Расчет катета сварного шва от толщины металла

Сварка является самым простым из всех существующих сегодня способов соединения металлических заготовок. Технология дает возможность получать прочные и надежные соединения. Она востребована в создании металлоконструкций разного уровня сложности, в укладке трубопроводов, строительстве, машиностроении и других отраслях. Характеристики сварных соединений зависят от множества факторов. Наиболее значимые из них: толщина заготовок, условия выполнения работ, расходные материалы, оборудование, состав металла. Чтобы предварительно определить, насколько прочным получится соединение, нужно расчет сварного шва.

Он делается, как правило, в процессе проектирования и позволяет правильно выбрать материалы для выполнения конкретного вида операций. Предварительные вычисления необходимы для того, чтобы добиться нужного запаса прочности конструкции. Таким образом достигается нужная степень надежности готовых изделий.

Методика расчета

Существуют разные варианты сцепления металла. Расчет сварных соединений для каждого из них выполняется отдельно. В зависимости от пространственного расположения свариваемых деталей различаются и сварные соединения. Соответственно они могут быть:

• угловыми. Соединяемые заготовки одна по отношению к другой располагаются перпендикулярно. Чтобы конструкция получилась максимально прочной, следует определить предельные усилия, которые будут воздействовать на швы;
• стыковыми. Заготовки располагаются в одной плоскости таким образом, что одна из них является продолжением другой. Свариваются торцы деталей. Такой вариант соединения принято считать оптимальным, так как он характеризуется минимальными показателями напряженности на стыке. Шов может быть косым или прямым;
• внахлест. Плоскости соединяемых заготовок перекрывают одна другую. Такая технология лучше всего подходит для соединения деталей, толщина стенок которых не превышает 5 мм. Также метод используется в ситуациях, если требуется укрепить сварной шов;
• тавровым сварочным швом. Внешним видом очень похожи на угловые. Детали по отношению одна к другой тоже располагаются под углом в 90 градусов, но соединяются торцами. Такие виды стыков достаточно востребованы и часто используются. Среди основных достоинств методы – простота исполнения, надежность и экономичность. К тому же, используя специально разработанные методические указания, по тавровому соединению несложно выполнить расчеты с безупречной точностью.

Итак, пришло время детально рассмотреть методику расчета сварного шва. Специалисты вывели специальные формулы, которые упрощают выполнение необходимых вычислений. Помимо этого, в сети Интернет есть специальные программы. Они находятся в свободном доступе. От пользователя требуется только ввести нужные параметры, чтобы получить точный результат.

Определение площадей поперечного сечения сварных швов

Форма поперечного сечения		Расчетная формула
Подготовленных кромок	Выполненного шва

2.7.6. Техника выполнения сварных швов

Техника выполнения сварных швов зависит от вида и пространственного положения шва.

Нижние швы наиболее удобны для выполнения, так как расплавленный металл электрода под действием силы тяжести стекает в кратер и не вытекает из сварочной ванны, а газы и шлак выходят на поверхность металла. Поэтому по возможности следует вести сварку в нижнем положении. Стыковые швы без скоса кромок выполняют наплавкой вдоль шва валика с небольшим уширением. Необходимо хорошее проплавление свариваемых кромок. Шов делают с усилением (выпуклость шва до 2 мм). После проварки шва с одной стороны изделие переворачивают и, тщательно очистив от подтеков и шлака, заваривают шов с другой стороны.

3. Рис. 45.

Сварку стыковых швов с V-образной разделкой при толщине кромок до 8 мм производят в один слой, а при большой толщине — в два слоя и более. Первый слой наплавляют высотой 3 … 5 мм электродом диаметром 3 … 4 мм. Последующие слои выполняют электродом диаметром 4…5 мм. Перед наплавкой очередного слоя необходимо тщательно очистить металлической щеткой разделку шва от шлака и брызг металла. После заполнения всей разделки шва изделие переворачивают и выбирают небольшую канавку в корне шва, которую затем аккуратно заваривают. При невозможности подварить шов с обратной стороны следует особенно аккуратно проварить первый шов. Стыковые швы с Х-образной разделкой выполняют аналогично многослойным швам с обеих сторон разделки. Угловые швы в нижнем положении лучше выполнять в положении «лодочка» (рис. 45, а). Если изделие не может быть так установлено, необходимо особенно тщательно обеспечить хороший провар корня шва и свариваемых кромок. Сварку следует начинать с поверхности нижней кромки и затем переходить через разделку шва на вертикальную кромку, как показано на рис. 45, б. При наложении многослойного шва первый валик выполняют ниточным швом электродом диаметром 3 … 4 мм. При этом необходимо обеспечить хороший провар корня шва. Затем после зачистки разделки наплавляют последующие слои.

Вертикальные швы менее удобно сваривать, так как сила тяжести увлекает капли электродного металла вниз. Вертикальные швы следует выполнять короткой дугой и снизу вверх (рис. 45, в). При этом капли металла легче переходят в шов, а образующаяся полочка удерживает очередные капли металла от стекания вниз. Сварку можно вести и сверху вниз. При этом дугу следует зажигать при положении электрода, перпендикулярном плоскости изделия (положение I, рис. 45, г). После образования первых капель металла электрод наклоняют вниз II и сварку выполняют возможно короткой дугой. Рекомендуется применять электроды диаметром 4 … 5 мм при несколько пониженном сварочном токе (150… 170 А).

Горизонтальные швы — для их выполнения подготавливают кромки с односторонним скосом у верхнего листа (рис. 45, д). Дугу возбуждают на нижней кромке и затем переводят на поверхность скоса и обратно. Сварку выполняют электродом диаметром 4 … 5 мм. Горизонтальные нахлесточные швы (рис. 45, е) выполняются легче, так как нижняя кромка образует полочку, удерживающую капли расплавленного металла.

Потолочные швы наиболее трудно выполнимы и поэтому требуют высокой квалификации сварщика. Применяют электроды диаметром не более 5 мм при уменьшенном сварочном токе. Следует применять тугоплавкое покрытие электрода, образующее «чехольчик», в котором удерживается расплавленный металл электрода. Дуга должна быть как можно короче для облегчения перехода капель металла электрода в кратер шва.

Выбор способа и порядка выполнения сварных швов зависит главным образом от толщины металла и протяженности шва. При сварке тонколистовой стали необходимо строгое соблюдение техники выполнения сварных швов. Особую опасность представляют сквозные прожоги и проплавление металла.

Рис. 46.

Сталь толщиной 0,5 … 1,0 мм следует сваривать внахлестку с проплавлением через верхний лист (рис. 46, а) или встык с укладкой между свариваемыми кромками стальной полосы (рис. 46, б). Во втором случае расплавление кромок должно происходить при косвенном воздействии дуги. Сварку производят на пониженных режимах. Питание дуги — от преобразователя ПС-100-1 или аппарата переменного тока ТС-120, так как они отличаются повышенным напряжением холостого хода и малыми сварочными токами.

Применяют электроды с покрытием марок МТ или ОМА-2. Сварку ведут на массивных теплоотводящих медных подкладках. Такой способ теплоотвода предохраняет металл от сквозного прожога и способствует хорошему формированию шва. Тонколистовую сталь можно сваривать с отбортовкой кромок (рис. 46, в). Сварку производят постоянным током неплавящимся электродом (угольным или графитовым) диаметром 6… 10 мм при сварочном токе 120… 160 А. Применение иных способов сварки тонколистового материала рассмотрено в соответствующих главах.

Рис. 47.

Металл большой толщины сваривают в несколько проходов, заполняя разделку кромок слоями. При толщине металла 15 … 20 мм сварку выполняют секциями способом двойного слоя (рис. 47, а). Шов разбивают на участки длиной 250… 300 мм и каждый участок заваривают двойным слоем. Второй слой накладывают после удаления шлака по неостывшему первому. При толщине металла 20 … 25 мм и более применяют сварку каскадом (рис. 47, б) или сварку горкой (рис. 47, в). Каскадный способ заключается в следующем. Весь шов разбивают на участки и сварку ведут непрерывно. Закончив сварку слоя на первом участке, сваривают первый слой на втором участке и продолжают сварку на первом участке, накладывая второй слой по неостывшему первому слою, и т. д. Сварка горкой является разновидностью сварки каскадом, обычно выполняется двумя сварщиками одновременно и ведется от середины шва к краям. Такие способы сварки обеспечивают более равномерное распределение температуры и значительное снижение сварочных деформаций.

Рис. 48.

Способы выполнения сварных швов по длине зависят от их протяженности. Условно принято различать: короткие швы длиной до 250 мм, средние швы длиной 250…1000 мм и длинные швы протяженностью более 1000 мм. Короткие швы выполняют сваркой на проход (рис. 48, а). Швы средней длины сваривают либо от середины к краям (рис. 48, б), либо обратноступенчатым способом (рис. 48, в). Обратноступенчатый способ заключается в том, что весь шов разбивают на участки и каждый участок сваривают в направлении, обратном общему направлению сварки. Конец каждого участка совпадает с началом предыдущего. Длина участка выбирается в пределах 100… 300 мм в зависимости от толщины металла и жесткости свариваемой конструкции. Длинные швы сваривают также обратноступенчатым способом.

Сварка при низких температурах отличается следующими основными особенностями. Стали изменяют свои механические свойства, понижается ударная вязкость и уменьшается угол загиба, ухудшаются пластические свойства и несколько повышается хрупкость, а отсюда склонность к образованию трещин. Это особенно заметно у сталей, содержащих углерод более 0,3%, а также у легированных сталей, склонных к закалке. Металл сварочной ванны охлаждается значительно быстрее, а это приводит к повышенному содержанию газов и шлаковых включений и, как следствие, — к снижению механических свойств металла шва. В связи с этим установлены следующие ограничения сварочных работ при низкой температуре. Сварка стали толщиной более 40 мм при температуре 0°С допускается только с подогревом. Подогрев необходим для сталей толщиной 30 … 40 мм при температуре ниже — 10°С, для сталей толщиной 16… 30 мм при температуре ниже — 20°С и для сталей толщиной менее 16 мм при температуре ниже — 30°С.

Для подогрева применяют горелки, индукционные печи и другие нагревательные устройства. Сварку производят электродами типа Э42А, Э46А, Э50А, обеспечивающими высокую пластичность и вязкость металла шва. Сварочный ток на 15…20% выше нормального. Рабочее место должно быть защищено от ветра и снега.

2.7.6. Меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями.

Сварка вызывает возникновение в изделиях собственных напряжений. Собственными напряжениями называются напряжения, которые существуют в изделии без приложения внешних сил. В зависимости от причины, вызвавшей напряжения, различают:

• Тепловые напряжения, вызванные неравномерным распределением температуры при сварке
• Структурные напряжения, возникающие вследствие структурных превращений, сопровождающихся переохлаждением аустенита в околошовной зоне и образованием продуктов закалки мартенсита, объём которого больше объёма исходной структуры.

Нагрев при сварке приводит к изменению как физических, так и механических характеристик металла, что необходимо учитывать.

Весь комплекс мероприятий по борьбе с деформациями и напряжениями от сварки можно разделить на две основные группы:

• Мероприятия, предотвращающие вероятность возникновения деформаций и напряжений или уменьшающие их влияние
• Мероприятия, обеспечивающие последующее исправление деформаций и снятие возникших напряжений

К первой группе мероприятий относятся: выбор правильной последовательности сварки изделия, закрепление, предварительный выгиб, подогрев, интенсивное охлаждение деталей и другие.

Наиболее эффективным способом является подогрев. Он может быть общим и местным. Подогрев снижает неравномерность распределения температур и тем самым может уменьшить или устранить действие основного фактора, взывающего сварочные напряжения и деформации.

Для полного снятия напряжений применяется термическая обработка после сварки.

Для снятия напряжений назначается высокий отпуск. Целесообразность назначения термической обработки для сварных конструкций в каждом конкретном случае определяется в зависимости от применяемых материалов, технологии изготовления конструкций и условий её эксплуатации.

Ко второй группе мероприятий относятся механическая и термическая правка.

Механическая правка заключается в растяжении участков деформированной детали. Термическая правка, т.е. правка нагревом достигается за счёт пластических деформаций сжатия растянутых участков.

Те или иные мероприятия выбираются в зависимости от конструкции изделия, свариваемого материала и способа сварки

Величина и характер сварочных напряжений и деформаций опре­деляются влиянием ряда технологических и конструктивных фак­торов.

Выбор способа сварки.

Высокая концентрация теплоты способствует сужению зоны пластической деформации и умень­шению деформации всей конструкции. Остаточные деформации можно снизить, заменив ручную дуговую сварку покрытыми элек­тродами механизированной сваркой под флюсом, применяя за­щитный газ или порошковую проволоку.

Выбор формы ш в а.

При прочих равных условиях Х-образ-ная подготовка кромок благодаря симметричной форме шва вы­зывает меньшую угловую деформацию, чем V-образная. С целью уменьшения деформаций целесообразно применять двустороннюю сварку в соединениях без скоса кромок.

Эффективной мерой снижения деформаций при сварке соеди­нений с угловыми швами является уменьшение сечения шва за счет применения сварочных материалов, обеспечивающих более высокую прочность металла шва.

Выбор режима сварки.

Величина и характер сварочных напряжений и остаточных деформаций находятся в прямой зави­симости от погонной энергии сварки, которая определяется вы­бранным режимом.

Увеличение площади сечения шва или отдельного слоя в шве приводит к заметному возрастанию остаточных деформаций. Для обеспечения минимальной деформации при проектировании свар­ной конструкции следует отдавать предпочтение швам с наимень­шей площадью сечения (исходя из требований прочности конст­рукции).

Последовательность выполнения

швов. На величи­ну остаточных деформаций и напряжений, возникающих при свар­ке, существенно влияет порядок наложения швов по длине со­единения и его сечению.

Наиболее значительные деформации характерны для сварки на проход, поэтому целесообразно выполнять швы от середины лис­тов к краям при работе двух сварщиков. Уменьшает величину на­пряжений и деформаций обратноступенчатая сварка. В этом слу­чае шов сваривают участками таким образом, чтобы к началу свар ки следующего участка температура предыдущего была не выше заданного значения (200…300°С для сталей). При однослойной сварке это условие обеспечивается, если длина ступени и участ­ка, сваренного одним электродом, одинаковая (при площади се­чения шва, на 20 % большей по сравнению с площадью сечения стержня электрода).

Для уменьшения величины остаточных напряжений и дефор­маций при сварке многопроходных швов применяют каскадный метод сварки. Существенное влияние на величину напряжений и остаточных деформаций оказывает длина и направление сварки отдельных швов.

Предварительный изгиб свариваемых деталей.

Этим приемом пользуются для предупреждения угловых дефор­маций при сварке стыковых и нахлесточных соединений. При сварке листов небольшой ширины с V-образной разделкой кромок их располагают не в одной плоскости, а под углом друг к другу та­ким образом, чтобы выступ был направлен в сторону, обратную ожидаемой деформации (рис. 2.5,
а).
Листы большой ширины мож­но укладывать с предварительным изгибом свариваемых кромок (рис. 2.5,
б).
Монтажные стыки с закрепленными листами рекомендуется сваривать, предварительно отогнув кромки (рис. 2.6, а).

Это мо­жет быть достигнуто при использовании домкратов или специ­альных приспособлений. Для предотвращения угловых дефор­маций тавровых или двутавровых соединений производят упру­гую или пластическую деформацию пояса (рис. 2.6,
б).
С целью устранения продольных деформаций «в плоскости» при сварке тавровых балок применяют приспособления, которые изгибают балку в сторону, обратную ожидаемой деформации (рис. 2.6,
в).
Предварительный обратный изгиб можно создать с помощью наклепа кромок и стенки балок либо нагревом до температуры 700… 750 °С.

Эффективная мера предотвращения выпучивания стенки в дву­тавровой балке, вызываемого сваркой поясных швов, — сборка с предварительным натяжением стенки. Для этого используют сбо­рочные стенды с домкратным устройством. Уменьшить деформа­ции тонких листов можно путем их гофрирования на прессах или предварительного растяжения свариваемых деталей вдоль направ­ления сварки.

Охлаждение свариваемых деталей.

Благодаря допол­нительному охлаждению уменьшаются остаточные деформации и напряжения, однако при сварке закаливающихся сталей метод ис­кусственного охлаждения неприменим, так как могут быть полу­чены хрупкие закалочные структуры.

Подогрев свариваемого металла.

При предваритель­ном или сопутствующем подогреве уменьшается перепад темпе­ратур между соседними участками сварного соединения и несколь­ко снижаются напряжения. Такой подогрев можно осуществлять индукционным способом, газовым пламенем или электрически­ми нагревателями. При сварке сталей с подогревом до температу­ры 200 «С остаточные напряжения снижаются на 30 % по сравне­нию со сваркой без подогрева. Можно проводить как общий, так и местный сопутствующий подогрев. При местном подогреве на­гревают участок шириной 40…50 мм по обе стороны шва.

В случае изготовления особо ответственных конструкций из низкоуглеродистых сталей при толщине металла более 40 мм про­водят предварительный подогрев до температуры 100… 120 °С. При сварке среднеуглеродистых и низколегированных конструкцион­ных сталей целесообразно применять предварительный подогрев до температуры 150…200°С при толщине металла более 30 мм. Если в процессе сварки не удается снизить напряжения и де­формации до заданного уровня, появляется необходимость в уст­ранении их путем обработки сварной конструкции.

Термическая обработка.

Для снятия напряжений свар­ное соединение из углеродистых конструкционных сталей под­вергают общему высокому отпуску (нагрев до 630…650°С с вы­держкой при этой температуре из расчета 2…3 мин на 1 мм тол­щины металла). Охлаждение должно быть медленным, чтобы сно­ва не возникли напряжения. Поэтому деталь охлаждают до темпе­ратуры 300 °С с печью, а затем на спокойном воздухе.

Релаксация (снятие) сварочных напряжений при высоком от­пуске происходит вследствие снижения предела текучести стали при температуре 600 °С, в результате материал практически не оказывает сопротивления пластической деформации.

В ряде случаев можно ограничиться высоким отпуском отдель­ных элементов конструкции, причем обычно при сварке изделий из стали с пониженным содержанием углерода и легирующих эле­ментов достаточно предварительного местного или общего подо­грева без последующей термообработки.

Аргонодуговая обработка неплавя щимся элект­ родом.

Такая обработка участка металла вдоль линии сплавления изменяет напряжения вследствие перехода части металла в плас­тичное состояние.

Расплавление небольшого количества основного металла и ме­талла шва приводит к уменьшению напряжений на 60… 70 %. По­лучаемый при этом плавный переход от шва к основному металлу способствует повышению прочности сварных соединений, осо­бенно при динамическом нагружении.

Проковка металла шва и околошовной зоны.

Сва­рочные напряжения могут быть сняты почти полностью, если в зоне сварки создать дополнительные пластические деформации. Проковку сварных швов на сталях проводят в процессе остывания металла при температурах выше 450 «С или ниже 150 «С. В интерва­ле температур 200…400°С в связи с пониженной пластичностью металла при его проковке возможно образование надрывов. Спе­циального нагрева сварного соединения для выполнения данной операции, как правило, не требуется. Удары наносят вручную молотком массой 0,6… 1,2 кг с закругленным бойком или пневма­тическим молотком с небольшим усилием. При многослойной сварке проковывают каждый слой, за исключением первого, в котором от удара могут возникнуть трещины. Этот же прием при­меняют для снятия напряжений при заварке трещин и замыкаю­щих швов в жестких конструкциях.

Термическая правка.

Нагрев деформированного материа­ла проводят газокислородным пламенем или электрической ду­гой с использованием неплавящегося электрода. Температура на грева исправляемого участка стальной конструкции составляет 750…850 °С. В случае деформации тонкого листа, приваренного к массивной раме, правку можно осуществлять путем его нагрева в симметрично расположенных точках с выпуклой стороны. Нагрев следует начинать от центра выпуклости.

Механическая правка.

Для устранения деформации ме­ханическую правку можно осуществлять на прессах или, при тол­щине металла до 3 мм, вручную — ударами молотка. Этот метод уступает термической правке, и его применение следует ограни­чивать, так как образуется местный наклеп, повышающий пре­дел текучести металла; пластические свойства металла ухудшают­ся, что особенно опасно при динамическом нагружении конст­рукции.

6.7. Контроль качества сварных соединений

При выборе методов контроля в процессе заготовки, сборки и сварки сварных конструкций необходимо принять такие методы контроля за качеством выпускаемой продукции, которые обеспечили бы требования технических условий на изготовление сварных конструкций.

Высокое качество сварных конструкций может быть обеспечено при условии строгого соблюдения пооперационного контроля. Контрольные операции разделяются на три этапа:

1. предварительный контроль перед сваркой. Он включает в себя проверку исходных материалов, применяемых для изготовления изделия, проверку сварочного оборудования, оснастки, инструментов, квалификации сварщиков и т.д.
2. контроль в процессе производства с целью проверки правильности заготовки, сборки, соблюдение технологических режимов, размеров и качества сварных швов, последовательности их наложения и др.
3. контроль готовой продукции – приёмно-сдаточные испытания

Контроль на первых двух этапах позволяет предупредить брак. До начала изготовления сварных конструкций должны быть тщательно проверены все применяемые материалы. Готовое изделие проверяется в соответствии с техническими условиями и чертежами, а также путём проведения предусмотренных испытаний.

Выбрав методы контроля, следует дать их краткую характеристику и обоснование.

2.8.Техника безопасности при выполнении сборочных и сварочных работ

При сборке сварных конструкций следует соблюдать следующие требования:

o все обрабатываемые изделия должны устанавливаться и надёжно закрепляться в приспособлениях

o пользоваться только проверенным подъёмно-транспортным оборудованием

o при работе совместно с электросварщиками нужно пользоваться очками или маской с тёмными стёклами

o при заточке инструмента на наждаке без защитного экрана и при работе со шлифовальной машиной работать в очках с прозрачными стёклами

При сварочных работах следует руководствоваться следующими требованиями:

o работа должна производиться только со щитком или маской, закрывающей все части лица работающего и снабжённой необходимым светозащитным стеклом

o спецодежда должна удовлетворять установленным нормам

o для защиты окружающих от действия электрической дуги рабочее место электросварщика должно быть ограждено

o присоединение проводов к свариваемому изделию, электрододержателю и сварочным установкам должно быть плотным и прочным

o при сварочных токах, превышающих 600 А, токоведущий провод должен присоединяться к электрододержателю, минуя его рукоятку

o рукоятка электрододержателя должна быть изготовлена из диэлектрического и теплоизолирующего материала

o для защиты от флюсовой пыли, выделяющейся при сварке, используются флюсоотсосы, а рабочее место обеспечивается вентиляцией

o горелки для сварки в углекислом газе не должны иметь открытых токоведущих частей, а рукоятки должны быть покрыты диэлектрическим теплоизолирующим материалом

o в случае появления искрения между корпусом горелки и деталью сварка должна быть прекращена до устранения неполадок

o газовые и водяные коммуникации должны быть герметичными и не иметь утечек газа или воды

Основными мерами защиты от пожара являются: наличие исправной электропроводки, сварочных проводов и других источников, отсутствие при работе на участке легковоспламеняющихся веществ, соблюдение всех требований противопожарных правил всеми работающими на участке.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Куркин С.А. , Николаев Г.А. Сварные конструкции – М: Высшая школа, 1991

2. Рыжков Н.И. Производство сварных конструкций в тяжёлом машиностроении – М: 1980

3. Думов С.И. Технология электрической сварки плавлением – Л: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987

4. Сварка в машиностроении. Справочник под ред. В.А. Винокурова – М, 1978

5. Гитлевич А.Д., Этингоф Л.А. Механизация и автоматизация сварочного производства – М: Машиностроение, 1979

6. Маслов Б.Г., Выборнов А.П. Производство сварных конструкций – М: Академия, 2008

ПРИЛОЖЕНИЕ

Исходные параметры для вычислений

Чтобы при расчете погрешность исключить или хотя бы свести к минимуму, нужно определиться с параметрами, которые окажут влияние на прочность стыка. Процесс сжатия и растяжения металла рассчитывается при помощи формулы

где:

• Yс – коэффициент, отражающий условия, которые преобладают на рабочем месте. Данный показатель общепринят и отражен в справочных таблицах. Достаточно найти нужный показатель и подставить его в формулу;
• Rу – индекс, обозначающий сопротивление металла с учетом предела его текучести. Отражен в справочных материалах сварщика;
• Ru – еще один показатель сопротивления металла, который несложно найти в таблицах;
• N – максимально допустимая нагрузка на сварочный шов;
• T – наименьшая толщина стенок свариваемых заготовок;
• Максимальная длина сварного стыка. При вычислениях данный параметр следует уменьшить на 2t;
• Rwу – сопротивление, зависящее от предела прочности соединения.

Когда сваривать приходится разные металлы, то значения Ru и Ry берутся того материала, прочность которого меньше. точно так же поступают и в случаях, когда выполняются расчеты сварочного шва на срез.

Проектирование металлоконструкций осуществляется с учетом требований по безопасности сварного соединения, его способности выдерживать определенный уровень нагрузок стабильности соединенных с их помощью элементов. В случаях, когда для создания металлоконструкции необходимо наложить несколько сварных соединений, то важно грамотно их расположить. Важно, чтобы нагрузка при сварке была распределена равномерно между всеми стыками.

Определить параметры можно путем математических вычислений. В случае, когда полученный результат будет неудовлетворительным, то в конструктив следует внести изменения и рассчитать снова.

Расчет изделий с угловым стыком

Определение допустимой длины сварного соединения на отрыв выполняется с учетом силы, направленной к центру тяжести. При подсчетах такого рода выбирается сечение с высокой степенью опасности. Показатели рассчитываются по формуле:

Каждый из показателей формулы влияет на прочностные характеристики шва, вне зависимости от вида свариваемых металлов. Условные обозначения:

• N – максимальное значение силы, которая оказывает давление на стык;
• ßf, ßz – коэффициенты, которые берутся в справочных таблицах и не зависят от типа свариваемых металлов. В большинстве своем ßz = 1, а ßf = 0,7;
• Rwf – показатель, отражающий сопротивление срезу. Определен справочными материалами. Проще всего найти в таблицах ГОСТа;
• Rwz – сопротивление по линии стыка. Значения берутся из справочной таблицы;
• Ywf – коэффициент, зависящий от сопротивления материала. К примеру, если для металла этот показатель составляет 4200 кгс/см², то поправочный коэффициент составит 0,85;
• С – еще один коэффициент, обозначающий условия рабочей среды. Как и большинство значений, определяется по справочным таблицам;
• Kf – толщина сварного шва по линии сплавления;
• Lw – общая длина стыка, уменьшенная на 10 мм.

Практический и теоретический расчеты

Рассчитать расход можно двумя способами:

• теоретическим;
• практическим.

В первом случае, используют нормативные данные с той или иной степенью приближения. Самым простым вариантом будет воспользоваться ведомственными нормами расхода зависящих от вида конструкции (табл. 1). Расчет приводится к тонне готовых изделий.

Метод используют его с практическими целями, для приблизительного расчета расходных материалов для изготовления той или иной конструкции.

Более точные данные дают строительные нормы ВСН 416-81. Нормы представляют сборник эмпирических данных, сведенных в таблицы. Они составлены для большинства применяемых видов стыка трубы, формы шва, вида расходных материалов.

Не менее точный результат дает расчет с использованием формул, куда вводят различные поправочные коэффициенты.

Суть практического метода — полевые замеры реальной работы. Сюда входит качество расходников, тип и возможности сварочного оборудования, квалификация работников и т.д. Метод требует не одного часа затрат труда и материалов. При этом результаты его подходят деталям, близко соответствующим образцам.

Расчет стыков, выполненных внахлест

При вычислениях важно учесть пространственное положение и тип сварного соединения. Ведь при сваривании внахлест стыки могут быть и угловыми, и фланговыми, и лобовыми. Расчеты дают возможность получить данные по минимально допустимой площади сечения и проектной прочности линии соприкосновения. При вычислении площади сварного соединения за основу принимается наименьшая высота условного треугольного стыка. Для ручной сварки при условии, что катеты равны, данный коэффициент будет составлять 0,7.

Если сварочные работы выполняются автоматическими или полуавтоматическими аппаратами, то глубина прогрева материала будет большей. Поэтому показатели следует брать в справочных таблицах.

Длина сварочного шва в зависимости от массы металла

Длина сварного соединения определяется по формуле, определяющей соотношение массы наплава на один метр стыка: L = G/F × Y, где

• L – длина самого шва;
• G – вес наплава;
• F – площадь сечения;
• Y – удельный вес присадочного материала.

В результате вычислений будет получен коэффициент, который следует умножить на длину катета сварного шва.

Чтобы вычисления выполнять правильно, следует попрактиковаться. Важно понимать, что точный результат не дает возможности получить ни одна формула. Поэтому приобретать расходные материалы желательно с небольшим запасом. Это примерно 5-7% от общего количества. Правда, иногда получается и сэкономить присадку. Но такое случается нечасто и к тому же при условии, что у сварщика за плечами большой опыт выполнения аналогичной работы.

Порядок расчета сварных стыков

Чтобы вычислить нагрузку, которую сможет выдержать сварное соединение, следует внимательно отобрать исходные данные. Предотвратить или хотя бы минимизировать вероятность ошибки при вычислениях можно при условии соблюдения алгоритма работы:

1. Максимально точно определить размеры, форму и пространственное расположение сварного соединения.
2. Опасное сечение необходимо повернуть в сторону контактируемой со сварным стыком площади. Этот прием актуален в случаях, когда плоскость стыка на исследуемой конструкции не соответствует проектному сечению. После поворота образуется новое расчетное сечение с более благоприятными параметрами.
3. После этого вычисляется новый центр масс, который образовался в результате поворота сечения.
4. Следующим шагом станет перемещение внешней нагрузки в предопределенный центр масс.
5. Настало время определить расчетное значение нагрузок, которые воздействуют на сечение. А именно – крутящего и изгибающего момента, усилий поперечной и продольной направленности.

1. После того, как найден модуль напряжения, следует определить точку, на которую воздействуют самые высокие нагрузки. Именно в такой точке все внешние силы работают одновременно, что дает возможность определить их суммарное значение. Это тот максимум, который будет воздействовать на сечение.
2. Определяется максимально допустимое усилие, которое может воздействовать на шов без каких-либо последствий: деформации, разрушения и т.п.
3. На завершающем этапе сравниваются показатели допустимого и максимального фактического значений. В результате определяется расчетное сопротивление сварочного шва и его оптимальные размеры, которые необходимы для сопротивляемости нагрузкам.

Только так можно рассчитывать на полноценную и безопасную эксплуатацию будущей металлоконструкции. Для контроля можно выполнить проверочные расчеты. Желательно, чтобы ими занялся другой специалист, что повышает объективность полученного результата.

Прочность сварного шва будет достоверной и соответствующей расчетам только в том случае, если соблюдаются технология формирования соединений. Тем не менее стыки рассчитывать следует в любом случае. Только точно установленные параметры и векторы нагрузок обеспечивают прочное и надежное сварное соединение.

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.

Влияние скорости и режима сварки

Существует зависимость конфигурации поперечного сечения шва от параметров процесса:

1. С увеличением силы тока при неизменном напряжении возрастает температура, поэтому глубина провара становится большей. Но при избыточном ампераже возможно прожигание металла.
2. Рост напряжения при постоянной силе тока приводит к увеличению катета. При избытке возможен непровар.
3. При увеличении скорости движения электрода снижается температура нагрева металла. Уменьшаются ширина шва и глубина провара. При скорости свыше 50 м/ч недостаток температуры приводит к образованию дефектов, делающих шов непрочным.
4. Вязкость материала электрода влияет на форму усиления. Чем она выше, тем более выпуклой становится наплавка.

Рекомендуем к прочтению Какими бывают дефекты сварных швов

Режим сварки подбирают по заготовке с наименьшей толщиной, чтобы не прожечь ее.

Калькуляторы сварочных швов

Необходимые расчеты можно выполнить, не имея на то каких-либо навыков. Для этого существуют специализированные калькуляторы, позволяющие вычислить параметры стыковых, точечных или угловых соединений; рассчитать оптимальную длину сварного шва. С помощью такого калькулятора несложно проверить все существующие сегодня стыки с разными силовыми нагрузками и направленностью прилагаемых усилий.

Математические расчеты помогут выбрать оптимальный для конкретной конструкции тип и размер сварного шва, точно определиться с металлом и расходными материалами. При помощи расчетов можно безошибочно определить геометрию сварного соединения и проверить степень его прочности.

Не рекомендуется для точечных соединений, электрозаклепок и стыков с разделкой кромок использовать значения усталостной нагрузки. Расчет для таких видов швов не поддерживается и полученные результаты будут весьма приблизительными. Еще следует иметь ввиду, что при вычислениях не принимаются во внимание изменения характеристик металлических заготовок, которые имеют место в результате изменения температуры и возникновения остаточных напряжений.

Общая информация

Катет сварочного шва — это катет треугольника, который мы можем вписать в продольное сечение. Вписать, конечно, условно. Но зачем вообще производить расчет катета углового сварного шва (или любого другого типа соединения, будь то прямой, стыковой или внахлест)? Конечно, вы можете приобрести для этого специальную механическую линейку, но мы рекомендуем научиться производить расчеты самостоятельно. Это улучшит ваши профессиональные навыки.

С помощью расчетов вы сможете буквально измерить прочностные характеристика вашего шва. Вы не можете просто сделать катет шва при сварке большего размера, чтобы решить проблему слабого соединения (хотя на первый взгляд вам даже может показаться, что шов и так достаточно прочный). Многие новички считают, что можно просто увеличить наплавку и проблем не будет, но это большая ошибка. Чем больше вы наплавляете металл, тем больше нагревается деталь, а перегрев может стать причиной деформации металла.

Также расчет необходим с финансовой точки зрения. Вы сможете до копейки рассчитать себестоимость работ и вам не придется увеличивать количество комплектующих, электричества и сил, чтобы сделать слишком толстый или широкий шов. Еще расчеты полезны в случаях, когда есть серьезные различия по толщине свариваемых деталей. Например, вы свариваете деталь из тонкого металла с деталью из толстого металла. В таких случаях нужно проводить расчет детали из тонкого металла.

Произведя расчеты вы просто не сможете сделать шов слишком узким. А это особенно важно, если вам нужно сварить важную металлоконструкцию, к которой предъявляются повышенные требования. Особенно, если нужно сделать много угловых швов, которые больше остальных подвержены деформации. С виду ваши соединения могут казаться вполне прочными, а по факту ответственная конструкция может просто не выдержать механическую нагрузку при эксплуатации. Словом, расчет катета — это действительно важно. Ну а как произвести расчет мы расскажем далее.