Прочность сварного шва на разрыв

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.

К общему сведению

Сварка обеспечивает самые качественный и неразрывные соединения, как это указывалось выше.

Суть этого процесса такая, происходит молекулярное сцепление, когда мы нагреваем два метала, до такой степени, что они начинают плавиться в тех местах, где мы должны их соединить. Мы можем сделать их пластичны с помощью механической силы.

У всего есть свои минусы, так например сварочные швы тоже не идеальны. Конечно при определенных методах они выходят практически идеальными если сварка в руках профессионала, а при каких-то методах сварки уж совсем неидеальна.

Иногда это происходить из-за быстрого и неравномерного нагревания и охлаждения, в деталях может оставаться небольшое напряжение.

Возможно и другие проблемы во время сваривания, такие как наплывы, не проваренные участки шва или же трещины.

При этом по неопытности может даже не удастся сварить два метала, которые по своей химии не возможно соединять, но для этого нужно иметь уже не большой опыт.

Конечно все эти недостатки значительно портит качество работы и иногда и делают ее совершенно бесполезной, и тогда жаль потраченного времени и расходных материалов. Но все же есть способы как с этим можно эффективно бороться.

Для того чтобы ваши соединения получались идеальными нужно все подсчитать предварительно ещё тогда, когда идет составление проекта.

Очень важно не допускать ошибок на этом этапе, позже вы дорого за них заплатите, вам придётся переделывать всю работу снова, при этом вы ещё можете испортить металл и сделать его более не пригодным к сварке.

Так что хорошо изучите свойства тех материалов, что вы будете использовать, будут ли они крепко соединяться, выдерживать нагрузки, до каких температур лучше всего нагревать и каким видом сварки пользоваться при работе с определенным видом металла.

Такие проектные работы много в чем полезны, если вы все это подсчитаете предварительно то в первую очередь будете ориентироваться в количестве необходимых расходных материалов, и даже сможете подсчитывать приблизительное врем работы, а это очень полезно на производстве или же когда вы имеете нанятого работника, который работает 8 часов.

Вы сможете рассчитать эффективность работы такого человека.

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; r_max — расстояние от центра тяжести швов до наиболее удаленной точки шва; I_pc — полярный момент инерции швов

Касательное напряжение т_м 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 y_max — расстояние от оси элемента до наиболее удаленной точки шва;
Напряжение от растяжения (или сжатия)

где, F_e = 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

P_min и P_max — 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

Определение прочности шва

1. Физические.
2. Химические.
3. Механические.

Физические способы контроля качества

При проверке на качество сварные соединения проверяют с использованием различных физических методов.

Электромагнитный способ с использованием такого явления, как магнитное рассеивание. При этом поверхность должна быть покрыта порошком из железа или окалины, которые реагируют на магнитные поля. В случае наличия дефектов образуются скопления из опилок.

Радиационный и ультразвуковой способы. Этот метод также используют на производстве для обнаружения полостей в теле шва. Без специального оборудования провести такую проверку невозможно. Радиационный способ подразумевает использование рентгеновского излучения, а ультразвуковой связан с прохождением и отражением звуковых волн.

Если есть дефекты, то, при прохождении рентгеновского излучения через деталь, на пленке они будут более затемненными.

Физические способы проверки помогают выявить нарушения в структуре шва и найти местонахождение различных полостей и раковин.

Химические способы проверки

Насколько тщательно проварено соединение, можно проверить, используя раствор мела и керосина. На одну сторону наносят смешанный с водой мел. Когда он высохнет, обратную сторону шва хорошо смачивают керосином. В силу своей текучести он протечет сквозь трещины в соединении и на меле появятся его следы.

Также используют другой способ с применением индикаторов и аммиака. На одну сторону шва укладывают лист бумаги, смоченный в растворе индикатора, а другая обрабатывается смесью аммиака (газа) и воздуха. Если есть дефекты, то реагент оставит следы на индикаторе.

Механические способы проверки

Герметичность изделия и его соединений можно проверять давлением.

Например, на сварной крепеж нанести мыльный раствор, после чего его подвергают воздушному давлению. Образование пузырей покажет наличие дефектов и их местонахождение в швах.

Также осуществляется проверка герметичности гидравлическим способом. Когда изделие заполняют водой и подают сильное давление. Если образовалась течь, то сварные швы имеют брак в выполнении.

Большинство таких методов проверки невозможно провести в бытовых условиях, так как они требуют оборудования, доступного только при промышленном производстве.

Расчеты прочности соединений

Для угловых и стыковых соединений есть свои параметры, определяющие их качество и прочность.

В стыковых сварных швах — это номинальное сечение проваренной зоны без наплывов расплавленного металла.

Основные прочностные параметры углового соединения определяет катет.

Лучшим способом проверить в домашней мастерской качество наложенного углового сварного шва будет использование универсального шаблона сварщика.

Насколько качественный шов в домашних условиях можно определить и внешним осмотром. Например, если соединение по форме слишком плоское и расплывчатое, это может означать о плохой проварке металла. Большие выпуклости означают, что во время сваривания шов попросту «всплыл» на поверхность и не соединил детали.

Таким же образом можно понять, насколько качественным сделано угловое соединение. Плоские и широкие катеты (стороны треугольника) означают непровар тела деталей. Выпуклые швы говорят о всплытии шва на поверхность.

Расчеты сварного шва на угловых стыках можно сделать с помощью формулы Т=S×cos45°. Косинус 45 равняется значению 0,7. А S — это ширина шва. Умножив эти данные, получаем значение катета углового соединения.

Проводя расчет сварных соединений в домашней мастерской, можно исходить из значения, что катет и номинальное сечение не должны превышать толщину свариваемых деталей более чем на 1-1,5 миллиметра. Если шов получился большим или меньшим, то такое крепление может быть недостаточно качественным. Но такой способ можно применять, если изготавливаются неответственные конструкции.

А что вы можете добавить к материалу этой статьи? Если у Вас есть опыт в проверке и расчетах сварных швов, то поделитесь им в блоке комментариев.

Зависимость от типа сварочного шва

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

1. Стыковой – наиболее рациональный, т. к. концентрация напряжения в шве при таком методе минимальна. Свариваются торцы деталей, в результате одна часть изделия продолжает другую.
2. Угловой – соединяемые элементы располагаются перпендикулярно друг другу. Прочность здесь во многом зависит от верно рассчитанного предельного усилия.
3. Тавровый – похож на угловой с той лишь разницей, что детали свариваются торцами. Такая дорожка прочная, экономичная и простая в выполнении.
4. 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:

,

• P – нагрузка на шов, Н;
• [τ]’ср – допускаемое напряжение на срез, Па;
• 0,7k – толщина шва в наиболее опасном сечении, см;
• l – длина сварной дорожки, мм.

При соединении внахлест разделка кромок не требуется.

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:

.

Тавровые швы могут быть односторонними и двусторонними.

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:

.

Нормативные документы

Основным документом, определяющим нормы проектирования стальных конструкций, являются строительные нормы и правила (СНиП) СНиП II-23-81, утвержденные приказом ЦНИИСК им. Кучеренко от 28.11.83 № 372/л. В этом документе одной из глав приведены правила расчета сварных соединений.

Однако данный документ носит обобщенный характер и касается не только сварочных работ, но и других видов соединений, поэтому «справочником» профессионального сварщика выступает пособие по расчету и конструированию сварных соединений стальных конструкций, разработанное тем же институтом. В пособии рассмотрены теоретические и практические вопросы расчета сварных соединений с угловыми швами. Правильные расчеты способны обеспечить экономию расходных материалов при высоких показателях прочности и надежности.

Дефекты, возникающие в результате неправильных расчетов

Прежде всего, нужно твердо усвоить, что теоретический расчет угловых, тавровых, нахлесточных или стыковых швов и практическая надежность, равно как и срок службы металлоконструкции являются звеньями одной цепи. Эти факторы тесно взаимосвязаны между собой. К примеру, если вычисления сделать кое-как или же проигнорировать вовсе, то последствием подобного шага станет кратное увеличения риска образования дефектов сварного соединения. Как результат – снижение срока службы, надежности или функциональности металлоконструкции.

Наиболее часто возникают дефекты такого характера:

• подрезы. Они представляют собой канавки, которые образуются по линии соединения или возле нее. Приводят к быстрому разрушению стыка;
• поры. Визуально заметить их невозможно (кроме поверхностных). Образуются из-за проникновения газов, которые являются побочным продуктом плавления металла и электрода;
• непровары. Результат недостаточного прогрева стали, вследствие чего на стыке образуются пробелы;
• сторонние включения. Очень опасная ошибка, которая приводит к существенному снижению прочности сварного шва. Со временем в месте содержания примесей возникают трещины;
• горячие или холодные трещины. первый тип дефекта образуется в результате нарушения технологии выполнения сварочных работ. Самый простой пример – неправильный подбор расходных материалов. Холодная трещина является результатом окисления металла и возникает после его остывания.

Вычисления по формулам помогают избежать брака в работе. Они позволяют создавать качественные сварные соединения, выдерживающие большие нагрузки во время эксплуатации металлических конструкций.

Механические свойства, определяемые при статических испытаниях

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка к образцу возрастает медленно и плавно.

При статических испытаниях на растяжение определяются следующие основные механические характеристики металла:

— предел текучести (σ т);
— предел прочности или временное сопротивление (σ в);
— относительное удлинение (δ);
— относительное сужение (ψ).

Предел текучести – это напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Предел прочности – это напряжение при максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.

Относительное удлинение – это отношение приращения длины образца после разрушения к его начальной длине до испытания.

Относительное сужение – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрушения к его начальной площади до испытания.

При испытании на статическое растяжение железо и другие пластические металлы имеют площадку текучести, когда образец удлиняется при постоянной нагрузке Рm.

При максимальной нагрузке Рmax в одном участке образца появляется сужение поперечного сечения, так называемая “шейка”. В шейке начинается разрушение образца. Так как сечение образца уменьшается, то разрушение образца происходит при нагрузке меньше максимальной. В процессе испытания приборы рисуют диаграмму растяжения, по которой определяют нагрузки. После испытания разрушенные образцы складывают вместе и измеряют конечную длину и диаметр шейки. По этим данным рассчитывают прочность и пластичность.

Какие свойства определяют при испытании сварных соединений

В разработанных методиках, утвержденных стандартом, указывается несколько способов испытания сварных швов для определения механических свойств диффузного слоя образцов. Кусочки термически соединенного металла подвергают воздействию разнонаправленных усилий. Определяют, под какой силой возникает деформация по шву. Учитываются:

• трещины;
• надрывы;
• изменения первоначальной формы, линейных размеров.

Отдельно определяются технологически значимые свойства, влияющие на несущую способность, герметичность соединений.

Пластичность

Эксперименты на статическое растяжение определяют податливость диффузного слоя и зоны термического влияния к изменению первоначальной формы под воздействием удлиняющих усилий. От пластичности зависит способность к штамповке с вытягиванием. Показатель удлинения определяется методом измерения образцов до нагрузки и после нее. Расчеты производятся по отношении величины удлинения к первоначальным размерам. Каждую из прочностных характеристик стоит рассмотреть подробно. От каждой из них зависит качество сварки.

Прочность

Для сварных опорных конструкций, испытывающих разнонаправленные напряжения, показатель прочности важен, от него зависит целостность сооружения. Прочностные характеристики определяются:

• на изгиб, усилия прикладываются до момента критической деформации образца;
• на усталость, количество циклов с различными нагрузками до разрушения.

Методика определение прочности на изгиб предусматривает три способа исследований:

• искривление тонкой заготовки вокруг стандартной оправки до параллельности сторон U-образно изогнутого образца;
• искривление под заданным углом;
• двухсторонний изгиб до состояния сплющивания сторон.

Ударная вязкость

Динамические исследования на ударный изгиб проводятся с высокой скоростью изменения нагрузки. Соединение проверяется на хрупкость от удара, склонность к деформации или растрескивание. Для исследований готовят образцы с надрезанным шовным валиком. В месте надреза концентрируется напряжение при ударе копром маятникового типа. На основании показаний испытаний рассчитывается ударная вязкость, определяется как отношение работы по отталкиванию концентратора к площади сечения целого образца, до нанесения разреза. Для удобства проведения исследований на маятниковый копер наносится измерительная шкала.

Твердость

Применяются три способа:

• разработанный Роквеллом предусматривает вылавливание в металл жестких калиброванных образцов: стального шарика, прошедшего процедуру закалки, или алмазного конуса.
• Шкала Веклера разработана на основе аналогичных испытаний с использованием алмазной пирамидки;
• способ Бринелля основан на использовании стального шарика большой плотности и твердости.

На твердость стыковое соединение проверяют в двух направлениях:

• по продольной оси;
• от центра шва, направляясь к основному металлу сварной заготовки.

По Роквелу определяют твердость швов на тонком металле, листовой стали. По Бринелю и Векслеру – все остальные. Твердость металла зависит от пластичности. Чем тверже получается диффузный слой, тем меньше будет изгибаться. Это говорит о низкой пластичности 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.