Расчет на прочность сварного шва, какие показатели нужно учитывать?

Если вам приходилось соединять детали металлические или из другого материала, то вы наверняка знаете, что самые прочные соединена выходят при работе со сваркой.

Такая надежность объясняется тем, что из-за высокой температуры, молекулы металла крепко соединяются между собой.

Но для того чтобы ваши швы были цельные и прочные важно хорошо рассчитать как сварить метал.

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.

Какие бывают сварочные швы

В наше время придумано большое количество методов сварки, но самым распространенным остаётся сварка электричеством, она в свою очередь делить на контактную и дуговую. Чаще всего для формирования швов используют два таких метода.

Но чтобы ваш шов был долговечен нужно провести расчет, где вы должны учесть и провести расчет характеристик выбранного вами шва, так же не забывайте учитывать особые характеристики стали с которой работаете.

Когда вы формируете сварочный шов на отрыв, то он может быль не качественным, разрываться и растрескиваться, все это возникает из-за неправильного подсчета его прочности.

Самыми прочными считаются швы, что отвечают по своей плотности и свойствам металлу над которым проводится работа. Проблемы возникают обычно на том участке, который больше всего нагревается, он наиболее уязвим.

Обычно это та часть изделия что находиться максимально близко ко шву. Металл изменяет свою химию при температурном воздействии, это и есть основной причиной по которой вам следовало бы посчитать прочность шва.

Ведь без такого расчета вы не будете знать способ ли данный металл выдерживать определенные нагрузки, а если нет, то вам будет о чем задуматься.

Когда речь заходит про угловые швы там все немного сложнее. Там все зависти от того какого качества вами выбран металл. Весь расчет должен быть направлен на самую горячую точку, то есть на тот участок который более чем другие подвержен трещинам.

Угловым соединением называют такой шов при котором две части шва расположены одна к другой под углом. Катет поперечного сечения(k) и периметр шва(L), это все данные которыми вам нужно будет владеть для подсчета надежности шва.

Просто занесите свои числа вот в эту формулу и посчитайте A = k·sin45*L = 0,7k·L.

Также ещё существуют точечные соединения, при работе с ними существуют свои нюансы.

• Формировать такой шов можно только на плоской поверхности для сварки.
• Все точки должны быть равномерно нагружены, нельзя делать точку опоры.
• В формуле, по которой мы подсчитывали силу углового шва можно допустить оплошность до 20 % в напряжении среза.

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 ≤ P

Для поиска данных этого параметра ниже представлена таблица.

Метод сварки

Допускаемые напряжения

При растяжении р

При сжатии еж

При сдвиге

ср

Автоматическая, ручная электродами Э42А и Э50А

р

р

0,65 р

Ручная электродами обычного качества

0,9 р

р

0,6 р

Контактная точечная

0,5 р

Угловые швы

Соединение угловых сварных швов чаще всего осуществляется с поперечным сечением. Оба края соотносятся друг к другу 1:1. Поскольку сторона сечения называется катет сварного шва, на всех схемах и формулах она имеет обозначение «К». Зачастую шов деформируется и разрушается в самом маленьком месте сечения (опасное сечение), оно наиболее слабое, и проходит через биссектрису прямого угла. В таком сечении габариты (размер) шва определяются как β*К. Еще один важный показатель – длина шва (а). С помощью этих показателей можно узнать какую нагрузку способен выдержать сварной шов.

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 = δh2/6 — 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 = 2×0,7kh2/6 — 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

Ipc = Iус + Izc, где Iус и Izc — осевые моменты инерции швов относительно осей y и z

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.

где Fвс = 0,7 kh

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

* р — допускаемое напряжение для основного металла на растяжение

На что нужно опираться проводя расчет

Для того чтобы рассчитать надежность соединения нужно выяснить некоторые характеристики которые и влияют на то, на сколько хорошо, скреплены ваши элементы.

Ниже мы привели формулу по которой вы можете рассчитать нужный вам параметр.

И так мы расскажем вам об этом:

• Сокращение УС – это те условиях в которых проводиться работа. Этот сокращение стало константой, и его можно удивить во всех основных книгах где проводятся подобные расчеты.
• RU- так обозначают параметр сопротивления, именно он показывает уровень качества металла. Такие данные вы можете найти в таблицах.
• RY- этот параметр обозначает тоже сопротивление, но он рассчитывается по отношению к текучести материала. Это так же табличные данные.
• RWY- как и два предыдущих обозначает сопротивление, но оно уже рассчитывается относительно того насколько прочный используемый металл. Иногда можно видеть, что вместо такой отметки используют (Rwu Yu), пусть это не сбивает вас с толка, этот то же параметр.
• N- этот знак показывает какую максимальную нагрузку способен перенести соединение, он этого показателя много чего зависит.
• t- эта буква указывает на то какую толщину имеет деталь над которой будет проводиться сварка.
• lw- это показатель, что определяет какую наибольшую длину соединения мы можем формировать, часто это вдвое больше чем толщина материала.

Если вы проводите работу с элементами, которые сделаны из разного металла, то сопротивление относительно текучести и просто сопротивление нужно определит отталкиваясь от того метала, что менее прочный.

Когда вам нужно подсчитать сварочный шов на срезе, то посмотрите на свои заготовки и отталкивайтесь от материала с низкой прочностью.

Свойства расчетного сопротивление для сварочной детали таково, что на прямую связано с растяжением сварочного соединения.

Именно из-за такой особенности соединения часто расположен немного под углом, и именно это дает возможность надежно соединить два металла разной природы.

Как подсчитать такой показатель для углового шва

Но если вам нужно провести расчет показателя качества прочности соединения для угловых соединений, то предыдущая формула вам не подойдет. Для угловых соединений нужно учитывать силу, что расположена в центре тяжести.

А это уже совсем другая формула. Когда вы введете все данные формулу проследите, что вы взяли данные показателя самой не надежной части сечения.

А подсчитать качество сварочного соединения на срезе вы можете по стандартной формуле, что мы привели снизу.

Будьте внимательны ведь каждый показатель в данной формуле крайне важен при расчёте качества прочности соединения, так же на это не влияет то какой вид металла используется. Итак, приступим.

N- это показатель наибольшей нагрузки, что в самой большей степени влияет на соединение, те показатели, что приведены в скобочках рядом постоянные и вы можете найти их в таблицах.

Чаще всего выходит такая картина.

• Bf- приблизительно 0,7
• BZ-приблизительно 1
• И тут так же не имеет какой фирмы и характеристик сталь, эти показатели часто приблизительно столько.
• RWF- это показатель из гостовского документа, и он указывает на сопротивление на срезе.
• RWZ- это также табличный показатель которой описывается как сопротивление на линии.
• C- тоже табличное число, которое имеет показатель рабочих условий.
• Ywf-этот показатель приблизительно 0,85, но это только с учетом того, что вы работаете с нормальным металлом, сопротивление которого до 4200 кгс на см.
• Ywz-этот показатель константа, что равняться 0,85 и не важно какой это вид стали.
• Kf- этот показатель нужно измерять по линии сопротивление, обозначает длину соединения, что у вас выйдет.
• Lw-это длинна, которую нужно уменьшить на 10 миллиметров.

Соединение, что делаются внахлест

Мы уже немного говорили о таком виде соединения ранее, соединение в внахлёст это такой метод при котором один пласт металла накрадывается на другой и в таком виде они свариваются, так же помине, что такая технология работает только с тонкими металлами с толстыми она будет не эффективна.

Расчёты проводятся по-разному потому что у такого шва тоже существуют свои разновидности, как например шов лобовой или под углом, фланговый шов. Ниже мы напишем формулу по которой вы можете посчитать.

N / (z kf lw) ≤ Rwz wz c.

Когда вы приступаете к расчету прочности длинны шва при соединении деталей из металла по технологии внахлест, вам нужно взять в расчет наименьшее сечение, оно должно быть расположено на самой меньшей высоте треугольника, что у нас визуализируется, при этом не нужно учитывать наплыв. Если вы пользуетесь ручной сваркой и ваши катеты приблизительно разны, то у вас выйдет показатель 0,7.

Мы должны так рассчитывать сечение по минимальной расчетной площади, потому что она связана с тем, что мы используем расходные сварочные материалы, и ещё связана с прочностью, что превышать прочность главного материала из которого состоят наши детали, что мы соединяем.

Если вы варите с помощью полуавтомата или автомата, то шов у углу обычно выходит немного толще и грубее, чем вы варили бы обычной ручной сваркой с дугой. А то как вам рассчитать высоту и подобрать правильную смотрите в таблице выше.

Самые распространенные проблемы, что возникают при формировании швов

Очень важно все правильно расчитать при работе с угловыми швами, или при работе может возникнут масса проблем, которые приведут к тому ,что ваш результат будет далеко е идеальным. Давайте поговорим про самые частые проблемы ,что возникают при сварке:

1. Часто так бывает, что возникают поры – оно возникают из-за пагубного влияния кислорода и газов в среде, это возникает из-за плавления металла и электродов.
2. Ещё иногда появляются подрезы-это такие просевшие участки, которые появляются на детали с боку от стыка, металл истончается и может треснуть.
3. Следующая часта проблема непровары-это зоны в которых не удалось скрепить метал и между ним просто образовались дыры, это возникает из-за не правильной проплавки металла.
4. Желательно чтобы в зону стыка не попадали другие включения не из метала, это может быть что угодно грязь, пыль или даже шлаки с электродов. Что качается шлаков можно сказать, что часто они не успевают выйти на поверхность шва чтобы вы их просто зачистили металлической щеткой. А если шлаки образовываются во время вашей работы с тонкими металлами-это достаточно критично, так как соединение будет хлипкое и в бедующем обязательно пойдут трещины.
5. Далее вы узнаете о том, что возможно возникновение горячих трещин-это происходит из-за разращения соединения между кристаллами и тогда металл трескается под воздействием температуры, когда начинает плавиться сразу растрескивается.

Холодные трещины – они уже могут появиться после того как металл остыл. Этот процесс происходит из-за того что метал окислился ещё в процессе сварки. Для защиты от влияния кислородной среды используются специальные газы, что защищают участок.

В конце хочется добавить, что вы сможете найти в интернете много разных формул по расчёту прочности соединения.

Ещё используются разные показатели длинны, ширины шва, материала который свариваться и материалов расходных. Ещё учитывается площадь, толщина, и много других параметров.

Все это зависит от того каким видом соединения вы решили сваривать металл. Ещё важно учесть те усилия, что будут нагружены на шов из вне.

Выше вы можете посмотреть видео, где мастер проводит такие расчёты, вы сможете почерпнуть оттуда много полезного! Надеемся вам понравилась наша статья!

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...