Как рассчитывают прочность сварных соединений со швами разных типов кратко

Обновлено: 06.07.2024

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 σ_т к расчетному напряжению σ называется запасом прочности.

n_з = σ_т/σ

где n_з — запас прочности.

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

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

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

- при срезе R_с св = 1300 кгс/см 2 .

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

Стыковые швы на прочность рассчитывают по формуле N = R_с св _*S_*l

где N - предельно допускаемое действующее расчетное усилие, кгс;

R_с св - расчетное сопротивление растяжению для металла шва, кгс/см 2 ;

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

Например, если R_с 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_*R_у св

где К - высота катета шва, см;

R_у 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_*R_у св

Пример: Требуется расчитать угловой фланковый шов. Действующее усилие N=6000кгс; катет шва К=0,8 см; принимая во внимание расчетное сопротивление на срезывание R_у 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

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

Швы и соединения

В производстве металлоконструкций самым надежным методом соединения между собой отдельных деталей является сварка. Прочность сцепления при этом обеспечивается межмолекулярным взаимодействием, возникающим под влиянием высокой температуры. Чтобы стыки (дорожки, швы) готового изделия получились качественными, перед началом работы должны быть правильно выполнены расчеты сварного шва. Точные вычисления нужны для выбора основных и расходных материалов, для понимания того, насколько надежной и монолитной будет конструкция.

Какие параметры используются в расчете

В расчете на прочность сварных соединений необходим целый ряд показателей.

При этом учитывают следующие основные параметры:

Ry – сопротивление материала изделия с учетом предела текучести; это постоянная величина для каждого металла;
Ru – сопротивление материала в соответствии с временным сопротивлением; стандартный табличный показатель;
Rwy – сопротивление с учетом предела текучести;
N – предельно допустимая нагрузка, которую может выдержать сцепление;
t – минимальная толщина соединяемых деталей;
lw – максимальная длина сварного стыка, при вычислении ее уменьшают на 2t;
gс – коэффициент условий, которые преобладают на рабочем месте; стандартизированный параметр, присутствует в общепринятых таблицах, в частности, в методичках для сварщиков.

Процесс растяжения и сжатия металла вычисляют по формуле:

Если при изготовлении изделия свариваются детали из разных металлов, то в формулах используются Ry и Ru для материала с наименьшей прочностью. Аналогично поступают при включении параметров в расчете шва на срез.

Кроме названных числовых показателей на надежность соединения влияют:

качество материала изделия;
правильно подобранные расходные материалы (присадки, электроды);
режим сварки, в т. ч. полярность и сила тока;
тщательность обработки заготовок – на кромке стыков не должно быть никаких деформаций и посторонних вкраплений;
соответствие сварного аппарата требуемой технологии сварки и мощности.

Такие характеристики обязательно берутся во внимание, от каждой из них зависит точность расчета качества сцепления.

Коэффициент прочности шва

Это показатель φ, являющийся отношением между собой прочностей сварной дорожки и основного материала. Его значение нормировано и определяется способом сварки и конструкцией стыка. Он принимается на основании Правил Госгортехнадзора и отражается в приложениях ГОСТов Р52857.1-2007, 14249-89 и 34233.1-2017.

Таблица 1. Коэффициенты прочности сварочных швов

Тип сварного соединения	Значение φ
	Контролируемый участок от общей протяженности шва:
	100%	10-50 %
Стыковое одностороннее, выполненное ручной сваркой	0,9	0,65
Тавровое, с конструктивно предусмотренным зазором между деталями	0,8	0,65
Встык одностороннее, производимое с подкладкой из флюса или керамики, автоматической или полуавтоматической сваркой	0,9	0,8
Втавр или встык со сплошным двусторонним проваром, выполняемый автоматикой или полуавтоматикой	1,0	0,9
Стыковое с подвариванием корня шва или тавровый со сплошным проваром с 2 сторон, выполненные ручной сваркой	1,0	0,9
Одностороннее встык, во время сварки имеет со стороны корня шва металлическую подкладку, прилегающую к основному материалу по всей длине шва	0,9	0,8

Коэффициент прочности для дорожек, паянных мягкими и твердыми припоями с использованием аппаратов из цветных металлов, составляет 0,7 для композиционной пайки, 1 – для однородной.

Используемые формулы

Есть много формул, по которым производят расчеты для создания качественных сварных дорожек. В них используются показатели, определяемые не только типом шва, но и видом и толщиной основного материала, площадью и расположением стыкуемых деталей, предельными нагрузками, эксплуатационной температурой изделия и др. Уравнения для отдельных разновидностей сварных швов различаются.

Расчет прочности швов на выпуклых поверхностях

В производстве сосудов – труб различных емкостей – применяются стыковые сварные соединения. Сюда относятся швы на выпуклых днищах (меридиональные и хордовые) и на обечайках (продольные). Принятые стандарты и методы расчета на прочность таких изделий отражены в ГОСТ 34233.11-2017. Расчет сварного соединения выпуклой поверхности зависит от ряда показателей – марки и толщины стали, из которой изготавливается сосуд, внутреннего и внешнего давления на стенки, типа нагрузки и т. д.

Уравнение расчета допускаемого напряжения (измеряется в МПа) на примере цилиндрической обечайки для сосуда, работающего при однократных статических нагрузках и выполненного из низколегированной или углеродистой стали:

Данная формула применима только для сосудов из пластичных материалов в условиях использования металлов.

Зависимость от типа сварочного шва

Существует несколько вариантов сцепления металлических элементов в единую конструкцию. По расположению соединяемых деталей различают следующие виды сварных швов:

Стыковой – наиболее рациональный, т. к. концентрация напряжения в шве при таком методе минимальна. Свариваются торцы деталей, в результате одна часть изделия продолжает другую.
Угловой – соединяемые элементы располагаются перпендикулярно друг другу. Прочность здесь во многом зависит от верно рассчитанного предельного усилия.
Тавровый – похож на угловой с той лишь разницей, что детали свариваются торцами. Такая дорожка прочная, экономичная и простая в выполнении.
Нахлесточный – края сцепляемых деталей несколько находят друг на друга. Такой тип позволяет укрепить соединение и применяется там, где нужно сварить металл толщиной не более 5 мм.

Для каждого из названных типов расчет производится по индивидуальной формуле.

Прежде чем начинать вычисление прочности будущего сцепления, нужно рассчитать площадь его поперечного сечения. Для этого длину сварного соединения умножают на его толщину.

Соединение листов внахлест

Для расчета напряжения среза используют формулу:

Из выражения понятно, что полученное напряжение на срез должно получиться меньше максимально допустимого.

Значение нагрузки P таково:

При расчете учитывают минимальную площадь сечения сварной дорожки в поперечнике. Это связано с тем, что сварочные материалы по прочности могут превышать основной металл.

Угловые конструкции

Такие соединения рассчитываются на основании их поперечного сечения, причем наименьшего, т. е. в наиболее опасном месте дорожки. Показатель устойчивости простого углового шва на изгиб, когда он нагружен лишь моментом M, вычисляется так:

Wc – момент сопротивления опасного сечения дорожки (шва);
M – изгибающий момент.

А напряжение простого углового соединения на срез запишется таким образом:

M – нагружающий момент на срез;
Fc = 0,7kl – площадь сечения дорожки в опасном месте, мм²;
P – допустимая нагрузка на дорожку.

При расчете угловых сварных швов на срез применяется общепринятое выражение:

N – максимальная нагрузка, давящая на линию сцепления;
с – коэффициент условий рабочей среды, значение указано в стандартизированных таблицах;
ßf, ßz – постоянные величины, не зависящие от марки металла, ßz = 1, ßf = 0,7;
Rwf – сопротивление срезу, табличная величина для разных материалов;
Rwz – сопротивление на линии стыка; стандартные, постоянные табличные величины;
kf – толщина дорожки, измеряется по линии сплавления;
Ywf – для стыка материала с сопротивлением 4200 кгс/см² составляет 0,85;
Ywz – 0,85 для всех марок стали;
lw – общая длина стыка, уменьшенная на 10 мм.

В определении длины сварочного сцепления на отрыв обязательно учитывают силу, направленную к центру тяжести. При этом площадь сечения выбирают в самом опасном месте дорожки, т. е. наименьшую.

Тавровые швы

Условие прочности сцепления втавр, выполненного встык и работающего на растяжение Р и момент M, выглядит так:

Формула для такого же, но не стыкового, а углового шва:

Если тавровое соединение будет нагружено изгибом и крутящим моментом, то применяется уравнение:

Крутящая и изгибающая сила соответственно определяются следующими формулами:

Сварка на стыке

Расчет шва встык, который будет работать на сжатие либо на растяжение, выполняется по уравнению:

l – длина сварочной дорожки, мм;
P – нагрузка, действующая на стык, Н;
s – толщина соединяемых деталей, мм;
[σ]’ р1сж1 – допускаемое для сцепления напряжение на растяжение либо сжатие, Па.

Допустимая действующая нагрузка P составит:

Стыковое сцепление, работающее на изгиб, рассчитывается по формуле:

М – это изгибающий момент, Н/мм;
Wc – момент сопротивления расчетного сечения.

Если напряжение шва возникает и от изгиба М, и от сжатия либо растяжения Р, то оно определяется уравнением:

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.

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:

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,

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: σ_Э ≤ [σ’]_P

Для поиска данных этого параметра ниже представлена таблица.

Угловые швы

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

Читайте также: