Как рассчитать прочность сварного шва

Расчет сварного шва Швы и соединения

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.

Прочность сварного шва
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:

Screenshot_3.jpg.

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.

Параметры
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 соединенияЗначение φ
Контролируемый участок от общей протяженности шва:
100%10-50 %
Стыковое одностороннее, выполненное ручной сваркой0,90,65
Тавровое, с конструктивно предусмотренным зазором между деталями0,80,65
Встык одностороннее, производимое с подкладкой из флюса или керамики, автоматической или полуавтоматической сваркой0,90,8
Втавр или встык со сплошным двусторонним проваром, выполняемый автоматикой или полуавтоматикой1,00,9
Стыковое с подвариванием корня шва или тавровый со сплошным проваром с 2 сторон, выполненные ручной сваркой1,00,9
Одностороннее встык, во время сварки имеет со стороны корня шва металлическую подкладку, прилегающую к основному материалу по всей длине шва0,90,8

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.

Используемые формулы
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:

Screenshot_12.jpg

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:

  1. Стыковой — наиболее рациональный, т. к. концентрация напряжения в шве при таком методе минимальна. Свариваются торцы деталей, в результате одна часть изделия продолжает другую.
  2. Угловой — соединяемые элементы располагаются перпендикулярно друг другу. Прочность здесь во многом зависит от верно рассчитанного предельного усилия.
  3. Тавровый — похож на угловой с той лишь разницей, что детали свариваются торцами. Такая дорожка прочная, экономичная и простая в выполнении.
  4. 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:

Screenshot_2.jpg,

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.
Соединение листов внахлест
При соединении внахлест разделка кромок не требуется.

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

Значение нагрузки P таково:

Screenshot_4.jpg.

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:

Screenshot_5.jpg,

где:

  • Wc — момент сопротивления опасного сечения дорожки (шва);
  • M — изгибающий момент.
Угловые конструкции
Угловые конструкции рассчитываются на основании их поперечного сечения.

А напряжение простого углового соединения на срез запишется таким образом:

Screenshot_1.jpg,

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:

Screenshot_6.jpg,

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:

Screenshot_6.jpg.

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

Screenshot_7.jpg.

Тавровые швы
Тавровые швы могут быть односторонними и двусторонними.

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

Screenshot_8.jpg.

Крутящая и изгибающая сила соответственно определяются следующими формулами:

Screenshot_9.jpg

и

Screenshot_10.jpg.

Сварка на стыке

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

Screenshot_2.jpg,

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:

Screenshot_3.jpg.

Стыковое сцепление, работающее на изгиб, рассчитывается по формуле:

Screenshot_4.jpg,

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:

Screenshot_5.jpg.

 

svarkaved.ru
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку "Отправить комментарий", я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю политику конфиденциальности.

Adblock
detector