Справочник Бухгалтера

В производстве металлоконструкций и автомобилей с большим весом сварные соединения должны выдерживать высокие нагрузки. Спай будет качественным только в том случае, если перед началом работ точно рассчитаны все параметры. Один из важных показателей – катет шва (К). Это одна из сторон самого большого условного треугольника с равными боками, который возможно вписать в поперечное сечение соединения (ГОСТ Р ИСО 17659-2009, вступивший в силу 01.07.2010 г). Ее можно измерить или рассчитать, базируясь на размеры свариваемых элементов.

Расчет катета по толщине металла

Выбирая длину стороны треугольника, учитывается размеры заготовок, положение и вид спая. Подбор осуществляется для каждого элемента, но учитываются общие принципы. В домашнем хозяйстве можно использовать шаблон для измерения.

Чтобы соединение было достаточно прочным, обе одинаковые стороны треугольника должны иметь одинаковую длину (если элементы расположены под углом 90о).

Соединения могут быть:

• стыковые (без скоса кромок, с односторонним, с V-образным, X-образным, криволинейным скосом);
• торцевые;
• внахлест;
• угловые (угол от 30о, односторонние, двусторонние без скоса кромок, с одним или двумя скосами);
• тавровые (угол острый или прямой, односторонние, двусторонние, без скоса кромок, с одним или двумя скосами).

Расчет длины катета сварного шва в зависимости от толщины металла возможен для трех видов швов: угловых, тавровых, внахлест.

Расчет длины катета шва, исходя из толщины металла, требуется на промышленном производстве, так как от этого показателя зависит прочность спая, расход сварочной проволоки, ее диаметра (чем длиннее сторона треугольника, тем толще проволока).

Важно! Если сторона треугольника слишком длинная, увеличивается объем жидкого металла (из-за большой площади нагрева) и расход присадки, готовое изделие может деформироваться.

Катет важен так же, если свариваются элементы различных размеров (расчеты производятся, базируясь на меньший показатель).

Формула расчета

Объем наплавленного материала равен квадрату катета. Например, если К увеличивается на 1 мм при длине спая 10 мм, расход проволоки увеличивается на 20%.

Для соединения внахлест материалов с толщиной до 4-х мм К=4. Если показатель больше, нужно взять 40% толщины и приплюсовать 2 мм.

Угловые сварные соединения бывают:

• нормальные (без выпуклости и вогнутости) — К равен толщине металла;
• вогнутые — К=0,85;
• выпуклые — К= s×cos45°, где s – ширина спая, cos45°=0,7071;
• специальные (треугольник не равнобедренный).

При расчете длины катета сварного шва в зависимости от толщины металла формулы недостаточно — важен способ сварки и текучесть свариваемого металла.

Полученный результат необходимо сверить с требованиями ГОСТ 11534-75 и ГОСТ 5264-80 или справочными материалами.

При проведении сварочных работ в домашнем хозяйстве достаточно установить сторону треугольника, превышающую толщину на 1-1,5 мм, или определить показатель по таблице. Существуют правила, которые необходимо соблюдать всегда. К должен быть меньше, чем толщина самого тонкого элемента, умноженная на 1,2. Протяженность спая должна быть меньше, чем К*4.

Расчет катета для шва 1м

На практике все расчеты достаточно условные, так как базируются на предпосылках:

• нагрузка распределяется равномерно по всей длине наплавленной присадки;
• разрушение возможно только по слою присадки, равному 0,7 К.

Цель проектировочных расчетов – определить оптимальный размер спая для определенного показателя растяжения и осевого напряжения.

Оптимальная протяженность наплавленной присадки по нагрузке на растяжение определяется по формуле:

L= F/ρ*, где

L – протяженность спая;

F – планируемая реальная нагрузка на соединение;

ρ – допустимая нагрузка на соединение.

Оптимальная протяженность по осевому напряжению:

L=F/0,7К*ρ

Из этой формулы можно вывести формулу для расчета К при протяженности наплавленной присадки 1 м:

К= 0,7*L*ρ

К=0,7*ρ

Это значит, что К полностью зависит от величины допустимой нагрузки.

Допустимые нагрузки на сжатие, растяжение и срез для различных методов сварки определены в специальных таблицах.

При разработке проектной документации:

• выбирается метод сварки, вид сварки, марка электрода (проволоки);
• определяют нормативную допустимую нагрузку;
• рассчитывают длину спая на растяжение и осевое напряжение;
• создают чертеж соединения;
• уточняют технические характеристики и размеры свариваемых элементов.

При разработке проектной документации сварки определение точной величины катета шва от толщины металла и оптимальной длины спая проводится с целью повысить качество работ и минимизировать их себестоимость. Важно получить прочные и надежные соединения при минимальных затратах. Особенно важен этот показатель на больших промышленных предприятиях, изготавливающих металлоконструкции, которые должны выдерживать во время эксплуатации повышенные нагрузки.

Рис 3 — срез и изгиб углового шва

Тавровое сварное соединение рассматриваем как угловой шов.

При действии на угловые швы изгиба и среза, смотри рисунок 3, суммарные напряжения проверяют по формуле (Мандриков А.П.):

Gf= (τwf ^2 + Gwf ^2)^0,5 ≤ Rwf *Ywf*Yc — по металлу шва

Gz = (τwz ^2 + Gwz ^2)^0,5 ≤ Rwz *Ywz*Yc — по металлу границы сплавления

где τwf = N / (Bf*Rf) * ∑Lw;

τwz = N / (Bz*Rf) * ∑Lw;

Gwf = M / Ww = 3*N*L / (Bf*Rf) * Lw^2;

Gwz = M / Ww = 3*N*L / (Bz*Rf) * Lw^2

Катет шва Rf должен быть не менее 4мм. и не более 1,2 меньшей из толщин свариваемых элементов. Расчетная длина шва — не менее 4*Rf, но не менее 40мм.

Рассмотрим пример, согласно рисунка 3, относ составляет Lотнос = 150мм.

Нагрузка N = 500 кг. = 5000 Н.

Длина шва Lшва = Lодного шва — 2*t (толщина наименьшей из свариваемых деталей) =

= 100 — 2*6 = 88мм. Суммарная длина шва = 88 * 2 (количество швов) = 176 мм.

τwf = N / (Bf*Rf) * ∑Lw = 5000 Н / (0,7*6 мм) * 176 мм. = 6,76 Н/мм2;

τwz = N / (Bz*Rf) * ∑Lw = 5000 Н / (1,0*6 мм.) * 176 мм. = 4,73 Н/мм2;

Gwf = M / Ww = 3*N*L / (Bf*Rf) * Lw^2 = 3 * 5000 Н * 150 мм. / (0,7 * 6) * 176мм.^2 =

2250000 Н*мм. / 130099,2 мм3 = 17,29 Н*мм2;

Gwz = M / Ww = 3*N*L / (Bz*Rf) * Lw^2 = 3 * 5000 Н * 150 мм. / (1,0 * 6) * 176мм.^2 =

2250000 Н*мм. / 185856 мм3 = 12,11 Н*мм2;

Gf = (τwf ^2 + Gwf ^2)^0,5 = (6,76^2 + 17,29^2)^0,5 = 18,56 Н/мм2 < 198,44 Н/мм2, условие выполняется — по металлу шва

Rwf *Ywf*Yc = 180,4 * 1,0 * 1,1 = 198,44 Н/мм2

Rwz *Ywz*Yc = 162 * 1,0 * 1,1 = 178,2 Н/мм2

Rwz = 0,45 * Run = 0,45 * 360 = 162 Н/мм2

Ywf и Ywz — коэффициенты работы шва, равный 1,0

Gz = (τwz ^2 + Gwz ^2)^0,5 = (4,73^2 + 12,11^2)^0,5 = 13 Н/мм2 < 178,2 Н/мм2, условие выполняется — по металлу границы сплавления.

Согласно СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции» пункт 14.1.17 расчет сварных соединений с угловыми швами при действии момента М в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, следует выполнять на срез (условный) по одному из двух сечений:

по металлу шва М / (Wf*Rwf*Yc) = 750000 / 43366,4*180,4*1,1 = 0,0871 ≤ 1;

по металлу сплавления шва М / (Wz*Rwz*Yc) = 750000 / 61952*180,4*1,1 = 0,0610 ≤ 1;

Wf и Wz — моменты сопротивления расчетных сечений сварного соединения по металлу шва и по металлу границы сплавления соотвественно.

Wf = 2 * (Bf*Kf*Lw^2) / 6 = Bf*Kf*Lw^2 / 3 = 0,7*6мм.*176мм.^2 / 3 = 43366,4 мм3

Wz = 2 * (Bz*Kf*Lw^2) / 6 = Bz*Kf*Lw^2 / 3 = 1,0*6мм.*176мм.^2 / 3 = 61952 мм3

M = N * Lотнос = 5000 Н * 150мм. = 750000 Н*мм.

Определим максимальную нагрузку на 40мм. двухсторонний (по 20мм. на сторону), угловой сварной шов, катет шва 6мм. — 290кг.

Расчет прочности швов соединений, нагружаемых осевыми силами

Условные обозначения:

Р—нагрузка соединения;

L — общая длина рассчитываемого шва;

δ— толщина соединяемых деталей;

k — катет углового шва;

d, i — диаметр пробок и их количество в пробочном соединении;

а — ширина шва при роликовой сварке.

Сварной шов при соединении встык (рис. 1) работает на растяжение и сжатие, причем все виды подготовок кромок принимаются эквивалентными.

рис.1 Стыковые швы; а — прямой; б — косой

Условие прочности шва (формула 1)

рис. 2 Соединения внахлестку валиковыми швами: а — лобовыми; б — фланговыми; г — сечение углового (валикового) шва

Угловые швы (рис. 2) рассчитывают на срез по сечению, проходящему через биссектрису прямого угла; расчетная высота шва h = k cos 45° ~ 0,7k

рис. 3

При несимметричном расположении швов относительно линии действия силы Р (рис. 3) усилия, возникающие в них, находятся из уравнений статики:

Сварные швы при соединении втавр рассчитываются различно в зависимости от типа швов (рис. 4)

По рис. 4, тип а

по рис. 4, типы б, в

рис. 5

Пробочные соединения (рис. 5, а) рассчитывают на срез по формуле

При соединении деталей точечной сваркой сварной шов работает на срез, тогда

или на отрыв, тогда

Шов, получаемый роликовой сваркой, рассчитывается на срез:

Расчет прочности швов, нагруженных перпендикулярно стыку свариваемых деталей

рис. 6 Соединение нагружено силой и моментом (швы стыковые)

Расчет прочности шва соединения, нагруженного силами и моментом (рис. 6), ведется по нормальным напряжениям (влиянием поперечной силы, как и при расчете балок на изгиб, пренебрегают):

Здесь We = δh2/6 — момент сопротивления сварного шва; Fe = δh — площадь сечения шва

рис. 7 Соединение нагружено силой и моментом (швы угловые)

В случае выполнения соединения угловыми швами (рис. 7) расчет ведут по условной методике, геометрически суммируя
напряжения от изгиба и растяжения с напряжениями, соответствующими поперечной силе:

Величина τQ учитывается лишь в случаях, когда поперечная сила сравнительно велика, а плечо внешнего момента небольшое; в формуле учтены

Wc = 2×0,7kh2/6 — момент сопротивления биссекторного сечения швов; Fc = 2×0,7kh — площадь сечения швов

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; rmax — расстояние от центра тяжести швов до наиболее удаленной точки шва; Ipc — полярный момент инерции швов

Ipc = Iус + Izc, где Iус и Izc — осевые моменты инерции швов относительно осей y и z

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

где, Fe = 0,7 kL — общая площадь швов

При учете влияния поперечной силы соответствующее напряжение вычисляется лишь для вертикального шва, т. е.

где Fвс = 0,7 kh

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

Pmin и Pmax — наименьшее и наибольшее по абсолютной величине усилия, которые следует подставлять в формулы со своими знаками

Допускаемые напряжения при расчете сварных швов

* р — допускаемое напряжение для основного металла на растяжение

Это пособие предназначено в качестве учебника для студентов, обучающихся в университетах и институтах по специальностям, связанным со сварочным производством. Особая ценность его в том, что здесь даны примеры расчетов сварных швов на механические воздействия. Это, например, расчет прочности, выносливости, сопряжений элементов конструкций.

В книге обучается построению эпюр внутренних сил, даны методы расчетов и производится проверка знаний после каждого вида расчетов методом самостоятельного решения задач. Этот метод хорошо себя зарекомендовал во всех учебниках такого типа.

Расчет сварных стоек и колон, сварных ферм, а также сварных балок имеет как теоретическую часть, так и практическую, выполненную в виде примеров расчетов. Эти элементы конструкций имеют большое значение для расчета общей нагрузки и действительно большое значение для специалиста иметь умение производить расчеты по сопротивлению материалов.

Здесь также даются знания по нахождению опасных загружений , расчеты деформаций и возникающих напряжениях, которые получаются при сварке металлоконструкций и методы их уменьшения. Интересны и расчеты, которые используют для сварки деталей, применяемых в различных механизмах и в конструкциях, которые изготавливаются из листового металла.

Внимание покупателей подшипников

Уважаемые покупатели, отправляйте ваши вопросы и заявки по приобретению подшипников и комплектующих на почту или звоните сейчас: +7(499)403 39 91 zakaz@themechanic.ru Доставка подшипников по РФ и зарубежью. Каталог подшипников на сайте themechanic.ru

Внимание покупателей подшипников

Уважаемые покупатели, отправляйте ваши вопросы и заявки по приобретению подшипников и комплектующих на почту или звоните сейчас:
tel:+7 (495) 646 00 12

Доставка подшипников по РФ и зарубежью.
Каталог подшипников на сайте

Уважаемые покупатели, отправляйте ваши вопросы и заявки по приобретению подшипников и комплектующих на почту или звоните сейчас:
tel:+7 (495) 646 00 12

Доставка подшипников по РФ и зарубежью.
Каталог подшипников на сайте

Расчет прочности сварных соединений с учетом концентраторов напряжений взаимосвязан также с большими трудностями, дополнительно осложняемыми неоднородностью свойств. Твердые и мягкие прослойки в сварном соединении при большой стадии различия их свойств также могут рассматриваться как концентраторы. В последние годы интенсивно разрабатываются методы расчета работоспособности сварных соединений с прослойками.

При расчете прочности сварных соединений допускаемое напряжение на металл шва принимается равным допускаемому напряжению на основной металл. При расчете прочности сварных соединений надлежит помнить, что определяются только рабочие напряжения. Связующие напряжения, значительные по величине, равны напряжению в основном металле. При расчете прочности сварных соединений надлежит помнить, что расчет касается исключительно определения рабочих напряжений. Связующие напряжения, значительные по величине, равны напряжению в основном металле. При расчете прочности сварных соединений строительных конструкций разрешенных напряжения и соответственно расчетные сопротивления задаются определенной величиной в отличие от расчета машиностроительных конструкций, где они принимаются в процентном отношении к соответствующим характеристикам основного металла. При расчете внутренние (собственные) напряжения в швах не учитываются в отличие от рабочих напряжений. Для уточнения применяющегося расчета прочности сварных соединений и более полной оценки их работоспособности, могут быть применены также результаты испытания сварных соединений ударной и вибрационной нагрузками. IV формулы для расчета прочности сварных соединений, которыми конструкторы применяются в повседневной работе, являются условными. В действительности распределение усилий в сварных соединениях значительно сложнее. Международный институт сварки советует некоторые методы расчета прочности сварных соединений и конструкций.

Расчеты составлены на основе экспериментов, проведенных главным образом голландскими учеными по изучению механических свойств швов под действием нормальных и касательных напряжений. Построены диаграммы, характеризующие прочностные свойства при нормальных сжимающих, срезывающих и нормальных растягивающих напряжениях. Особое внимание при этом уделено расчету угловых швов. В работе разработана методика расчета прочности сварных соединений со смещением кромок в условиях вязкого, квазихрупкого и хрупкого разрушения.

Расчетные методы подтверждены экспериментально на модельных и натурных сварных соединениях.

Принятые в практике методы расчета прочности сварных соединений приближенны. Они вносят возможность получить решение с меньшей затратой времени, однако нуждаются в дополнительной корректировке, основанной на опыте, накопленном в процессе изготовления, эксплуатации и экспериментальной отработки конструкций.

Формулы для расчета прочности сварных соединений, которыми конструкторы пользуются в повседневной работе, являются условными. В действительности распределение усилий в сварных соединениях значительно сложнее .

С 1979 года в США при расчетах прочности сварных соединений автодорожных мостов под усталостными нагрузками (AREA), ж/д мостов (AASHTO), а также всех прочих конструкций действуют нормы Structural Weliliu Code Американского общества сварщиков. Согласно этому коду для всех сталей с пределом текучести до 690 МПа при циклических нагружениях допускаемые напряжения в сварных конструкциях назначаются в зависимости от вида соединений и ожидаемого числа нагружений. Подобно тому, как это предусмотрено в СНиП-72 , все соединения разделены на группы А, В, С, D, Е, где А – основной металл; В – швы в соединениях встык, а также стыковые швы, приваривающие планки к поясам (при радиусе сопряжения г 60 мм); С – то же при радиусе 15-60 мм; D – то же при радиусе г 15 мм; Е – сварные угловые швы.

Существующие методы расчета на прочность не учитывают фактора механической неоднородности. Между тем, в большинстве случаев разрушения сварных соединений аппаратов происходят в области твердых, охрупченных участков зоны термического влияния. Следует также помнить, что локальный сварочный нагрев приводит к возникновению остаточных напряжений, способствующих повышению уровня напряженности металла.

Основной причиной, тормозившей развитие электросварочного дела, было недоверие к прочности сварных соединений и сомнение в возможности получения с должной гарантией сварных стыков, не уступающих по своей прочности клепаным. Эта неуверенность в прочности сварных швов была главным возражением против решительной и смелой замены заклепок сваркой. Этому способствовало также отсутствие установленных и принятых практикой методов расчета и норм, недостаточная четкость установления влияния различных факторов, сопровождающих процесс сварки, на качество швов и т. д.  Прочность при соединении укрепляющих элементов к барабану или камере должна быть проверена расчетом. Сварной шов рассчитывается на срез при допускаемом напряжении, равном 70% от допускаемого напряжения при растяжении. При присоединении укрепляющих деталей автоматической сваркой под слоем флюса или другим методом, обеспечивающим глубокое проплавление листа, расчетная высота шва принимается равной его катету.

Приведенный выше инженерный метод расчета малоцикловой прочности в номинальных напряжениях требует достаточно сложных экспериментальных исследований на натурных узлах и соединениях конструкций в зависимости от целого ряда факторов вида и способа нагружения, характеристик цикла, температуры, технологии изготовления и т.п. В связи с этим упомянутый выше расчет по местным деформациям является более универсальным, так как он основан на результатах испытаний лабораторных образцов, используемых для оценки прочности конструкций в зонах концентрации напряжений. Употребление деформационных подходов к расчету сварных конструкций обозначается наличием данных по теоретическим коэффициентам концентрации напряжений в сварных швах, циклическим свойствам материала различных зон сварного соединения и по уровню остаточных сварных напряжений. В приведены предложения по определению коэффициентов концентрации напряжений и деформаций в стыковых и угловых швах листовых конструкций. Для стержневых конструкций, выполняемых из фасонного проката, необходимы дополнительные разработки напряжений и деформаций в зонах их концентрации.

Таким образом, имеется два метода расчета на прочность сварных соединений по допускаемым напряжениям и по предельному состоянию.

Список литературы:

1. Справочник сварщика / под ред. В.В. Степанова /М.: Машиностроение. – 1982. – 560 с.
2. Производственные здания промышленных предприятий. Нормы проектирования. Строительные нормы и правила / М: Стройиздат. – 1982. – 15 с.
3. Расчет сварных соединений на прочность / Режим доступа: type=»book» name=»РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ» description=»В настоящее время методы расчета сварных соединений на прочность носят условный характер, так как не учитывают концентрации местных напряжений, а в расчет принимаются так называемые номинальные напряжения. Проектирование сварных конструкций осуществляется на основании расчетов, которые сводятся в основном к определению напряжений в различных элементах свариваемых конструкций. » author=»Замалиева Ильвина Радифовна, Каратаев Оскар Робиндарович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-25″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_31.10.15_10(19)» ebook=»yes» ]