Прочность сварного шва на растяжение
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
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:
и
.
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