Расчет катета шва при сварке

Катет шва характеризует прочность и качество углового сварного соединения. Величину нормирует ГОСТ, отклонение в меньшую или большую сторону одинаково нежелательно. Чтобы избежать этого, необходимо правильно выбирать диаметр электрода и соблюдать технологию.

Катет в сварочном соединении

Швом называют зону сплавления 2 деталей. Здесь имеется усиление, образованное материалом электрода. Его называют наплавкой.

Для понимания того, что такое катет сварного шва, необходимо представить поперечный разрез углового соединения. На нем наплавка имеет форму равнобедренного треугольника с выпуклым или вогнутым основанием.

Боковые стороны являются прямыми и прилегают к поверхностям свариваемых деталей. Длина каждой из них — это катет углового шва.

Данный параметр характеризует:

1. Прочность конструкции. С увеличением размеров усиления, а значит, и его катетов, возрастают объем наплавки и площадь ее прилегания к деталям. Соответственно, повышается стойкость соединения к нагрузкам.
2. Качество шва. При соблюдении технологии оба катета равны. Невыполнение этого условия свидетельствует об отклонении дуги в сторону, в результате чего одна из заготовок удерживается слабо. По этой причине снижается прочность конструкции.

В серийном производстве требуется обеспечить необходимый минимальный катет, с тем чтобы не ослабить изделие и одновременно избежать перерасхода материалов и энергии. Это позволит снизить себестоимость продукции без ущерба для ее прочностных характеристик.

Разновидности швов и геометрия стыков

Соединяемые детали ориентируют одну относительно другой по-разному.

В зависимости от этого различают 3 вида швов:

1. Стыковой. Детали расположены в одной плоскости, торцы их стенок упираются один в другой.
2. Нахлесточный. Шов используют при том же расположении деталей, если их малая толщина (менее 8 мм) не позволяет применить стыковой вариант. Элементы накладывают один на другой с нахлестом в 2 мм и приваривают с обеих сторон вдоль кромки.
3. Угловой. Его применяют в крестовидных, Г- и Т-образных стыках. Детали могут располагаться с отклонением от прямого угла, например крестообразное соединение вида «Х» вместо «+».

Различают лобовой и фланговый нахлесточные швы. Первый выполняют привариванием накладываемой детали вдоль торцевой кромки, второй — вдоль боковых по обеим сторонам.

Кроме катета, геометрия сварного шва характеризуется еще рядом параметров.

Основными являются:

1. Ширина. Максимальный размер по горизонтали.
2. Высота. То же по вертикали.
3. Выпуклость или вогнутость. Расстояние от поверхности деталей до наивысшей точки наплавки.
4. Глубина провара. Расстояние по вертикали от поверхности деталей до нижней точки расплавленного металла.

Глубинную часть шва называют корнем. Он прилегает к нерасплавленному металлу. Проваривание корня — наиболее ответственный этап при соединении массивных заготовок. Швы в таких конструкциях делают в несколько подходов.

Сначала формируют корень, стараясь ровно и без дефектов приварить кромки электродом диаметром 3 мм. Затем более толстым набирают усиление необходимого объема.

Правильная настройка аппарата для сварки

Режим работы определяется 3 параметрами:

• напряжением;
• силой тока;
• скоростью движения электрода.

Настройка аппарата состоит в подборе их оптимальных значений.

На это влияют следующие факторы:

1. Толщина заготовок.
2. Материал.
3. Вид шва.

Параметры подбирают опытным путем, действуя в такой последовательности:

1. Берут ненужный фрагмент из того же материала, что и заготовки, которые нужно приварить.
2. Зачищают его шлифмашинкой до металлического блеска.
3. Выставляют на аппарате напряжение в 15-20 В и сварочный ток в 100 А.
4. Зажигают дугу и путем постепенного регулирования параметров добиваются стабильного горения с хорошей глубиной провара.
5. Фиксируют оптимальные настройки письменно или посредством фотосъемки.
6. Плавно уменьшают силу тока, пока дуга не погаснет. Записывают ампераж, при котором это произошло.
7. Возвращают регулятор на 100 А, снова зажигают дугу и увеличивают силу тока до наибольшего значения. Его тоже фиксируют.
8. Снижают напряжение на 0,5 В и тем же способом определяют минимальную и максимальную силу тока. Несколько раз повторяют это действие, с каждым разом уменьшая вольтаж.
9. Возвращаются к оптимальным настройкам.
10. В том же порядке определяют верхний и нижний пределы силы тока, несколько раз повышая напряжение с шагом в 0,5 В.

Пункты 6-10 инструкции позволяют определить крайние точки диапазона, в пределах которого можно регулировать аппарат перед работой с другими заготовками.

При настройке полуавтомата скорость подачи присадочного прутка подбирают в зависимости от силы тока: чем больше ампераж, тем быстрее должен поступать материал.

Самостоятельный расчет катета и ГОСТы

Различают 2 случая:

1. Простой. Конструкция малоответственная, высоким нагрузкам не подвергается.
2. Сложный. Степень ответственности высокая, на конструкцию воздействуют большие усилия.

В первом случае катет принимают равным толщине заготовки, если она не превышает 4 мм. В противном случае ее умножают на 0,4 и добавляют 2 мм. Используют электроды с диаметром, равным катету.

Для ответственных конструкций осуществляют расчет катета.

Исходная формула: N = 0,7 K * L * Rc, где:

N — рабочая нагрузка на соединение, кгс;

K — катет, см;

L — длина шва, см;

Rc — расчетное сопротивление срезу, кгс/кв. см.

Отсюда K = N / (0.7 * L * Rc).

Если шов двойной, например нахлесточный фланговый, полученный результат делят на 2.

В приложении 1.12 ГОСТ 5264-80 приведена таблица минимальных значений катетов. Определить их параметры для заготовок с большей толщиной можно по данным СНиП II-23-81*.

Последствия неправильного вычисления катета

Ошибки приводят к следующим результатам:

1. В меньшую сторону. Прочность шва не соответствует расчетной. При воздействии рабочей нагрузки соединение разрушается.
2. В большую сторону. Нерационально используются материалы и энергия. Себестоимость изделия или конструкции неоправданно возрастает. Это особенно сказывается при серийном производстве. Годовые потери могут исчисляться сотнями тысяч рублей.

При разовом изготовлении малогабаритной конструкции, не подверженной большим нагрузкам, отклонения в ту или другую сторону некритичны. В этом случае катет шва можно подбирать приближенно.

Габаритное сооружение, находящееся под нагрузкой от большого собственного веса и тяжелых механизмов, требует иного подхода.

Катет и другие параметры сварных швов рассчитываются с большой точностью и в соответствии с требованиями ГОСТ. В противном случае конструкция может обрушиться.

Влияние скорости и режима сварки

Существует зависимость конфигурации поперечного сечения шва от параметров процесса:

1. С увеличением силы тока при неизменном напряжении возрастает температура, поэтому глубина провара становится большей. Но при избыточном ампераже возможно прожигание металла.
2. Рост напряжения при постоянной силе тока приводит к увеличению катета. При избытке возможен непровар.
3. При увеличении скорости движения электрода снижается температура нагрева металла. Уменьшаются ширина шва и глубина провара. При скорости свыше 50 м/ч недостаток температуры приводит к образованию дефектов, делающих шов непрочным.
4. Вязкость материала электрода влияет на форму усиления. Чем она выше, тем более выпуклой становится наплавка.

Режим сварки подбирают по заготовке с наименьшей толщиной, чтобы не прожечь ее.

Как контролировать процесс

Чтобы удостовериться в надежности сварного соединения, необходимо знать, как измерить параметры выполненного шва.

Наиболее прост и доступен способ с применением т.н. «катетометра». Понять, что это такое, поможет пример с более распространенным приспособлением. Для регулировки зазоров применяют набор щупов — прямоугольных пластин разной толщины, скрепленных в 1 точке.

Катетометр устроен схожим образом, только в пластинах со стороны угла сделаны вырезы, соответствующие профилю швов с разными катетами. Прикладывая их одну за другой к наплавке, сварщик подбирает подходящую.

При этом стороны плотно прилегают к поверхностям приваренных заготовок (располагаются перпендикулярно), кромка выреза — к усилению шва. На пластине выбита цифра, соответствующая катету.

Другой способ основан на применении более распространенных измерительных инструментов — угольника и штангенциркуля. Последний можно заменить линейкой.

Действуют в таком порядке:

1. Угольник приставляют к одной из заготовок катетом так, чтобы второй был направлен параллельно другой детали. При этом инструмент должен касаться наплавки.
2. Щупом штангенциркуля или линейкой замеряют ширину просвета между вторым катетом и другой заготовкой.

Приведенным методам присущи 2 недостатка:

• низкая точность;
• большие затраты времени при проверке длинных швов.

Более эффективны следующие способы:

1. Дефектоскопия.
2. Ультразвуковой контроль.
3. Просвечивание шва рентгеновским и гамма-излучением.
4. Радиография.
5. Капиллярный метод.
6. Магнитное зонирование.

При серийном производстве можно выбрать разрушающий метод: пробное соединение разламывают и осматривают шов изнутри.