Assma.ru

Ремонт и стройка
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Основные геометрические параметры сварного шва

Геометрические размеры сварного шва

Автор: Игорь

Дата: 11.03.2018

  • Статья
  • Фото
  • Видео

Закристаллизовавшийся отрезок расплавленного металла, образовавшийся в месте соединения двух металлических деталей или конструкций – это классический сварочный шов, который имеет определенные геометрические размеры как в сечении, так и по длине. Они зависят от типа соединения, метода выполнения сварки, геометрии разделки торцевых кромок соединяемых изделий и некоторых других факторов. Эти элементы сваренных деталей делятся на два вида: стыковые и угловые. Их не следует путать с типами сварочных соединений, которые классифицируются как стыковые, угловые, тавровые и внахлест.

Во всех таких конструкциях присутствуют рабочие швы, на которые действуют основные нагрузки соединения. От правильного расчета этих элементов соединения зависит прочность всей конструкции в целом. На качество сварки влияет множество факторов, в том числе и геометрические характеристики, такие как ширина, длина, вогнутость, выпуклость и другие особенности стыковки деталей. Для соединенных под прямым углом деталей, основным геометрическим параметром является размер катета сварного шва, от которого зависит прочность сварки.

Основные виды угловых сварных швов

Рисунок 529.2. Основные виды сварных соединений с угловыми швами.

а) Лобовые швы (2) при соединении внахлест;

б) Фланговые швы (3) при соединении внахлест;

в) Лобовые и фланговые швы при соединении в стык с накладками (4);

г) Угловые швы при соединении втавр (впритык) без прирезки и с прирезкой кромок;

д) Плоскость среза (сдвига) флангового шва

2.1. Геометрические характеристики угловых сварных швов

Одной из главных геометрических характеристик углового шва наряду с уже известной нам длиной шва lw, является катет шва kf. Это связано с тем, что в каком бы напряженно-деформированном состоянии ни находился рассматриваемый элемент конструкции, на один из катетов шва всегда будут действовать касательные напряжения. А так как сопротивление сдвигу (срезу) всегда меньше сопротивления растяжению или сжатию, то в таблице 530.2 рассматривается только один вид напряженно-деформированного состояния — условный срез.

В связи с этим определение катета шва при расчете угловых сварных швов приобретает большое значение. На рисунке 529.2.е) показаны возможные геометрические формы угловых швов (вид в разрезе). Как видно из этого рисунка в качестве расчетного значения катета шва принимается наименьшее из возможных значение.

Кроме того, предполагается, что разрушение материала шва может происходить не по одному из катетов, а в сечении, наклоненном к катетам под некоторым углом или по границе сплавления. Поэтому при расчете угловых швов рассматриваются два сечения: по металлу шва (1) и по границе сплавления (2):

Рисунок 529.3. Расчетные сечения угловых швов

Соответственно для определения одного из размеров рассматриваемого сечения используются коэффициенты βf — при расчете по металлу шва и βz — при расчете по границе сплавления. Определить значение этих коэффициентов можно по следующей таблице:

Таблица 529.1 (согласно СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции»). Значения коэффициентов βf и βz для угловых швов

Примечание: В СНиП II-23-81* «Стальные конструкции» и в старых справочниках формулировка последнего пункта (вид сварки) была несколько иной, а именно: «Ручная; полуавтоматическая (механизированная)…» и так далее, что позволяло без проблем определять значения коэффициентов при ручной сварке. Сейчас в формулировке присутствует союз «и», что на мой взгляд не совсем правильно, так как позволяет рассматривать дальнейшие условия, как относящиеся к обеим определениям. Кроме того, в указанных источниках значения коэфициентов для ручной сварки определялись вне зависимости от положения сварного шва. Сейчас же мы видим странное разделение, позволяющее определить только βf при сварке в лодочку или βz при всех остальных положениях шва. На мой взгляд, здесь явная ошибка редактора, тем не менее СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции» — это актуализированная редакция теперь уже не действующего СНиП II-23-81* «Стальные конструкции» и при расчетах следует руководствоваться именно положениями СП. Но все равно приведу соответствующую таблицу из старого СНиПа:

Читать еще:  Сравнение металлической и стеклопластиковой арматуры: определяем, какая лучше

Таблица 529.2. (согласно СНиП II-23-81* «Стальные конструкции»)

Сварные соединения, их достоинства и недостатки

Соединение сваркой представляет собой один из видов неразъёмных соединений деталей.

Оно выполняется путём сильного раскаливания мест соединения до температуры, способной расплавить детали или довести металл до пластического состояния. Это позволяет создать силу молекулярного сцепления, способную удерживать различные элементы между собой.

К преимуществам относится высокая прочность и надежность подобных связей.

Недостатки сварных соединений:

  • присутствие остаточного напряжения вследствие неоднородности нагрева и охлаждения свариваемых деталей;
  • коробление деталей;
  • наличие скрытых изъянов в виде трещин и непроваров, которые снижают прочность.



Как рассчитать катет сварного шва

Существует огромное количество формул, с помощью которых можно рассчитать катет шва. Вместе с ними есть и различные типы швов: стыковые, тавровые, нахлесточные, угловые, и каждый из типов имеет свои подтипы. Получается, что каждому типу шва по формуле, а их около десятка (с учетом всех особенностей, конечно). Их все мы не сможем раскрыть в рамках этой статьи, поэтому расскажем, как рассчитать катет по ширине шва, поскольку это самая популярная и часто применимая формула.

Т — это наш катет

S — ширина нашего шва

cos45° — это косинус, равный 45 градусам (значение неизменно, cos45°= примерно 0.7)

Вот и вся формула. По ней несложно узнать размер катета углового шва, например. Потому что по сути своей катет углового соединения равен катету треугольника, который мы можем вписать.

Мы не будем производить расчет катета сварного шва от толщины металла, поскольку здесь даже формулы не нужны. Нужно просто взять значение по наименьшей толщине и это будет наш ответ. Простой пример: у нас есть металл толщиной 3 миллиметра. Нам нужно его соединить. Мы будет выяснять катет по толщине. Просто смотрим, что толщина металла действительно 3 миллиметра по всему периметру и используем это значение. Расчет катета сварного шва от толщины металла очень удобен, если используются нахлесточные швы и детали достаточно тонкие. Если детали толстые, то просто рассчитайте 40% от толщины.

Ниже таблица минимальных катетов сварных швов для тавторвых соединений. Она будет полезна, если у вас нет возможности произвести быстрый расчет. Сохраните ее себе и попробуйте применить в работе.

—>СТРОИМ ДОМ ВМЕСТЕ —>

Основные геометрические параметры стыкового шва:

S – толщина свариваемого металла;
e – ширина сварного шва;
q – выпуклость стыкового шва (высота усиления) – наибольшая высота (глубина) между поверхностью сварного шва и уровнем расположения поверхности сваренных деталей;
h – глубина провара (глубина проплавления) – наибольшая глубина расплавления основного металла;
t – толщина шва, t = q+h;
b – зазор.

Основные геометрические параметры углового шва:

k – катет углового шва – кратчайшее расстояние от поверхности одной из свариваемых деталей до границы углового шва на поверхности второй свариваемой детали;
q – выпуклость шва;
p – расчетная высота углового шва – длина перпендикулярной линии, проведенной из точки наибольшего проплавления в месте сопряжения свариваемых частей к гипотенузе наибольшего прямоугольного треугольника, вписанного во внешнюю часть углового шва;
a – толщина углового шва, a = q+p.

Коэффициент формы шва – отношение ширины шва к его толщине.

Значение коэффициента формы шва обычно бывает в пределах от 0,5 до 4. Оптимальным считается значение от 1,2 до 2.

Коэффициент выпуклости шва – отношение ширины шва к его выпуклости.

Значение коэффициента выпуклости шва не должно быть более 7–10.

Коэффициент долей основного металла в металле шва:

где Fо – площадь сечения расплавленного основного металла,
Fэ – площадь сечения наплавленного электродного металла.

Корнем сварного шва называется часть шва, которая наиболее удалена от его лицевой поверхности. Подварочный шов – меньшая часть двустороннего шва, выполняемая заранее для предотвращения прожогов при дальнейшей сварке основного шва или укладываемая в последнюю очередь в корень шва.

Ошибки при неверном вычислении катета сварного шва

Неопытные сварщики могут допускать ошибки, связанные с неправильным расчетом параметров катета шва при угловом соединении. Излишек металла по линии стыка не придает прочности, он становится причиной повышенного расхода энергии и электродов, приводит к разбрызгиванию металла и возникновению не связанного с поверхностью детали наплыва. Формула расчета катета сварного шва используется для определения его максимального и минимального размера.

Читать еще:  Эффективна ли самостоятельная замена деревянных стеклопакетов

Так как шов имеет форму треугольника, то достаточно использовать коэффициент 0,7 для ширины полученного валика. Это касается и сварки встык, когда торцы деталей образуют откос. Но следует учитывать, что при таком соединении угол может составлять от 30 до 60 градусов, и тут могут действовать другие коэффициенты.

Расчет

В строгом смысле для определения величины катета шва необходимо учитывать целый ряд факторов. Наиболее значимым из них является толщина заготовки. Даже начинающему мастеру известно, что геометрия сварного шва напрямую зависит от необходимой глубины провара. Эта зависимость несколько усложняется, если приходится соединять две детали разной толщины.

К дополнительным факторам относятся такие, как положение электрода, тип соединения, физические свойства металла. Полный расчет сварного соединения подразумевает использование целого ряда сложных формул. На практике, если на металлоконструкцию не будут действовать сверхвысокие нагрузки, используют упрощенные принципы расчета.

К примеру, при соединении двух деталей одинаковой толщины катет считается равным кромке детали. Если толщина материала различна, то ориентируются на параметры более тонкой заготовки. Еще раз напомним, что ошибки в расчете приводят к нежелательным последствиям. Чрезмерно малый катет ославляет прочность сварного шва, в то время как большой катет может стать причиной внутренних напряжений в металле.

Приведенный метод расчета справедлив для средних показателей толщины материала. Увеличение толщины приводит к нарушению линейной зависимости между указанными параметрами. Достаточно толстые детали свариваются швом с катетом, размер которого составляет 40% от толщины. Как видно из примера, соблюдать такую сложную зависимость проблематично, тем не менее, размер катета – величина, определенная стандартом ГОСТ 5264-80.

В ряде случаев приближенное значение катета дает слишком большую погрешность, поэтому принято пользоваться упрощенной формулой. Они имеет следующий вид:

T=Scos45°, где Т – величина катета, а S – ширина шва. Поскольку мы иллюстрировали геометрические параметры, то в наших обозначениях эта формула будет иметь вид: K=ecos45°. Учитывая то, что косинус угла – есть величина постоянная, приходим к выводу, что и в данном случае катет линейно «привязан» к такому параметру, как ширина сварного шва (но не толщина кромки).

Как измерить катет шва

Измерения позволяют контролировать качество работ в процессе их выполнения или по завершению. Они дают возможность объективно оценить полученный результат и определить на каком этапе были допущены ошибки.

Размер стыков определяется на основании геометрических формул. Для получения результата необходимо просчитать катет равностороннего треугольника максимального размера, который можно вписать в сечение соединенных элементов.

Расчеты можно выполнить по-разному. При выборе варианта учитывается способ сварки. К примеру, если выполняется внахлест, а соединяются два металлических листа толщиной 4 мм, то катет тоже будет такой же примерно толщины. В остальных случаях размер катета составляет примерно 40% от толщины металла.

Зоны сварки

Зона сплавления с частично оплавленными зернами — 0,1−0,4 мм главного металла. Когда металл в этой зоне прогреется, его структура становится игольчатой с высокой хрупкостью и низкой прочностью.

Зона термического делится на четыре участка:

  • I — относится к основному металлу, нагревшемуся до температуры превышающей 1100 °C. Структура этого участка крупнозернистая, а зерна в этой области приблизительно в 12 раз больше, чем стандартные. Вследствие перегрева уменьшается, вязкость, пластичность и другие механические свойства металла, и в слабейшем участке сварки часто происходит разрыв.
  • II — участком является зона нормализации, в которой главный металл прогревается на 900 °C. Структура зерна тут гораздо мельче, чем в предыдущем случае. Занимает этот участок 1−4 мм.
  • III — зона неполной кристаллизации, в которой главный металл прогревается до 750− 900 °C. Здесь попадаются и мелкие, и крупные зерна. Механические свойства снижаются вследствие неравномерности распределения кристаллов.
  • IV — зона рекристаллизации. Прогревается до 450− 750 °C и восстанавливается форма зерен, деформированных из-за прошлых механических воздействий. Примерная ширина — 5−7 мм.
Читать еще:  Лазер для резки фанеры своими руками: особенности технологии и основные элементы конструкции

Зона главного металла начинается от участка, прогревающегося менее чем на 450 °C. Структура здесь сходна со структурой основного металла, но сталь теряет крепость за счет прогревания. По границе выделяются оксиды и нитриды, ослабляющие связь зерен. Металл в этом месте становится более прочным, однако, получает меньшую пластичность и ударную вязкость.

Выбор катета сварного шва

Определение длины катета шва при сварке выполняется под каждое конкретное изделие. Необходимо учитывать:

  • толщину свариваемых заготовок;
  • их материал;
  • одностороннее соединение или двухстороннее(со скольких сторон будет проварен угол);
  • характеристики электродов или проволоки.

Длина должна быть достаточной для обеспечения заданной прочности сварки. Завышать длину также недопустимо.

Завышение приводит к повышенному расходованию материалов, завышению трудоемкости, а также перетяжеляет конструкцию. Для облегчения выбора длины на основе практического опыта, а также научных исследований разработаны типовые шаблоны для каждого вида сварного соединения.

Структура шва

Типовой сварочный шов включает в себя:

  1. Зону наплавленного металла (из сварочного электрода или из основного металла соединенных между собой заготовок).
  2. Зону механического сплавления.
  3. Зону термического влияния.
  4. Переходную зону к основному металлу.

При рассматривании шлифа сварного шва в любой металлографический микроскоп разграниченность вышеперечисленных зон определяется весьма четко. Исключение составляют лазерные технологии соединения тонкостенных и мелких деталей, когда из-за точной локализации светового потока некоторые зоны могут отсутствовать.

Зона наплавленного металла представляет собой сплошную литую структуру, формирование которой происходит с момента начала расплавления электрода или заготовки. На обычных микрошлифах эту зону рассмотреть невозможно вследствие особой мелкой дисперсности частиц, которые ее составляют. Зона отличается наибольшей твердостью, но часто имеет поверхностные дефекты, обусловленные совместным действием сварочных шлаков, кислорода воздуха, остатков сварочного флюса и т.д.

Протяженность зоны механического сплавления связана с термодиффузионной активностью металлов соединяемых деталей. При интенсивном проникновении одного металла в другой глубина зоны сплавления может достигать 40-50% от объема литой зоны. Состав зоны неоднороден: наряду со структурами основного металла, там могут присутствовать интерметаллидные соединения углерода и азота с легирующими элементами, которые имеются в основном металле. Чаще всего в этой зоне встречаются грубодисперсные карбиды вольфрама, хрома, железа, а также более мелкие по размерам нитриты тех же металлов.

Зона термического влияния по своей структуре напоминает поверхностные зоны термически обрабатываемого металла в условиях скоростной и поверхностной закалки или упрочнения. Непосредственно к объемам механического сплавления примыкает так называемый «белый слой» — нетравящаяся часть металла этой зоны. Твердость белого слоя — максимальна и часто превосходит показатели зоны механического сплавления. Причиной тому являются тепловые процессы, энергии которых уже недостаточно для расплавления, но вполне хватает для сверхскоростной закалки (особенно, если сварка ведется под слоем инертного газа). Далее по глубине располагаются зоны структурных превращений, состав которых зависит от марки стали. Например, после сварки нержавеющих сталей основной составляющей рассматриваемой зоны является аустенит, для инструментальных сталей — мартенсит и т.д.

В переходной к основному металлу зоне присутствуют структуры троостита, остаточного аустенита, перлита и других составляющих, которые формируются в условиях сравнительно небольших температурных перепадов.

Качество сварки определяется скачками твердости и структурной однородности: чем они меньше, тем долговечнее и прочнее будет сварочный шов.

Таким образом, структура сварного шва является неоднородной, а сопоставительный анализ ее основных физико-механических характеристик (твердости, прочности, однородности и пр.) определяет качество сварного соединения.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector