Особенности расчета сварных соединений

Среди всех видов соединений для металлов и неметаллов, сварное  соединение считается самым прочным и надежным. Оно реализуется за счет молекулярного сцепления, которое возникает между материалами за счет воздействия высокой температуры. Чтобы создать надежную монолитную деталь, важно правильно произвести расчет сварных соединений.

Характеристика сварных соединений

Существует много видов сварки, но самой распространенной считается электрическая, которая разделяется на контактную и дуговую. Именно такими способами чаще всего выполняются соединений металлов. Чтобы они были максимально качественными, необходимо провести расчеты с учетом особенностей каждого вида соединения и рассчитать предельные усилия на металл.

Стыковые скрепления могут по шву разрушаться, при неправильной организации сварного шва на отрыв. «Правильным» швом считается тот, который имеет такую же прочность, как и материал, из которого выполнены детали. Чаще всего деформация и разлом металла происходит в зоне термического воздействия. Это участок, который прилегает по шву изделия. Все дело в том, что при воздействии высокой температуры, изделие теряет свои изначальные механические свойства. Для этого и необходимо производить расчеты, чтобы учитывать прочность элемента и нагрузку, которую он сможет выдержать.

Особенность угловых соединений и сечений зависит от качества металла. Основное вычисление производится по самому опасному (наименее прочному) сечению. Угловой шов осуществляется между двумя деталями, которые расположены по отношению друг к другу под углом 90 градусов. Чтобы просчитать прочность, нужны данные для вычисления – катет треугольника поперечного сечения (k) и периметр шва (L).  Решение задачи осуществляется по следующей формуле:

A = k·sin45*L = 0,7k·L.

Для точечного шва необходимо учесть такие моменты:

• он производится исключительно на сварной плоской поверхности;
• важно, чтобы на все точки приходилась равномерная нагрузка;
• в формуле для углового шва допускается расхождение напряжений среза на 10-20%.

Формулы расчета различных сварных соединений

В силу того, что существует много разновидностей сцепления металла, для каждого из них индивидуально производится расчет сварных соединений. По расположению свариваемых деталей различают следующие типы:

• стыковые, в которых детали соединяются торцами по отношению друг к другу. То есть, в результате одна часть становится продолжением второй. Такое сцепление считается самым рациональным и при подаче усилий имеет наименьшую концентрацию напряжения. Они выполняются двумя способами – с прямым и с косым швом;
• угловые – это те, при которых детали во время варения располагаются под углом, то есть перпендикулярно друг к другу;
• нахлесточные соединения характеризуются положением деталей, при котором один элемент немного находит на второй. Такая технология часто применяется для сваривания деталей из металла, толщиной не более 5 миллиметров. Нахлест делается с целью укрепления будущего шва;
• тавровые скрепления немного похожи на угловые. Здесь тоже детали располагаются перпендикулярно, но при этом скрепляются именно торцами.

Каждое из них разделяется еще на несколько подвидов, в зависимости от которых и производится расчет сварных соединений. Все эти виды варятся угловыми (валиковыми)  швами.

 

Для расчета сварных соединений применяются общепринятые формулы. В свободном доступе существует программа, позволяющая рассчитать любые виды стыков. Для этого достаточно ввести все необходимые параметры.

Основные параметры для расчета

Для совершения расчета сварного шва необходимо знать некоторые параметры, от которых будет зависеть показатель прочности полученного скрепления элементов.

Процесс растяжения и сжатия вычисляется по этой формуле:

Рассмотрим все показатели:

• Ус – это условия работы. Данный параметр является общепринятым и указывается в таблицах стандартных показателей для вычислений углового шва;
• Ru – это сопротивление, которое характеризуется качеством металла. Оно указано в специальных таблицах;
• Ry – сопротивление материала, согласно пределу текучести, определяется по таблицам;
• Rwy – сопротивление, определяющееся в соответствии с существующим пределом прочности, взамен «Rwy» разрешается применять «Rwu/γu»;
• N – это показатель максимальной нагрузки, которую может выдержать шов, и расчет напрямую от него зависит.
• t – толщина материала, из которого изготовлена свариваемая деталь;
• lw – максимальная продолжительность всего шва, ее уменьшают на значение 2t;

При варении деталей и конструкций из разного материала, Ry  и Ru при сварке разных металлов определяется по металлу с наименьшей прочностью. Расчет сварного шва на срез определяется по заготовкам и ориентировка должна быть на материал с меньшей прочностью.

Расчетное сопротивление сварного элемента зависит от растяжения в сварочном шве. Из-за этого в самой дорожке всегда есть небольшой уклон, который позволяет качественно сцепить две детали разного металла.

Расчет для конструкции с угловыми швами

Для конструкции, в которой предусмотрены угловые швы, вычисление сварного шва на отрыв проводится немного по другой формуле, так как следует учесть силу, которая направлена к центру тяжести. При подсчете, следует выбирать сечение с высокой опасностью. Расчет сварного шва на срез производится по общепринятой стандартной формуле:

Каждое из представленных значений и  параметров играет важную роль в качестве будущего скрепления, вне зависимости от типа металлов:

N – самая высокая нагрузка, оказывающая максимально давление на соединение;
Βf, совместно с βz – коэффициенты, которые берутся из таблицы.

Как правило:

βf – 0,7;
βz – 1;
причем, по определению, марка стали значения не имеет.

Rwf – этот показатель указывает на сопротивление срезу. Он берется из ГОСТовских таблиц;

Rwz – сопротивление на линии сплавления, значение определяется по таблице;
с – коэффициент рабочих условий, определяется согласно табличным данным;
γwf – 0,85 для шва, материал которого имеет нормативное сопротивление равное 4200 кгс/см²;
γwz – 0,85 для любого вида стали;
γwf и γwz берется из специальных нормативных таблиц;

kf – толщина будущего шва, измеряемая по линии сплавления;
lw – общая длина, заниженная на 10 мм.

Соединение внахлест

Это определенная технология выполнения шва, при которой один элемент накладывается на другой. Вычисление производится в зависимости от положения и типа шва, так как внахлест бывают лобовые, угловые и фланговые швы.

N / (β_z k_f l_w) ≤ R_wz γ_wz γ_c

Рассчитывая прочность дорожки при скреплении металлических элементов внахлест, используется минимальная S сечения, которая проходит сквозь меньшую высоту условного треугольника шва (без учета наплыва). Для ручной сварки при равных катетах шва эта высота равняется 0,7k_f.

Необходимость расчета по сечению с меньшей расчетной площадью напрямую связана с использованием сварочных материалов и с прочностью, превышающей прочность основного материала соединяемых элементов.

При полуавтоматическом и автоматическом виде сварки провар в самом углу (при угловом шве внахлест) получается намного глубже, чем при варении ручным дуговым методом. За высоту, берется условный показатель β_f k_f или β_zk_f , примеры которого можно увидеть в таблице.

Ошибки при сварном соединении

Если произвести неправильный расчет угловых сварных швов, тогда при работе может возникнуть ряд ошибок и дефектов. Рассмотрим самые распространенные среди них:

• возникновение пор – это те области, в которые попадают газы, выделяющиеся во время плавления металлического изделия и электрода;
• подрезы – это канавы в детали, возникающие вдоль шва сбоку, на его границе;
• непровары – это области, где металл некачественно расплавился и при этом в соединении появляются некоторые пробелы;
• неметаллические включения являются одной из самых грубых ошибок. При этом в область шва попадают шлаки, которые не успевают выйти над швом. Если это допустить при работе с тонким металлом, то прочность соединения не будет качественной и это приведет к возникновению трещин в будущем;
• горячими трещинами называют дефект, при котором металл во время плавления дает трещину (межкристаллитное разрушение);
• холодные трещины возникают после остывания. Они появляются в результате окисления во время плавления. Именно из-за этого и нужны газы, которые надежно защищают расплавленную металлическую массу от попадания кислорода.

В завершение хочется отметить, что существует множество различных формул, по которым производится вычисление для создания качественного шва. Для этого используются различные параметры, в зависимости от вида шва, положения деталей, их площади, толщины и материала, из которого они выполнены. Кроме этого, следует учесть предельные усилия на деталь из внешней среды (это критическое усилие, которое воспринимает изделие в наклонном и пространственном сечениях элемента при определенной прочности материала).

Данное видео более детально описывает, как правильно произвести расчет сварного шва на срез:

Как вам статья?