0,8	0,7	0,8	0,7
— при электронно-лучевой сварке	1,0	0,9	0,8	0,7	0,72	0,63
— при ручной дуговой сварке, контактной стыковой сварке, автоматической стыковой сварке под флюсом	1,0	0,7	0,8	0,7	0,56	0,49
Примечание — При расчетной температуре от 510°С до 530°С значение коэффициента определяют линейным интерполированием между указанными значениями.

Коэффициенты прочности стыкового сварного соединения φy, φw контроль качества которых радиографией или ультразвуком допускается проводить не по всей длине каждого шва, рекомендуется принимать, умноженными на следующее значение:

- при выборочном контроле не менее 10% длины данного шва — 0,8;
- при отсутствии контроля или при выборочном контроле менее 10% длины данного шва — 0,7.

При наличии смещения кромок сварных труб коэффициенты прочности сварного соединения φy, φw должны быть уменьшены пропорционально смещению кромок. Например, при смещении кромок на 15% значение коэффициентов должно быть умножено на 0,85.

Коэффициент прочности поперечного сварного стыка стальных труб и деталей при изгибе.

Коэффициент прочности поперечного сварного стыка стальных труб и деталей при изгибе φbwопределяют так же как коэффициенты на прочность продольных и поперечных сварных швов (см. выше), но не более значений, приведенных в таблице.

Сталь	φbw для труб
Сталь	бесшовных	электросварных
Аустенитная хромоникелевая и высокохромистая	0,6	0,7
Хромомолибденованадиевая при расчетной температуре:
— 510°С и менее	0,9	1,0
— 530°С и более	0,6	0,7
Углеродистая, марганцовистая и хромомолибденовая	0,9	1,0
Примечание — При расчетной температуре от 510°С до 530°С коэффициент определяют линейной интерполяцией.

Коэффициент прочности для угловых и тавровых сварных соединений стальных деталей.

Коэффициенты прочности для угловых и тавровых сварных соединений φL стальных деталей на все виды нагрузок, кроме сжатия, определяют так же как коэффициенты на прочность продольных и поперечных сварных швов (см. выше), но не более следующих значений:

- при полном контроле 100% длины шва — 0,8;
- при выборочном контроле или в отсутствие контроля — 0,6.

Пример использования коэффициента прочности сварных соединений.

- расчет толщины плоской внутритрубной заглушки без центрального отверстии на трубопроводе (внутренний диаметр трубы D=100 мм) горячей воды с давлением Р=1,6 МПа и температурой Т=150ºС из стали Ст3сп, с допустимым напряжением при Т=150ºС равным 125 МПа и коэффициентом прочности для угловых и тавровых сварных соединений φL=0,7;
- расчет толщины эллиптической заглушки без центрального отверстии на трубопроводе (наружный диаметр трубы D=108 мм) горячей воды с давлением Р=1,6 МПа и температурой Т=150ºС из стали Ст3сп, с допустимым напряжением при Т=150ºС равным 125 МПа и коэффициентом прочности продольного сварного шва при растяжении φy=0,8.

Поделиться ссылкой:

Источник