Прочность при растяжении сварного шва
В конструкциях из металла зачастую необходимо соединить между собой отдельные детали, для того чтобы это осуществить прибегают к использованию сварных швов. Это один из самых простых и недорогих способов, отличающийся высоким качеством. Параметры у каждого сварного соединения разные, все зависит от используемого металла, его толщины и т.д. Поэтому в каждом отдельном случае необходимо произвести индивидуальный расчет на прочность сварных соединений. Эти вычисления помогут выявить характеристики сварного шва на данный момент.
Общие сведения
Как уже отмечалось, сварные швы являются одними из самых прочных среди существующих неразъемных соединений. Они возникают в результате воздействия сил молекулярного сцепления, которое является результатом сильного нагрева до расплавления деталей в месте их сцепления или нагрева деталей до пластического состояния, посредством механического усилия.
Несмотря на прочность и надежность сварного шва, у подобного соединения выделяется и ряд недочетов: из-за того, что нагревается и охлаждается соединение неравномерно, может наблюдаться остаточное напряжение. Помимо этого, в процессе сварки могут образовываться некоторые дефекты, например, трещины или непровары. Все это негативно сказывается на прочности сварных соединений.
Первоначальный расчет сварных швов на прочность производят на этапе составления проекта. Этому моменту стоит уделить особое внимание, поскольку важно выбрать материалы, которые будут надежными и прочными и смогут выдержать определенные нагрузки.
Если произвести верный расчет на прочность получившегося шва, то можно определить необходимое количество расходуемого материала.
Расчет сварных швов на прочность
Для того, чтобы произвести расчет сварных соединений и вычислить коэффициент прочности сварного шва, надо произвести точный замер всех показателей (форма, размер, положение в пространстве).
Осуществить сварку можно разными способами. На сегодняшний день наибольшей популярностью пользуются следующие виды сварки:
- электрическая, которая в свою очередь подразделяется на дуговую и контактную,
- газовая.
Также выделяются: ручная, полуавтоматическая, автоматическая сварка.
Учитывая тот фактор, каким образом размещаются элементы, которые подвергаются сварке, выделяются такие типы соединений: стыковые, угловые, нахлесточные, тавровые.
Для каждого из вышеизложенных типов расчет на прочность проводится индивидуально.
Стыковые швы
Если необходимо высчитать коэффициент прочности сварного шва, в первую очередь, нужно обратить внимание на такой параметр как номинальное сечение, при этом учитывать утолщения швов, образуемых во время сварки не нужно. Вычисление производится исходя из данных о сопротивлении материалов, которые образуются в сплошных балках.
Когда касательные, нормальные напряжения начнут оказывать непосредственное влияние на соединения, то для расчета эквивалентного напряжения следует воспользоваться формулой:
Условие прочности можно представить следующим образом: σЭ ≤ [σ’]P
Для поиска данных этого параметра ниже представлена таблица.
Метод сварки | Допускаемые напряжения | ||
| При растяжении [σ’]р | При сжатии [σ’]еж | При сдвиге [τ’]ср | |
| Автоматическая, ручная электродами Э42А и Э50А | [σ]р | [σ]р | 0,65 [σ]р |
| Ручная электродами обычного качества | 0,9 [σ]р | [σ]р | 0,6 [σ]р |
Контактная точечная | 0,5 [σ]р | ||
Угловые швы
Соединение угловых сварных швов чаще всего осуществляется с поперечным сечением. Оба края соотносятся друг к другу 1:1. Поскольку сторона сечения называется катет сварного шва, на всех схемах и формулах она имеет обозначение «К». Зачастую шов деформируется и разрушается в самом маленьком месте сечения (опасное сечение), оно наиболее слабое, и проходит через биссектрису прямого угла. В таком сечении габариты (размер) шва определяются как β*К. Еще один важный показатель – длина шва (а). С помощью этих показателей можно узнать какую нагрузку способен выдержать сварной шов.
Рассмотрим примеры.
Если процесс сварки осуществлялся в автоматическом, полуавтоматическом или ручном режиме, то β будет равняться 0,7. Таким образом, получится шов в форме равнобедренного треугольника. В случае, когда процесс сварки происходил в полуавтоматическом режиме, но подход был не один, а несколько (2 или 3), то β уже будет равен 0,8; для такого же случая, но при автоматическом режиме β=0,9, а для автоматической однопроходной сварки — β=1,1. Требуется принимать К <δmin. В машиностроении общего назначения К, как правило, ≥ 3 мм.
Обратите внимание! Расчет на прочность сварных соединений углового типа должен производиться исключительно по касательным напряжениям.
Для этого необходимо узнать общее касательное напряжение. Чтобы узнать этот показатель надо определить самую нагруженную точку в данном сечении. После чего, показатели всех напряжений, находящихся в нем суммируются.
Для того, что найти коэффициент прочности сварного шва и узнать какую нагрузку он способен выдержать, надо иметь исходные данные. Однако, только этих сведений недостаточно. Важно рассчитать все верно и последовательно.
- На первом этапе нужно узнать все показатели, отличающие данное сварное соединение: форма, размер, положение в пространстве.
- После, опасное сечение — это сечение с наибольшим напряжением, нужно повернуть на плоскость, которая непосредственно контактирует со свариваемой деталью. После того, как вы его повернете, образуется новое расчетное сечение.
- На следующем этапе нужно определиться с местом положения центра масс на сечении, образовавшемся в результате поворота (расчетном сечении).
- Внешнюю приложенную нагрузку надо переместить в центр масс.
- Следующее, что необходимо сделать – это узнать показатели напряжения, образующегося в расчетном сечении под воздействием поперечной и нормальной силы, а также крутящего и изгибающего момента.
- Далее нужно найти самую нагруженную точку в сечении. Именно здесь надо суммировать все полученные нагрузки, оказывающие влияние на поверхность и в итоге вы узнаете общую итоговую нагрузку, которой будет подвергаться шов.
- Затем нужно произвести расчет допускаемого напряжения, которое будет воздействовать на шов.
- И заключительный этап состоит в сравнении допустимого напряжения и суммарного. Таким образом, вы получите размеры, которые максимально подходят для выбранной вами конструкции.
Подводя итог важно отметить, что производить расчет сварного шва на прочность обязательно нужно. Ведь верно высчитанные параметры обеспечат вам надежные соединения.
[Всего: 2 Средний: 3/5]
Источник
Прочность сварных соединений — это возможность в определенных условиях выдерживать нагрузки, не разрушаясь от силовых воздействий. Нагрузки при этом учитываются не только рабочие, но и предельные.
Рабочие состоят из внешних нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации от собственного веса и образующихся при сваривании напряжений. К предельным относят те, которые образуются при текучести в основном сечении и в при этом возникают максимально допустимые деформации и повреждения. Чтобы стыки были надежными и качественными, то перед процессом сваривания необходимо выполнить расчет на прочность сварного шва.
От чего зависит прочность сварочного стыка
Чтобы правильно вычислить прочность сварного шва, необходимо знать какие факторы влияют на прочностные характеристики. Главное условие для создания прочных соединений — соблюдение сварочной технологии.
Но есть также ряд других факторов, от которых зависит насколько качественным будут стыки:
- качество используемых материалов. Коэффициент прочности сварного шва напрямую зависит от того, насколько правильно подобран окружающий металл и какими характеристиками он обладает;
- расходные материалы. Неверно подобранные присадки или электроды не способны сформировать надежное соединение;
- сварочное оборудование должно отвечать требуемой мощности и технологии сварки;
- надежность и качество провара зависит от режима сварки, в частности от силы тока и полярности;
- качество заготовок. На кромочных стыках не должно быть никаких изъянов и вкраплений, поскольку это нарушает форму и прочность шва.
Каждый из этих параметров должен учитываться при планировании сварочных работ и от каждого из них зависит насколько точно будет произведен расчет на прочность сварных соединений.
Как рассчитать на прочность сварочные швы
В зависимости от того, как размещены при сваривании соединяющие элементы, выделяют разные типы швов: угловые, стыковые, тавровые, нахлесточные. На фото ниже можно посмотреть разные способы соединения между собой свариваемых деталей.
Для каждого вида соединений расчет сварных швов на прочность проводится индивидуально и с учетом разных параметров. Прочностные значения стыковых швов определяются по номинальному сечению проваренного участка, на котором отсутствуют наплывы. Для угловых соединений прочностные показатели определяет катет.
В любом случае прежде чем осуществлять расчет прочности сварного шва, необходимо вычислить площадь его поперечного сечения. Установить сечение можно при умножении длины и толщины сварочного соединения.
Определить допускаемое усилие в стыке при растяжении можно по формуле: Р = σp × S × I
При сжатии формула несколько другая: Р = σсж × S × I
Условные обозначения в формулах следующие:
- S — толщина элементов, которые соединяются техникой сваривания;
- I — длина сварочного соединения;
- σp — допустимое напряжение при растяжении;
- σсж — допустимое напряжение при сжатии.
Вычислить какой прочностью будет обладать нахлесточный шов можно по формуле: Р = τср × 0,7К × I, в которой:
- Р — допустимо возможное усилие;
- τср — показатель допускаемого напряжения металла, наплавленного при срезе;
- К — длина катета, которая в формуле проставляется с коэффициентом 0,7;
- I — протяжность соединительного стыка.
Вычисляя несущие возможности стыкового шва необходимо ориентироваться на напряжение, которое является допустимым в самом опасном сечении (s), а также на напряжение, зависящее от предела текучести (HSЭ). Выдерживание соотношений этих двух показателей является обязательным и только при полном их соответствии элемент металлоконструкции будет удовлетворять все выдвигаемые к прочностным характеристикам требования.
Основная задача при подготовке к свариванию металлоконструкций — не превысить максимально допускаемые напряжения рассчитывая прочность сварного шва на разрыв, таблица коэффициентов которого есть на специализированных сайтах в интернете в свободном доступе.
Онлайн расчет прочности стыков
Проведение предварительных расчетов прочности перед свариванием металлоизделий позволяет предотвратить неточности и браки, приводящие к разрушению конструкций. Чтобы безошибочно провести расчет сварных швов на прочность примеры готовых вычислений могут послужить в качестве инструкций правильности выполнения всех действий. А исчислять прочностные свойства лучше всего в онлайн режиме, воспользовавшись специальными программами «Калькулятор прочности».
С помощью программы не составить сложности без погрешностей вычислить несущую способность швов по длине и катету, подобрать диаметр арматуры согласно требуемой на разрыв нагрузки, установить площадь поперечного сечения и рассчитать другие значения, от которых зависит прочность и надежность сварных конструкций.
Интересное видео
Источник
При испытании определяют:
- • прочность наиболее слабого участка стыкового или нахлес- точного соединения;
- • прочность металла шва в стыковом соединении.
Определение прочности наиболее слабого участка стыкового и нахлесточного соединения. При испытании сварного соединения на статическое растяжение определяют временное сопротивление наиболее слабого участка.
Испытания проводят, как правило, на образцах, толщина или диаметр которых равен толщине или диаметру основного металла. При испытании сварного соединения из листов разной толщины более толстый лист путем механической обработки должен быть доведен до толщины более тонкого листа.
Форма и размеры плоских образцов для испытания стыковых соединений должны соответствовать рис. 6.14 или 6.15 и табл. 6.2.
Рис. 6.14. Форма и размеры плоских образцов для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение
Рис. 6.15. Форма и размеры плоских образцов с рабочей частью для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение
Допускается применение цилиндрических образцов типов I, II, III, IV и V. Разрешается применение образцов по приложению 3 к ГОСТ 1497-84.
При испытании материалов высокой прочности разрешается изменять конструкцию захватной части образцов.
Форма и размеры образцов для испытания стыковых соединений стержней должны соответствовать рис. 6.16 и табл. 6.3.
Утолщение шва должно быть снято механическим способом до уровня основного металла. При удалении утолщения разрешается снимать основной металл по всей поверхности образца на глубину
Таблица 6.2
Размеры образцов в мм
Толщина основного металла а | Ширина рабочей части b | Ширина захватной части образца Ь | Длина рабочей части образца/ | Общая длина образца L |
До 6 | 15 ± 0,5 | 25 | 50 | L=l+2h |
Более 6 до 10 | 20±0,5 | 30 | 60 | |
Более 10 до 25 | 25 ±0,5 | 35 | 100 | |
Более 25 до 50 | 30 ±0,5 | 40 | 160 | |
Более 50 до 75 | 35 ±0,5 | 45 | 200 |
Примечания: 1. Длину захватной части образца И устанавливают в зависимости от конструкции испытательной машины.
2. Размеры образца по толщине металла более 75 мм устанавливаются соответствующими техническими условиями.
Таблица 6.3
Размеры образцов в мм
Диаметр стержня d | Длина рабочей части образца/ | Общая длина образца L |
До 10 | 60 | L=l+2h |
Более 10 до 25 | 100 | |
Более 25 до 50 | 160 | |
Более 50 до 75 | 200 |
Примечания: 1. Длину захватной части образца L устанавливают в зависимости от конструкции испытательной машины.
2. Размеры образца по толщине металла более 75 мм устанавливаются соответствующими техническими условиями.
до 15 % от толщины металла или диаметра стержня, но не более 4 мм. Удаление основного металла с поверхности образца производят только с той стороны, с которой снимают утолщение шва или имеется уступ. Строгать утолщение следует поперек шва. Острые кромки плоских образцов должны быть закруглены радиусом не более 1,0 мм путем сглаживания напильником вдоль кромки.
Разрешается строгать утолщение вдоль шва с последующим удалением рисок.
По требованию, оговоренному в стандартах или другой технической документации, разрешается производить испытание образцов типов XII, XIII и XIV без снятия утолщения. В этом случае в формулу подсчета временного сопротивления (п. 34 ГОСТ 1497—84) вводят значение площади сечения образца вне шва.
Рис. 6.16. Форма и размеры плоских образцов для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение при недостаточной мощности разрывной машины
При недостаточной мощности разрывной машины разрешается испытывать плоские (рис. 6.17) или цилиндрические (рис. 6.18, 6.19) образцы. Величину захватной части образцов h устанавливают в зависимости от конструкции испытательной машины.
Разрешается применение цилиндрических образцов с другими рабочими диаметрами и другим типом захватной части в соответствии с приложением 1 к ГОСТ 1497—84. Допускается проведение испытаний на образцах типов XII—XVII с более низким классом чистоты обработки при условии соответствия характеристик механических свойств испытываемого металла всем установленным требованиям.
Рис. 6.17. Форма и размеры плоских образцов с рабочей частью для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение при недостаточной мощности разрывной машины: а — толщина основного металла, мм
Рис. 6.18. Форма и размеры цилиндрических образцов для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение при недостаточной мощности разрывной машины
Рис. 6.19. Форма и размеры цилиндрических образцов с рабочей частью для испытаний стыковых соединений на статическое растяжение при недостаточной мощности разрывной машины
Рис. 6.20. Образцы для контроля прочности сварных соединений труб
Для контроля прочности сварных соединений труб применяют образцы, приведенные на рис. 6.20. В этом случае в формулу подсчета временного сопротивления (п. 34 ГОСТ 1497—84) вводят значение площади сечения трубы вне шва. В случае сплющивания концов трубы, если этого требует конструкция разрывной машины, расстояние от оси шва до начала сплющиваемого участка должно быть не менее 2D.
По требованию, оговоренному в стандартах или другой технической документации, испытание образцов типа XVIII проводится со снятым утолщением шва.
Максимальный диаметр трубы при испытании образцов типов XVIII и IX определяется мощностью оборудования для испытаний.
При недостаточной мощности разрывных машин разрешается при диаметре трубы более 60 мм производить испытание стыкового соединения труб на образцах типов XII и XIII. Образец не выправляют. Для этой же цели разрешается применение образцов типов I—V. Металл шва располагают посередине рабочей части образца (рис. 6.21).
Сварные соединения, выполненные точечной сваркой и электрозаклепками, испытывают на срез путем растяжения образца, приведенного на рис. 6.22, или на отрыв растяжением образца, приведенного на рис. 6.23. При испытании электрозаклепок ширина образца во всех случаях равна 50 мм.
Размеры образца должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 6.4.
Рис. 6.21. Образцы для контроля прочности сварных соединений груб диаметром более 60 мм при недостаточной мощности разрывной машины
Рис. 6.22. Форма и размеры образца с одной сварной точкой, выполненной точечной сваркой или электрозаклепками для испытания на срез:
а — толщина основного металла в мм; h — в зависимости от конструкции испытательных машин; / — длина рабочей части образца
Рис. 6.23. Форма и размеры образца с одной сварной точкой, выполненной точечной сваркой или электрозаклепками для испытания на отрыв растяжением образца
При испытании определяют разрушающую нагрузку на точку в килограммах (ньютонах).
Для предотвращения изгиба образцы типа XXI закрепляют в специальном приспособлении. Приспособление должно обеспечивать жесткость образца и возможность испытания его на разрывных машинах.
Таблица 6.4
Размеры образцов в мм
Толщина основного металла а | Ширина образца Ь, не менее |
До 1 | 20 |
Более 1 до 2 | 25 |
Более 2 до 3 | 30 |
Более 3 до 4 | 35 |
Более 4 до 5 | 40 |
Более 5 | 45 |
Рис. 6.24. Форма и размеры образцов соединения, выполненного шовной сваркой, для испытания на срез путем растяжения образцов
Сварные соединения листов, выполненные шовной сваркой, испытывают на срез путем растяжения образцов, приведенных на рис. 6.24.
При толщине металла до 1,0 мм испытывают образцы типа XXIII. При толщине металла более 1,0 мм выбор типа образца не устанавливается. При испытании определяют разрушающую нагрузку на образец в килограммах (ньютонах).
Вырезку образцов типов XX, XXII и XXIII из контрольных сварных соединений, сваренных точечной или шовной сваркой, производят согласно рис. 6.25. Шаг точек должен обеспечивать возможность вырезки образцов заданных размеров.
Разрешается сваривать образцы с одной точкой в соответствии с рис. 6.25.
Рис. 6.25. Контрольное сварное соединение, выполненное контактной точечной или шовной сваркой, для вырезки образцов типов XX, XXII и XXIII
Источник