Прочность сварного шва на разрыв

Расчет на прочность сварных швов

Автор: Игорь

Дата: 01.11.2016

  • Статья
  • Фото
  • Видео

Во время соединения отдельных деталей металлоконструкций часто используются сварные соединения, так как это самый простой, доступный и дешевый метод, который может предоставить качество достаточно высокого уровня. Но все равно, параметры каждого шва будут отличаться, в зависимости от металла, его толщины и условий проведения процедуры. Расчет на прочность сварных швов проводится для того, чтобы определить, какими характеристиками обладает или будет обладать соединение, выполненное с определенными параметрами.

Предварительными расчетами занимаются в то время, когда составляют проект. Это необходимо для рационального подбора материалов, которые бы смогли выдержать возлагаемые нагрузки и имели запас прочности. Перерасход металла на производстве не следует допускать, так что расчет сварного шва на прочность, позволяет определить количество и качество используемых материалов.

Чтобы узнать прочность сварного шва, требуется точно измерить все его параметры. Естественно, что небольшие отклонения вполне допустимы, так как невозможно сделать предельную точность даже при автоматической сварке, не говоря уже о том, когда все делается вручную. Они, как правило, не оказывают сильного влияния, но сварщику необходимо придерживаться заданных параметров.

Методика расчета соединений

Расчет сварного шва на срез и на прочность проводятся индивидуально для каждого типа соединения.

Стыковые швы. При работе со стыковыми швами, одним из главных параметров для вычислений является номинальное сечение. При этом, наплывы металла, которые образуются во время сварки, не учитываются. Вычисление основывается на известных по данным сопротивления материалов зависимостей, возникающих в сплошных балках. Когда начинается одновременное воздействие касательных и нормальных напряжений, которые концентрируются в наиболее нагруженной точке на сечении, то эквивалентное напряжение можно будет рассчитать по четвертой теории прочности по следующей формуле:

При этом, условие прочности выглядит как: σЭ ≤ [σ’]P

Данные для этого значения определяются по таблице, приведенной ниже:

Угловые швы. Данный тип соединения чаще всего выполняется с нормальным поперечным сечением. Соотношение сторон при этом составляет 1:1, но бывают и исключения. Сторона сечения носит название катет сварного шва. Она обозначается на схемах как «К». Когда шов разрушается, то это происходит в наименьшем месте сечения, которое проходит через биссектрису прямого угла. Размер шва в данном сечении составляет βк. Вторым важным размером является длина шва. Это поможет определить, какую нагрузку выдерживает сварной шов. В случае, если сварка шла автоматически, полуавтоматически или же осуществлялась вручную, то значение β будет составлять 0,7. В таком случае шов будет прямоугольным равнобедренным треугольником.

Если сварка осуществлялась в полуавтоматическом режиме, но было несколько проходов, к примеру, 2 или 3, то β уже будет равняться 0,8. При условии многослойной сварки в автоматическом режиме значение возрастает до 0,9. Расчет на прочность сварных соединений углового типа проводятся условно по касательным напряжениям. Здесь требуется вычислить суммарное касательное напряжение. Для этого нужно определить самую нагруженную точку во взятом сечении. Далее следует сложить все имеющиеся в нем напряжения, чтобы определить общую сумму

После этого нужно определить, какое распределение имеют выбранные напряжения. Те, которые вызываются при помощи центральных сил, относятся к равномерно распределенным по сечению. Если напряжение вызвано центрально-поперечной силой и оказывает воздействие на швы малой длины, то оно не относится к данной категории и такие силы не учитываются при расчете. Те напряжения которые вызываются моментом, считают пропорциональными те расстояниям, которые отделяют их от центра масс. Также может быть принято расстояние до нейтральной линии, которая проходит через этот центр. Это актуально при воздействии момента в плоскости, которая находится перпендикулярно по отношению к стыку. В данном случае, условие прочности будет выглядеть следующим образом вид τ ≤ [τ]ср, где [τ’]ср можно найти в таблице приведенной выше.

Допускаемые напряжения. Совокупность сил, что вызывает напряжение в сварных соединениях, имеют свой предел, который является безопасным для работы. Допускаемые напряжения на чертежах отмечаются при помощи штриха. Принятые нормы допускаются, так как не оказывают какого-либо серьезного негативного воздействия.

Порядок выполнения расчета сварных соединений

Чтобы определить. Сколько выдерживает сварной шов, необходимо не только знать исходные данные, но и провести расчеты в заданном порядке. Чтобы все прошло правильно, необходимо придерживаться следующего плана:

  1. Определяются основные параметры, которыми обладает сварное соединение. Это его размеры, форма и пространственное положение.
  2. Затем опасное сечение проворачивается на плоскость, которая соприкасается со свариваемой деталью, она еще называется плоскостью стыка деталей. Поворот необходим, если опасное сечение шва не сходится с плоскостью стыка на исследуемой детали. То сечение, которое образуется вследствие поворота, носит название расчетное.
  3. После этого приступают к поиску положения центра масс на расчетном сечении.
  4. Внешняя приложенная нагрузка переносится в центр масс, которые имеются на расчетном сечении.
  5. Далее необходимо определить напряжение, которое возникает в расчетном сечении при воздействии всех принятых силовых факторов. Сюда входит поперечная и нормальная сила, а также крутящий и изгибающий момент.
  6. После этого определяется наиболее нагруженная точка в сечении. В ней складываются все полученные нагрузки, воздействующие на поверхность, и определяется суммарная нагрузка, которая и будет максимумом, с которым придется столкнуться шву.
  7. Происходит расчет допускаемого напряжения, воздействующего на сварной шов.
  8. На завершающем этапе происходит сравнение допустимого напряжения и суммарного, максимального на сечении. Благодаря этому, можно найти те размеры, которые будут наиболее подходящими для работы данной металлоконструкции. Чтобы подтвердить данные, делается дополнительный проверочный расчет.

Не стоит забывать, что все эти данные остаются актуальными только если соблюдаются все правила выполнения сварных соединений.

Прочность сварного шва на разрыв

Один из новейших способов сварки – сварка трением с перемешиванием (FSW), привлекает внимание исследователей к изучению особенностей структуры металла шва и его механических свойств. Основой данной технологии является трение вращающегося цилиндрического инструмента особой формы между двух соединенных торцами или внахлест пластинами металла [6]. В результате трения скольжения осуществляется фрикционный нагрев и массоперенос металла, которые обеспечивают прочное соединение двух пластин металла.

Микроструктура сварного соединения, обусловленная спецификой протекания процесса пластического течения материала, является ультрадисперсной и свободной от дефектов, присущих сварным соединениям, полученным плавлением [9]. Так как сварной шов образуется при температурах ниже температуры плавления, то можно получать неразъемные соединения даже тех сплавов, которые при сварке плавлением теряют свои прочностные свойства. В работах [5,8] показано, что макроструктура FSW соединения является слоистой, получившей свое название «onion ring» («луковичная структура») из-за характерного кольцеобразного строения. Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению структуры и свойств сварных соединений различных металлов и сплавов, полученных способом сварки трением с перемешиванием, однозначного мнения о влиянии структуры сварного шва на характер разрушения соединения не существует. Изучение этого влияния является в настоящее время важнейшей задачей, от решения которой зависит успех широкого внедрения в промышленность этой перспективной технологии.

Методика проведения исследований

В работе были выполнены исследования макроструктуры сварного соединения листов алюминиево-магниевого сплава толщиной 5,0 мм, полученного методом FSW. В задачи данного исследования не входило рассмотрение влияния параметров процесса сварки и определение численных показателей прочности материала сварного соединения, поэтому полученные результаты представляют собой анализ причин, приводящих к разрушению образца сварного шва. Образцы для испытаний на растяжение и металлографических исследований вырезали электроэрозионным методом. Металлографические исследования выполняли с помощью оптического микроскопа Neophot-32, лазерно-конфокального микроскопа LEXT-OLS4000, растрового электронного микроскопа Carl Zeiss EVO-50.

Читайте также  Сварка чугуна с металлом электродом

Результаты и обсуждение

Интерес к изучению макроструктуры сварного соединения вызван, как отмечено в некоторых публикациях [2], особенностями разрушения образцов, полученных сваркой трением с перемешиванием. Так, при испытании на растяжение тонких (£ 4,0 мм) пластин алюминиево-магниевого сплава разрушение начиналось именно вблизи границы раздела основного металла со сварным швом [1]. Нами были выполнены исследования макроструктуры образцов, подготовленных для испытания на растяжение. На рис. 1 показана структура поперечного сечения сварного шва.

Рис. 1. Макроструктура шва в поперечном сечении с характерным строением «onion ring»

Поверхность имеет кольцеобразное строение, обусловленное поступательным и вращательным движением плечиков инструмента. В поперечном сечении образца видно, что шов имеет несимметричное строение относительно плоскости стыка двух листов сплава. Кроме того, отчетливо видно разделение его на верхнюю и нижнюю части (рис. 1), что обусловлено геометрической формой инструмента. Верхняя часть сварного шва образована вращением плечиков, трущихся по поверхности сопряженных листов. При трении скольжения плечиков о поверхность свариваемых листов происходит течение пластифицированного металла в поверхностном слое параллельно поверхности с постепенным снижением величины деформации вглубь. При этом осуществляется массоперенос, как и при трении скольжения [10]. Нижняя часть формируется в результате вращения штифта, погруженного в металл. Вращение штифта обусловливает массоперенос вокруг цилиндрической поверхности штифта с образованием слоистой структуры. К тому же, из-за особой геометрии инструмента, течение материала происходит не только по окружности, но и в вертикальном направлении, формируя при этом характерный грибообразный вид сварного шва. Такое пластическое течение металла и приводит к образованию структуры «onion ring».

На рисунке 1 обращает на себя внимание особенность структуры в виде изогнутой линии, проходящей через всю толщину листа, которая выявлялась на поперечных шлифах практически всех образцов. При детальном изучении этого дефекта было установлено, что он является скоплением оксидов, образующих поверхность сопряжения двух частей сварного шва.

При испытании на растяжение образцов со сварным швом обнаружилась закономерность в характере разрушения. Оказалось, что начальная трещина распространяется от корня шва по поверхности сопряжения, о которой говорилось выше. Дальнейшее распространение трещины происходит по основному металлу шва, что хорошо видно на рисунке 2. Однако разрушение всегда начинается от корня шва вдоль поверхности, содержащей оксиды.

Рис 2. Разрушение сварного шва при испытании на растяжение

С целью изучения причин, вызывающих такой характер разрушения, были подготовлены образцы для металлографических исследований верхней и нижней поверхностей сварных швов. Предварительно образцы шлифовали, полировали и осуществляли травление для выявления макроструктуры шва. На рисунке 3 показана нижняя поверхность сварного шва.

Рис.3. Нижняя поверхность сварного шва. Шлифованием удален слой 0,5 мм

Макроструктура в средней и нижней части шва, как уже отмечалось, формируется за счет вращения штифта. Поэтому строение металла в этой части шва в направлении движения штифта кольцеобразное. Границы шва четко выделены. Слева на границе заметно расслоение (показано на выноске), которое вызвано наличием оксидов на торцевых поверхностях свариваемых листов. Это и является причиной развития первоначальной трещины при испытаниях на растяжение.

Макроструктура в верхней части сварного шва отличается от рассмотренной выше. Так как в этой части шва пластическое течение металла вызвано трением скольжения поверхности плечиков о поверхность свариваемых пластин, то мы не видим кольцеобразной структуры. Выделяются лишь чередующиеся полосы на границе шва с основным металлом. Их появление вызвано намазыванием металла внешней частью плечиков, где температурный режим сварки отличается от средней части шва.

Из рисунка 2 видно, что разрушение в верхней части произошло вдали от зоны скопления оксидов. Тщательный анализ этой области показал, что расслоения металла здесь нет. Из общих соображений понятно, что прочность металла в области, содержащей оксиды, меньше, чем прочность металла шва без дефектов. Тем не менее, разрушение в верхней части сварного шва произошло по металлу шва (рис. 2) вдали от скопления оксидов. Можно предположить, что энергетически более выгодно разрушение образца с формированием поверхности разрушения, имеющей минимальную площадь (рис. 2). Так как поверхность, образованная оксидами, сильно искривлена, что видно на всех рисунках, отмеченное предположение кажется наиболее вероятным.

При испытании образцов сварных швов на растяжение была выявлена еще одна особенность, относящаяся к виду поверхности разрушения. На рисунке 4 показана топография поверхности разрушения. Видно, что поверхность делится на три зоны. Первичная трещина образовалась в корне шва (зона I) в том месте, где имелась несплошность, о которой говорили выше. Далее разрушение происходило вдоль поверхности, содержащей оксиды, между слоями «луковичной структуры». Гладкая поверхность разрушения в этой зоне указывает на то, что здесь имело место расслоение металла, обусловленное оксидами. Вид поверхности разрушения в зоне II, характерен для случая вязкого разрушения. Заканчивается разрушение металла в верхней части шва (зона III) формированием рельефной поверхности, напоминающей форму винтового бура. Подобную структуру наблюдали авторы работы [3], которые назвали ее «shingle lap pattern».

Рис. 4. Топография поверхности разрушения сварного соединения, полученного сваркой трением с перемешиванием

Как было отмечено выше, макроструктура сварного соединения, полученного методом FSW, указывает на то, что она сформировалась в результате пластического течения материала, обусловленного вращением инструмента. Об этом свидетельствует вихреобразная структура металла шва, которая видна на рисунках 1, 2, 3. Диаметр зоны сварного шва переменный и зависит от расстояния до плеча инструмента, что связано с различным тепловыделением в сечении металла. Фрикционный нагрев в зоне шва приводит к снижению предела текучести и пластическому течению металла под действием силы трения. Поскольку диаметр плеча значительно превышает диаметр штифта, то тепловыделение при трении плеча и поверхности свариваемых пластин охватывает область большего диаметра, чем диаметр нижележащей зоны. Это и приводит к образованию деформированной области, имеющей форму гриба (рис. 1).

Рис. 5. Формирование шва при сварке трением с перемешиванием

Интересно рассмотреть массоперенос в области шва, которую формирует штифт. На рисунке 5 показан участок шва в середине пластины, после остановки процесса FSW. Образец был получен шлифованием и полированием с нижней стороны пластины.

Из рисунка видно, что область пластифицированного материала несимметрична относительно штифта. В нашем случае со стороны advancing пластифицированная область шире, чем со стороны retreating. Объяснение этому следует искать в распределении тепловых потоков вблизи инструмента и характере пластического течения материала. Инструмент захватывает материал вращающимся штифтом и перемещает его в направлении отступающей стороны за счет сил трения. По мере деформирования металла температура растет за счет пластической деформации и становится выше к отступающей стороне. Следует отметить, что на тепловые потоки и массоперенос оказывает влияние граница между двумя свариваемыми листами, которая является барьером для этих процессов. Поэтому распределение температуры и массоперенос могут быть достаточно сложными.

Анализируя особенности слоистой структуры FSW шва, мы обратили внимание на ее сходство со структурой, которая наблюдается в поверхностных слоях упруго пластичных металлов при трении скольжения [4]. В работе [7] было установлено, что такая структура образуется в результате последовательного сдвига тонких слоев, когда напряжение трения становится выше предела текучести материала. Определенная толщина каждого слоя обусловлена нелинейной зависимостью предела текучести с минимумом на некотором расстоянии от поверхности трения. Слоистая структура образуется в результате конкуренции двух процессов – разупрочнения при фрикционном нагреве и упрочнения слоев материала, вызванного пластическим деформированием. Особенностью данного процесса является его периодический характер. Фрикционный нагрев приводит к снижению предела текучести в слое металла, прилегающего к поверхности контртела, что вызывает пластическую деформацию. Деформирование, в свою очередь, сопровождается упрочнением деформированного слоя вблизи поверхности, где осуществляется трение скольжения, и смещением минимума предела текучести дальше. Это приводит к сдвигу всего упрочненного слоя соответствующей толщины. В дальнейшем процесс смены фаз нагревания, которому способствует выделение тепла при деформировании, и пластического деформирования повторяется на большем расстоянии от инструмента, вызывая последовательное смещение слоев металла. Таким образом, в каждый конкретный момент времени интенсивный пластический сдвиг идет только на границе пластифицированного слоя и недеформированного материала, где наблюдается минимальное значение предела текучести. Подвергшиеся деформированию и упрочнению слои материала движутся как единое целое с одинаковой скоростью, постепенно наращивая толщину присоединением последующих слоев. По значительному объему металла, вовлеченного в пластическое течение, можно предположить, что взаимодействие при сварке трением с перемешиванием носит адгезионный характер. Это подтверждает и налипание алюминия на инструмент, которое наблюдали при сваривании образцов.

Читайте также  Цепное расположение сварного шва

Заключение

Результаты, полученные в данном исследовании, свидетельствуют о том, что механизм разрушения сварного шва непосредственно связан с механизмом его формирования. В нижней части шов менее прочен из-за недостаточного перемешивания металла, обусловленного повышенным теплоотводом в опорную станину. Это также создает предпосылки к образованию расслоения на границе двух свариваемых пластин. В центральной зоне шва на характер разрушения оказывает влияние слоистая структура, у которой менее прочной оказывается граница между слоями. Кроме того, скопления оксидов между слоями являются концентраторами напряжений, способствующими разрушению. В верхней части шва разрыв образца происходит по той его части, которая образована вращением штифта и плечиков. В этой области шов наиболее прочен, а поверхность разрушения в этой зоне значительно отличается от описанных выше.

Работа выполнена по проекту № III.23.2.4 фундаментальных исследований СО РАН на 2013–2016 гг., при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0063) в рамках реализации Постановления Правительства РФ №218.

Рецензенты:

Колубаев А.В., д.ф.-м.н., профессор, заведующий лабораторией физики упрочнения поверхности ИФПМ СО РАН, г.Томск;

Тарасов С.Ю., д.т.н., ведущий научный сотрудник ИФПМ СО РАН, г.Томск.

Расчет сварного шва на прочность

В сварных соединениях некоторые швы являются рабочими, а некоторые — связующими (рис. 60). Рабочими называются швы, воспринимающие нагрузку от внешних усилий. При разрушении рабочего шва может разрушиться и сварное соединение. Связующими называются швы, служащие для соединения нескольких элементов конструкции (например, полос), несущих основную нагрузку. Наплавленный металл связующих швов деформируется вместе с основным металлом элементов, связанных данным швом. Если связующий шов разрушится, то соединение может работать, так как нагрузка воспринимается элементами основного металла. На прочность рассчитываются только рабочие швы.

Прочность сварного соединения должна быть не ниже прочности основного металла.

Прочность сварного соединения характеризуется величиной фактических напряжений, возникающих в нем от действующих усилий. Чтобы соединение было прочным, фактические напряжения должны быть ниже тех, при которых металл шва разрушается. Принимаемые при расчете напряжения называются расчетными и обозначаются ст.

Расчетное напряжение, т. е. напряжение от расчетных усилий, не должно превышать расчетного сопротивления металла R. т. е. σ ≤ R

Величина расчетных сопротивлений (напряжений) регламентируется нормами, установленными для тех или иных конструкций, в зависимости от их назначения, применяемого металла, условий работы, методов контроля и пр.

Расчетное напряжение всегда ниже предела текучести данного металла. Отношение предела текучести σт к расчетному напряжению σ называется запасом прочности.

nз = σт/σ

где nз — запас прочности.

Для стальных изделий запас прочности по пределу текучести обычно равен nз=1,2-1,6. Для металлов, не обладающих ясно выраженным пределом текучести, запас прочности определяют по отношению к временному сопротивлению разрыву oв. В этом случае запас прочности составляет обычно nз = 3 — 4.

Расчетные сопротивления металла стыковых швов Rс св , принимаемые при расчетах сварных швов стальных строительных конструкций, регламентируются «Строительными нормами и правилами». По этим нормам для ручной, полуавтоматической и автоматической сварки стыковых швов на стали Ст3 и Ст4 величина Rс св при растяжении равна:

— для обычных методов контроля швов (наружным осмотром и обмером) Rс св = 1800 кгс/см 2 ;

— для повышенных способов контроля (рентгено- и гаммаграфия, ультразвуковая и магнитографическая дефектоскопия и др.) Rс св = 2100 кгс/см 2 ,

— при срезе Rс св = 1300 кгс/см 2 .

При сварке указанными способами угловых швов Ст3 и Ст4 для всех видов контроля принимают Rс св =1500 кгс/см 2 (при сжатии, растяжении и срезе).

Стыковые швы на прочность рассчитывают по формуле N = Rс св *S*l

где N — предельно допускаемое действующее расчетное усилие, кгс;

Rс св — расчетное сопротивление растяжению для металла шва, кгс/см 2 ;

S — толщина металла в расчетном сечении, см; l — длина шва, см.

Например, если Rс св = 1800 кгс/см 2 ; S = 1 см, l = 20 см, то такой шов может безопасно работать при наибольшем усилии, равном N = 1800*1*20 = 36000 кгс.

Прочность лобовых угловых швов рассчитывают по формуле N = 0,7*K*Rу св

где К — высота катета шва, см;

Rу св — расчетное сопротивление срезыванию в угловом шве, кгс/см 2 ;

I — длина шва, см.

Прочность фланковых угловых швов рассчитывается по формуле N = 2*0,7*К*Rу св

Пример: Требуется расчитать угловой фланковый шов. Действующее усилие N=6000кгс; катет шва К=0,8 см; принимая во внимание расчетное сопротивление на срезывание Rу св =1500 кгс/см 2 , определяем по формуле необходимую длину шва:

На рисунке справа показаны обозначения при расчете швов на прочность.

Также следует отметить: по длине фланкового шва напряжения распределяются неравномерно и максимальное значение их приходится на конец шва состороны приложения усилия. Поэтому при расчете на прочность фланкового шва за расчетную принимают длину шва, равную не более 50 катетам.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Прочность сварного шва на разрыв

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

Читайте также  Сварочный аппарат для сварки проволокой и электродом

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

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

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

То же, двусторонние с плавными переходами

То же, с механической обработкой

Приварка ребра, перпендикулярного силе

Лобовые швы (соединение с двумя накладками)

То же, с отношением катетов швов 2:1

Комбинированные фланговые и лобовые швы (соединение с двумя накладками)

Связующие сварные точки

Связующие роликовые швы

* Низколегированная сталь 15ХСНД.

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

Проверка сварных швов

Проверка сварных швов, обязательная процедура, если к сварке предъявляются особые требования, касательно герметичности, прочности на разрыв и т. д. Герметичным сварочный шов будет только тогда, когда через него не будут проходить газообразные и жидкие вещества.

Проверка сварного шва на герметичность, является обязательным условием при сварке трубопроводов и ёмкостей, которые предназначены для хранения горюче-смазочных материалов. Для этих целей используются различные способы, с задействованием керосина, пневматических, и других устройств.

В домашних условиях, когда под рукой нет специального оборудования, проверить сварной шов на герметичность можно используя керосин или ацетон. О том, как именно осуществляется проверка сварного шва перед использованием, будет рассказано в этой статье сайта о ручной дуговой сварке mmasvarka.ru .

Пневматический контроль сварных швов

Данный способ проверки сварных швов осуществляется посредством сжатого газа или пара. Чаще всего, в сварное изделие подаётся инертный газ, воздух или азот. В зависимости от размеров проверяемого на герметичность изделия, его можно погрузить в воду, где будет видны абсолютно все изъяны и недостатки сварки.

Особенно эффективным оказывается проверка сварных швов при помощи пенного индикатора, в качестве которого выступает мыльный раствор из воды и моющего средства. Накачанный в трубопровод сжатый воздух, выходит через дефекты в сварных швах, которые заранее покрываются мыльным раствором.

Гидравлическое испытание сварных соединений

При данном способе проверки качества сварных швов, используется жидкость, чаще всего, это вода. Для нагнетания воды в трубопровод или какое-либо другое сварное изделие, используется специальный гидравлический пресс или насос. Вода накачивается в трубопровод, с достаточно большим давлением, примерно в несколько раз превышающее рабочее давление в сосуде.

Важным нюансом при этом считается время выдержки давления, оно должно быть не менее 5 минут. При этом сварные швы должны обязательно выдержать давление воды, через них не должна просачиваться жидкость. В противном случае, это говорит о низком качестве сварного соединения.

Проверка сварных швов керосином

Отдельного внимания заслуживает проверка качества сварных соединений посредством керосина. Примечателен этот способ проверки тем, что его можно осуществить без специального оборудования и в домашних условиях. Проверка сварных швов при помощи керосина основывается на свойстве жидкостей, в данном случае, их хорошей текучести.

Чтобы осуществить проверку сварного шва керосином, нужно произвести следующие действия:

  • Обильно нанести на одну из сторон сварного шва, разведённый меловой раствор (мел разведенный в воде);
  • После того, как меловой раствор высохнет, сварной шов приобретёт полностью белый цвет;
  • Затем, с другой стороны сварного соединения, кисточкой наносится керосин, после чего нужно выждать некоторое время.

Сколько времени ждать, пока керосин проступит сквозь шов, полностью зависит от его толщины, а также, от температуры окружающего воздуха. Как правило, различные дефекты сварки, определяются данным способом достаточно быстро, поэтому ждать придется недолго, зато получится вовремя выявить, некачественное сварное соединение.