Bktp-omsk.ru

Делаем сами
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Прочность сварного шва на разрыв

Считаем, сколько может выдержать сварочный шов

Максимальная нагрузка шва после сварки электродами

Как известно на сварочный шов возлагаются большие надежды. При сварке различных конструкций, изделий рассчитывают нагрузку на шов и проводят тесты перед серийным выпуском. Тестируют на излом, сжатие, растяжение и усталость металла в различных температурных режимах. Создают условия в которых будет эксплуатация деталей конструкций. Что касается ремонта в различных погодных условиях то проводить различные опыты довольно затруднительно за отсутствие специального оборудования.

В таких случаях наша надежда опирается на умение варить и определенные знания в области электродов и свариваемых металлов. В различных справочниках по сварке можно найти информацию о швах. Так же существует ГОСТ 5264-80 где можно найти нужный нам стык. Это касается простых конструкций из стали, железоникелевых и никелевых сплавов. Трубы свариваются швом совсем по другому ГОСТ 16037-80.

Рассмотрим пример по конструкционной стали. Варить будем электродом МР-3 арсенал.

Максимальное допустимое значение нагрузки 430 МПа. При условии если правильно сварим. Металл возьмем из паспорта Ст3. Его характеристики.

Как видим максимальное значение 490 МПа нагрузки. Толщину возьмем 3мм и будем варить шов как на рисунке.

Теперь рассмотрим само соединение Т6.

Видим что катет превосходит толщину металла примерно на оду третью. Тем самым мы уравниваем максимальное значение нагрузки на шов. В данном примере 490МПа. На видео проведен тест такого соединения.

Практика показывает что сварка выдерживает куда более сильные нагрузки чем сама сталь. Бывает что перегревают свариваемое место и происходит ослабление структуры что приводит к излому. Так как пластичность шва берет на себя часть внутреннего напряжения, то старайтесь варить с отрывом на тонком металле. Сам лично не раз прожигал. Особенно когда кроме диаметра тройки нет ни чего. А варить приходилось сталь 1,5мм в толщину и то в труднодоступных местах.

Что касается трубопровода самое главное отсутствие дефектов в наплавленном металле. Иначе малейшая трещина со временем приводит к аварии. Техника проварки шва ведется непрерывно за исключением смены электродов. Бывают не поворотные стыки и приходится работать с зеркалом. Если трубы под давлением то нагрузка распространяется на стенки трубопровода. Так как структура металла в зоне свари не однородна. Такие места подвергаются растяжению (раздуваются). К примеру зимой часто происходят аварии на трубопроводе по водоснабжению и отоплению.

По этому на вопрос, сколько может выдержать сварочный шов после сварки электродами, мы разобрали на одном примере. Если хотим достичь хороших результатов и не боятся что сварка лопнет по шву то пользуйтесь ГОСТами. Несколько из них я упомянул ранее. Что же касается качества сварки в зимний период это отдельная тема и более сложные требования к техпроцессу.

А если хотите сами рассчитать сколько реально может выдержать шов я даю вам ссылочки на хорошую литературу.

Справочник сварщика стр 353 расчет сварочных соединений на прочность.

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.

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.

Читать еще:  Изоляция труб ППУ

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.

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 на прочность сварных соединений

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.

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 [Всего: 2 Средний: 3 /5]

Читать еще:  Пластмассы и их основные компоненты

Коэффициенты прочности сварных швов

Все коэффициенты прочности сварных соединений принимаются в соответствии с нормами и могут быть выбраны автоматически при нажатии кнопки .

Коэффициент прочности продольного шва на давление, Wl

Коэффициент зависит от расчетной температуры, типа сварки и объема контроля качества сварки .

Также используется для проверки поперечного шва на растяжение-сжатие.

Для норм ASME B31.1 и DL/T 5366-2014: См. 102.4.3. Коэффициент Wl уже включен в свойства сталей приложения А и соответственно учтен в базе данных материалов СТАРТ-ПРОФ. Если используются стандартные материалы, то данный коэффициент следует принимать равным 1. Если используется нестандартный материал, введенный пользователем, то следует задавать Wl в соответствии с таблицей 102.4.3.

Коэффициент прочности поперечного шва на изгиб, Wc

Коэффициент зависит от расчетной температуры, типа стали и способа изготовления трубы .

Коэффициент прочности сварного соединения для тройников и врезок

Коэффициент прочности для тройников (врезок) принимается равным минимальному из следующих трех значений:

Коэффициент прочности продольного сварного шва магистрали

Коэффициент прочности продольного сварного шва ответвления

Коэффициент эффективности продольного сварного шва, E

ASME B31.1: Table 102.4.3 (E factor). Not used for wall thickness check because already included in allowable stress in database. Expansion and sustained allowable stresses Sc and Sh are divided by E

ASME B31.3: Table 302.3.4 (Ej factor). Used for wall thickness check only

ASME B31.4: Table 403.2.1-1 (E factor). Used for wall thickness check only

ASME B31.5: Not used for wall thickness check because already included in allowable stress in database. Expansion and sustained allowable stresses Sc and Sh are divided by E

ASME B31.8: Table 841.1.7-1 (E factor). Used for wall thickness check only

ASME B31.9: Table 902.4.3. Used for wall thickness check only

EN 13480, EN 13941: «Joint Coefficient, Z» p. 4.5

BS PD 8010: «weld joint factor, e», 6.4.3.1

CSA Z662: «Joint Factor, J» 4.3.5.1

ASME B31.12: Appendix IX

DL/T 5366: Table 6.1.2-2. Used for wall thickness check only

GB 50251: ( j factor). Used for wall thickness check only

GB 50253: Used for wall thickness check only

GB 50316: Table 3.2.5 (Ej factor). Used for wall thickness check only

GB/T 20801: Table 3,4 ( F factor). Used for wall thickness check only

Методика расчета сварных соединений

Расчет прочности швов соединений, нагружаемых осевыми силами

L — общая длина рассчитываемого шва;

δ— толщина соединяемых деталей;

k — катет углового шва;

d, i — диаметр пробок и их количество в пробочном соединении;

а — ширина шва при роликовой сварке.

Сварной шов при соединении встык (рис. 1) работает на растяжение и сжатие, причем все виды подготовок кромок принимаются эквивалентными.

рис.1 Стыковые швы; а — прямой; б — косой

Условие прочности шва (формула 1)

рис. 2 Соединения внахлестку валиковыми швами: а — лобовыми; б — фланговыми; г — сечение углового (валикового) шва

Угловые швы (рис. 2) рассчитывают на срез по сечению, проходящему через биссектрису прямого угла; расчетная высота шва h = k cos 45°

При несимметричном расположении швов относительно линии действия силы Р (рис. 3) усилия, возникающие в них, находятся из уравнений статики:

Сварные швы при соединении втавр рассчитываются различно в зависимости от типа швов (рис. 4)

по рис. 4, типы б, в

Пробочные соединения (рис. 5, а) рассчитывают на срез по формуле

При соединении деталей точечной сваркой сварной шов работает на срез, тогда

или на отрыв, тогда

Шов, получаемый роликовой сваркой, рассчитывается на срез:

Расчет прочности швов, нагруженных перпендикулярно стыку свариваемых деталей

рис. 6 Соединение нагружено силой и моментом (швы стыковые)

Расчет прочности шва соединения, нагруженного силами и моментом (рис. 6), ведется по нормальным напряжениям (влиянием поперечной силы, как и при расчете балок на изгиб, пренебрегают):

Здесь We = δh 2 /6 — момент сопротивления сварного шва; Fe = δh — площадь сечения шва

рис. 7 Соединение нагружено силой и моментом (швы угловые)

В случае выполнения соединения угловыми швами (рис. 7) расчет ведут по условной методике, геометрически суммируя
напряжения от изгиба и растяжения с напряжениями, соответствующими поперечной силе:

Величина τQ учитывается лишь в случаях, когда поперечная сила сравнительно велика, а плечо внешнего момента небольшое; в формуле учтены

Wc = 2×0,7kh 2 /6 — момент сопротивления биссекторного сечения швов; Fc = 2×0,7kh — площадь сечения швов

Расчет прочности швов, нагруженных в плоскости стыка свариваемых деталей

рис. 8 Швы нагружены в плоскости стыка свариваемых деталей

Угловые швы соединения рассчитывают обычно по одной из двух условных методик: по способу полярного момента инерции или по способу осевого момента инерции. В первом случае касательное напряжение от действия момента

где М — расчетный момент; rmax — расстояние от центра тяжести швов до наиболее удаленной точки шва; Ipc — полярный момент инерции швов

Касательное напряжение тм в любой точке считается направленным перпендикулярно к радиус-вектору, соединяющему эту точку с центром тяжести периметра швов. Моменты инерции вычисляются для биссекторного сечения швов.
По второму способу

где ymax — расстояние от оси элемента до наиболее удаленной точки шва;
Напряжение от растяжения (или сжатия)

где, Fe = 0,7 kL — общая площадь швов

При учете влияния поперечной силы соответствующее напряжение вычисляется лишь для вертикального шва, т. е.

Суммарные касательные напряжения в опасной точке шва находятся геометрическим сложением.
Расчет швов точечного соединения (рис. 9) проводится по одному из двух вышеперечисленных способов.

Усилие в наиболее нагруженной точке от внешнего момента
или

геометрически суммируется с усилием, равным

обусловленным действие силы Р, т.е.

Условием прочности служит выражение

При расчете швов на переменную нагрузку вводят коэффициент у снижения допускаемого напряжения:
а) для стыковых швов при нагрузке, переменной по величине, γ = 1; при нагрузке, меняющейся по величине и по направлению

б) для угловых швов при нагрузке, как переменной по величине, так и переменной по величине и направлению

Pmin и Pmax — наименьшее и наибольшее по абсолютной величине усилия, которые следует подставлять в формулы со своими знаками

Допускаемые напряжения при расчете сварных швов

* [σ]р — допускаемое напряжение для основного металла на растяжение

ISopromat.ru

Сварные соединения — наиболее совершенные и прочные среди неразъемных соединений. Они образуются под действием сил молекулярного сцепления, возникающих в результате сильного местного нагрева до расплавления деталей в зоне их соединения или нагрева деталей до пластического состояния с применением механического усилия.

Основные недостатки сварочных соединений: наличие остаточных напряжений из-за неоднородного нагрева и охлаждения; возможность коробления деталей при сваривании (особенно тонкостенных); возможность существования скрытых дефектов (трещин, шлаковых включений, непроваров), снижающих прочность соединений.

Виды сварки весьма разнообразны. Наиболее широко распространена электрическая сварка. Различают два основных вида электросварки: дуговую и контактную. По виду используемого источника теплоты имеется также газовая сварка. По способу защиты материала в зоне сварки применяют сварку в аргоне, под флюсом, в вакууме и т.д. По степени механизации различают ручную, полуавтоматическую и автоматическую сварку.

В зависимости от расположения свариваемых деталей различают следующие виды соединений: стыковые, нахлесточные, тавровые и угловые.

а) Стыковые при различной подготовке кромок

б) Нахлесточные соединения (фланговые, лобовые, комбинированные)

а) Тавровые соединения

б) Угловые соединения

Стыковые швы на прочность рассчитывают по номинальному сечению соединяемых элементов без учета утолщения швов. Для расчета швов используются те же зависимости, что и для целых элементов.

Допускаемое напряжение в сварных швах отмечают штрихом.

Напряжения от изгибающего момента в плоскости соединяемых элементов

Напряжение от изгибающего момента в плоскости соединяемых элементов и растягивающей (или сжимающей) силы

Нахлесточные соединения, как правило, выполняют угловыми швами. Угловые швы по расположению относительно нагрузки разделяют на: поперечные или лобовые, расположенные перпендикулярно направлению силы; продольные или фланговые, расположенные параллельно направлению силы; косые, расположенные под углом к направлению силы; комбинированные, представляющие собой сочетание перечисленных швов.

Разрушение угловых швов происходит по наименьшему сечению, совпадающему с биссектрисой прямого угла. Расчетная толщина шва k∙sin45°=0,7k. Угловой шов испытывает сложное напряженное состояние. Однако в упрощенном расчете такой шов условно рассчитывают на срез.

L — общая длина шва.

Допускаемые напряжения зависят от величины допускаемого напряжения основного материала.

В зависимости от способа сварки, качества и марки электродов φ=0,8…1; φ1=0,6…0,8.

Все угловые швы рассчитывают только по касательным напряжениям независимо от их расположения к направлению нагрузки. Комбинированные соединения лобовыми и фланговыми швами рассчитывают на основе принципа распределения нагрузки пропорционально несущей способности отдельных швов.

Если соединяемая деталь асимметрична, то расчет прочности производят с учетом нагрузки, воспринимаемой каждым швом. Например, к листу приварен уголок, равнодействующая нагрузка проходит через центр тяжести поперечного сечения уголка и распределяется по швам обратно пропорционально плечам a1 и а2. Соблюдая условие равнопрочности, швы выполняют с различной длиной.

Читать еще:  Виды испытаний сварных соединений

При нагружении соединения с лобовым швом моментом сил в плоскости стыка:

Соединения в тавр, нагруженные изгибающим моментом, рассчитывают как консольные, но с учетом особенностей сварки. В случае приварки балки без скоса кромок, сварные швы, как и все угловые, рассчитывают по касательным напряжениям. Расчетный момент сопротивления выражается через параметры опасных сечений сварных швов:

Если балка приварена со скосом кромок, то швы рассчитывают по нормальным напряжениям:

Уважаемые студенты!
Специалисты нашего сайта готовы оказать помощь по техническим и другим предметам:
✔ Решение задач
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

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

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

ПроСопромат.ру

Технический портал, посвященный Сопромату и истории его создания

Расчет сварных соединений

Наибольшее распространение в строительной практике получили соединения встык (а) с угловыми швами. В зависимости от расположения по отношению к линии действия силы различают лобовые (б), фланговые (в) и косые (г) соединения.

Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение или сжатие производится по формуле:

t – наименьшая толщина соединяемых элементов;

– расчетная длина шва, равная его полной длине, уменьшенной на 2t.

На основании этой формулы можно решить ряд задач по определению значения максимальной продольной силы для конкретного шва, вычислить толщину соединяемых элементов и расчетную длину шва, а также проверить прочность соединения встык.

Сварные соединения с угловыми швами

при действии продольной и поперечной сил рассчитываются на условный срез по металлу шва. Условие прочности такого шва имеет вид:

расчетная длина шва, которая меньше его полной длины на 10

мм;

βf – коэффициент, зависящий от технологических, конструктивных и геометрических факторов (βf = 0,7; 0,8; 0,9; 1,1);

Rωf– расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу шва (Rωf = 180, 200, 215, 280, 340 МПа);

γωf – коэффициент условий работы шва, равный 1,0;

γс – коэффициент условий работы конструкции (γс = 0,7…1,1).

Данная формула позволяет вычислить расчетную нагрузку на сварное соединение, определить геометрические размеры шва и проверить прочность сварного соединения.

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector