Сварные швы 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
Расчет сварных соединений, выполненных стыковым швом. Расчет стыкового шва, работающего на растяжение или сжатие, производится по уравнению:
,
где 
— длина шва, мм; s — толщина соединяемых элементов, мм; P — действующая нагрузка, Н; 
— допускаемое напряжение на растяжение или сжатие для сварного шва, Па.
Допустимая растягивающая или сжимающая сила:
Расчет стыкового шва, работающего на изгиб осуществляется по формуле: 
где: М — изгибающий момент Н/мм; Wc – момент сопротивления расчетного сечения.
Напряжения, возникающие от изгибания момента М и растягивающей или сжимающей силы Р, определяются из выражения:
Расчет сварных соединений внахлестку. Сварные соединения внахлестку выполняются угловыми швами. Расчет угловых швов всех типов унифицирован и производится по единым формулам. Напряжение, среза определяется из уравнения
,
где Р — нагрузка, Н; — длина шва, мм; 0,7к — толщина шва в опасном сечении, см; 
— допускаемое напряжение на срез для сварного шва, Па.
Допустимая (сдвигающая) нагрузка:
При нагружении простого углового шва только моментом условие прочности шва на изгиб запишется так:
,
где М — изгибающий момент, Н/мм; Wc — момент сопротивления опасного сечения шва.
При нагружении простого углового шва моментом М и продольной силой Р (рис 48, а) напряжение на срез составит
,
где Fc = 0,7kl — площадь опасного сечения шва, мм2.
Комбинированные сварные швы применяются в том случае, селя про стой угловой шов (лобовой, косой, фланго вый) не обеспечивает необходимую прочность сварного соединения (рис. 49).
Условие прочности комбинированных швов, нагруженных моментом в плоскости стыка, при приближенном расчете выразится уравнением
а при уточненном расчете
,
где ρmax — наибольший радиус от центра тяжести площади опасных сечений шва; 
— полярный момент инерции сечения шва.
Рис.50. Схема к расчету комбинированного сварного соединения при сложном нагружении
Условие прочности комбинированных швов, нагруженных моментом М и сдвигающей силой Р в плоскости стыка (рис. 50), записывается следующим образом:
,
где 
; 
,
— длины флангового и лобового швов
Расчет пробочных, прорезных и проплавных соединений и соединений втавр. Прочность пробочных, прорезных и проплавных соединений, работающих обычно на срез, определяется формулой
При выполнении соединений втавр без подготовки кромки соединяемых элементов допускаемая растягивающая нагрузка
допускаемая сжимающая нагрузка
При выполнении соединений с подготовкой кромок или автоматической сваркой с глубоким проплавом металла соединяемых элементов
Рис. 51. Соединение в тавр Рис. 52. Схема к расчету таврового
без разделки кромок соединения
Условие прочности соединения втавр, выполненного стыковым швом при действии растягивающей силы Р и момента (рис. 51) запишется так:
при выполнении угловым швом
Условие прочности соединения втавр, нагруженного крутящим и изгибающим моментами (рис. 52)
Расчет соединений, выполненных контактной сваркой. При выполнении соединения стыковым швом расчетное сечение принимается равным сечению свариваемых элементов. При статической нагрузке стык принимают равнопрочным цельному металлу и поэтому на прочность не проверяется.
Прочность соединений точечной сваркой, работающей в основном на срез (рис. 53),
,
где z — число сварных точек; i — число плоскостей среза; d — диаметр сварной точки, мм.
Прочность соединений линейной сваркой (рис. 54)
,
где b — ширина линии сварки; — длина линии сварки, мм.
Прочность сварного шва встык оценивается коэффициентом прочности φ,
Рис.53 Соединение точечной сваркой
Рис. 54 Соединение роликовой сваркой
т. е. отношением допускаемого напряжения сварного шва 
к допускаемому напряжению основного металла 
,
Расчетные значения коэффициентов прочности φ стыковых швов следующие:
— двусторонний, выполненный автоматической сваркой под слоем флюса — 1.00
— двусторонний, выполненный вручную с полным проваром — 0.95
— двусторонний, выполненный вручную с неполным проваром (в зависимости
— от относительной глубины провара) — 0.80
— односторонний на подкладке — 0.90
— односторонний без подварки и подкладок, продольный — 0.70
— односторонний без подварки и подкладок, поперечный (кольцевой) — 0.80
— внахлестку — 0.80
Расчету сварных котлов и других сосудов высокого давления. Расчет, сводится к определению толщины стенки s. Прочность сварных швов обеспечивается введением коэффициента прочности швов φ2
,
D — диаметр сосуда, мм; р — давление в сосуде, Н/мм2; φ — коэффициент прочности шва; [σ]p — допускаемое напряжение растяжения, Н/мм2.
Выбор допускаемых напряжений. Допускаемые напряжения и сварных швах из мало — и среднеуглеродистых сталей, а также низколегированных сталей при статической нагрузке можно выбрать по табл.7.1.
Допускаемое напряжение основного металла в металлических конструкциях выбирают с коэффициентом безопасности по отношению к пределу текучести: для низкоуглеродистых сталей при расчете по основным нагрузкам n=1,35 — 1,6, а по основным и дополнительным нагрузкам n=1,2 — 1,3; для низколегированных сталей соответственно 1,5 — 1,7 и 1,3 — 1,4. Нижние значения относятся к строительным и крановым конструкциям при легких режимах работы, верхние — к крановым конструкциям при тяжелых режимах.
Таблица 7.1. Допускаемые напряжения в швах сварных соединений
Вид сварки | Допускаемые напряжения на | ||
растяжение | сжатие | срез | |
Автоматическая под флюсом и ручная электродами Э42А и Э50А. Контактная стыковая |  | |  |
Ручная дуговая электродами Э42 и Э50. Газовая сварка |  | |  |
Контактная точечная | — | — | |
Допускаемые напряжения основного металла при переменных нагрузках определяются умножением допускаемых напряжений для основного металла при статических нагрузках на коэффициент:
,
где r — характеристика цикла напряжений
;
где 
эффективный коэффициент концентрации напряжений (табл. 7.2, 7.3, 7.4).
Таблица 7.2. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений
Элементы соединений |  | |
низкоуглеродистая сталь | легированная сталь | |
Стыковые швы | 1.4 | 1.8* |
То же, двусторонние с плавными переходами | 1,2 | 1.35* |
То же, с механической обработкой | 1 | 1* |
Приварка ребра, перпендикулярного силе | 1,5 | 2.2* |
Лобовые швы (соединение с двумя накладками) | 3.0 | 4,0* |
То же, с отношением катетов швов 2:1 | 2,3 | 3,2* |
Комбинированные фланговые и лобовые швы (соединение с двумя накладками) | 2.5 | 3,5* |
Связующие сварные точки | 1.4 | — |
То же, рабочие | 7.5 | 12** |
Связующие роликовые швы | 1,25 | 2*** |
То же, рабочие | 5 | 7.5*** |
* Низколегированная сталь 15ХСНД.
** Сталь ЗОХГСА.
*** Сталь 1Х18Н9Т..
Таблица 7.3. Эффективный коэффициент концентрации 
для расчета сварных швов и деталей в зоне сварки. Электродуговая сварка
Расчетный элемент | | |
малоуглеродистая сталь Ст.3 | низколегированная сталь 15ХСНА | |
Деталь в месте перехода | ||
к стыковому шву | 1,5 | 1,9 |
к лобовому шву | 2,7 | 3,3 |
к фланговому шву | 3,5 | 4,5 |
Стыковые швы с полным проваром корня: | 1,2 | 1,4 |
Угловые швы: | ||
лобовые | 2,0 | 2,5 |
фланговые | 3,5 | 4,5 |
Таблица 7.4. Эффективный коэффициент концентрации для расчета соединений контактной сваркой (для деталей и швов)
Марка стали | Состояние образца | Толщина, мм | При точках | |
Связующих | Рабочих | |||
Сталь 10 | Нормализованная | 3+3 | 1,4(1,25) | 7,5(5) |
Сталь ЗОХГСА | Отпуск | 1,5+1,5 | 1,35 | 12 |
Титановый сплав ВТ1 | В состоянии поставки | 1,5+1,5 | 2,0(1,3) | 10(5) |
Алюминиевый сплав Д16Т | В состоянии поставки | 1,5+1,5 | 2,0(1,3) | 5(2,25) |
Примечание. В скобках дан коэффициент для точечной и роликовой сварки.
Задача7.1. Определить допустимое усилие в сварном соединении внахлестку из листов сечением 200×8мм, если действует переменная растягивающая и сжимающая нагрузка с характеристикой цикла напряжений 
. Материал листов — сталь Ст. 3. Электрод — Э42. Сварка — ручная.
Решение. Принимаем допускаемое напряжение на растяжение для листа из стали Ст. 3 [σ]р=157МПа.
Определяем допускаемое напряжение для листа с учетом переменности нагрузки
табл. 7.3 для лобового шва 
=2.
Допустимое напряжение на срез в сварном шве находим по табл.7.1.
Определяем длину лобового шва с одной стороны соединения с учетом непровара в начале и в конце шва. Принимаем 
при ширине листа 200мм. Общая длина двустороннего лобового шва 
Определяем допустимое усилие на соединение внахлестку с двусторонним лобовым швом
Проверим напряжение в листах соединения
Как следует из расчета, основной металл соединения используется недостаточно. Для более полного использования основного металла вместо лобового шва целесообразно использовать косой угловой шов.
Определяем длину двустороннего косого шва, исходя из соображения, что напряжения 
относятся как соответствующие им длины швов
; 
.
Определяем допустимое усилие, действующее на соединение внахлестку, при двустороннем косом шве длиной 470мм
Проверим напряжение в листах соединения
Применение косого шва позволяет получить соединение, в котором шов равнопрочен основному металлу.
Задача 7.2. Определить длину швов, крепящих уголок 80×80×8мм к косынке (рис.55). Соединение должно быть равнопрочным основному элементу. Косынка и уголок — из стали Ст.3. Сварка — автоматическая под слоем флюса. Нагрузка — статическая.
Решение. Принимаем допускаемое напряжение растяжения в косынке= 157МПа (табл. 7.4).
Определяем допускаемое напряжение среза в шве (табл. 7.1) с учетом технологии сварки
Рис. 55 Схема сварного соединения
Находим усилие, которое может передать уголок 80×80×8мм, имеющий сечение 12,3см2
Общая длина комбинированного шва определяется из уравнений
Длина фланговых швов равна
Определяем нагрузку, приходящуюся на фланговые швы,
Определяем нагрузку на каждый фланговый шов, пользуясь законом рычага,
По ГОСТ 8509-57 а = 0,0227м b = 0,0573м
Находим длину каждого флангового шва:
Учитывая дефекты шва (непровар в начале и кратер в конце), увеличиваем длину фланговых швов и принимаем