Как производится расчет сварного шва, основные формулы

Как производится расчет сварного шва, основные формулы

Сварное соединение образуется в результате проведения технологической операции, в результате которой образуются межатомные связи между расплавленным металлом деталей. Необходимым условием плавления служит нагрев детали или ее пластическая деформация. Сварной шов получается достаточно прочным, если все работы были выполнены согласно разработанной технологии, а также были проведены верные расчеты соединений. Перед тем, как познакомиться с конкретными примерами расчета сварного шва, определимся, что подразумевается под этим понятием.

В тривиальной классификации швы делятся на рабочие и связующие. Внешние механические нагрузки приходятся именно на рабочие швы. Разрушение этого соединения ведет к полному разрушению конструкции. Связующие швы обеспечивают одновременную стыковку составляющих конструкции. Они испытывают нагрузки при деформации основного металла. Эти нагрузки существенно ниже тех, что приходятся на рабочие швы. Разрушение связующего шва не повлияет на целостность всего соединения, поэтому на прочность рассчитывают именно рабочие швы.

Сами соединения также классифицируются, в зависимости от метода стыковки деталей. Различают стыковые, нахлесточные, угловые, тавровые и торцевые соединения. Если сварка и является самым надежным способом соединения деталей, то некоторых недостатков она не лишена. К достоинствам можно отнести равномерное распределение прочности, экономию материала, эстетичный внешний вид. Но стесненном пространстве выполнять сварку практически невозможно. К тому же не каждый металл обладает хорошей свариваемостью. При воздействии механических нагрузок напряжения концентрируются именно на зоне сварного шва.

Разделка кромок стыковых сварных соединений

При двусторонней сварке (X- и К- образные швы) меньше объем шва, а следовательно, и ниже расход наплавленного металла. Этот фактор, а также симметричность расположения шва благоприятно отражаются на усадочных деформациях. Недостаток двусторонней сварки — трудность контроля за качеством провара средней части (корня шва) повышенная сложность изготовления, так как необхо­димо вести сварку с двух сторон, для чего изделие приходится кан­товать. В начале и конце шва наплавленный металл получается низкого качества. Для устранения этого недостатка следует начинать и заканчивать сварку на специальных подкладках — выводных планках, временно удлиняющих швы (рисунок ниже). По окончании сварки эти планки вместе с начальными и конечными участками шва сре­зают, а торцы швов и прилегающие участки зачищают.

В случае соединения стыковым швом листов разной толщины переходцть от большей толщины к меньшей можно за счет соответствующего оформления наружной поверхности шва (рисунок ниже) только при условии, если разница в толщинах не более 4 мм, а величина уступа в месте стыка не превышает 1/8 толщины более тонкого листа.

Формулы расчета различных сварных соединений

В силу того, что существует много разновидностей сцепления металла, для каждого из них индивидуально производится расчет сварных соединений. По расположению свариваемых деталей различают следующие типы:

  • стыковые, в которых детали соединяются торцами по отношению друг к другу. То есть, в результате одна часть становится продолжением второй. Такое сцепление считается самым рациональным и при подаче усилий имеет наименьшую концентрацию напряжения. Они выполняются двумя способами – с прямым и с косым швом;
  • угловые – это те, при которых детали во время варения располагаются под углом, то есть перпендикулярно друг к другу;
  • нахлесточные соединения характеризуются положением деталей, при котором один элемент немного находит на второй. Такая технология часто применяется для сваривания деталей из металла, толщиной не более 5 миллиметров. Нахлест делается с целью укрепления будущего шва;
  • тавровые скрепления немного похожи на угловые. Здесь тоже детали располагаются перпендикулярно, но при этом скрепляются именно торцами.

Каждое из них разделяется еще на несколько подвидов, в зависимости от которых и производится расчет сварных соединений. Все эти виды варятся угловыми (валиковыми) швами.

Для расчета сварных соединений применяются общепринятые формулы. В свободном доступе существует программа, позволяющая рассчитать любые виды стыков. Для этого достаточно ввести все необходимые параметры.

Основные параметры для расчета

Для совершения расчета сварного шва необходимо знать некоторые параметры, от которых будет зависеть показатель прочности полученного скрепления элементов.

Процесс растяжения и сжатия вычисляется по этой формуле:

Рассмотрим все показатели:

  • Ус – это условия работы. Данный параметр является общепринятым и указывается в таблицах стандартных показателей для вычислений углового шва;
  • Ru – это сопротивление, которое характеризуется качеством металла. Оно указано в специальных таблицах;
  • Ry – сопротивление материала, согласно пределу текучести, определяется по таблицам;
  • Rwy – сопротивление, определяющееся в соответствии с существующим пределом прочности, взамен «Rwy» разрешается применять «Rwu/γu»;
  • N – это показатель максимальной нагрузки, которую может выдержать шов, и расчет напрямую от него зависит.
  • t – толщина материала, из которого изготовлена свариваемая деталь;
  • lw – максимальная продолжительность всего шва, ее уменьшают на значение 2t;

При варении деталей и конструкций из разного материала, Ry и Ru при сварке разных металлов определяется по металлу с наименьшей прочностью. Расчет сварного шва на срез определяется по заготовкам и ориентировка должна быть на материал с меньшей прочностью.

Расчетное сопротивление сварного элемента зависит от растяжения в сварочном шве. Из-за этого в самой дорожке всегда есть небольшой уклон, который позволяет качественно сцепить две детали разного металла.

Расчет для конструкции с угловыми швами

Для конструкции, в которой предусмотрены угловые швы, вычисление сварного шва на отрыв проводится немного по другой формуле, так как следует учесть силу, которая направлена к центру тяжести. При подсчете, следует выбирать сечение с высокой опасностью. Расчет сварного шва на срез производится по общепринятой стандартной формуле:

Каждое из представленных значений и параметров играет важную роль в качестве будущего скрепления, вне зависимости от типа металлов:

N – самая высокая нагрузка, оказывающая максимально давление на соединение;
Βf, совместно с βz – коэффициенты, которые берутся из таблицы.

βf – 0,7;
βz – 1;
причем, по определению, марка стали значения не имеет.

Rwf – этот показатель указывает на сопротивление срезу. Он берется из ГОСТовских таблиц;

Rwz – сопротивление на линии сплавления, значение определяется по таблице;
с – коэффициент рабочих условий, определяется согласно табличным данным;
γwf – 0,85 для шва, материал которого имеет нормативное сопротивление равное 4200 кгс/см²;
γwz – 0,85 для любого вида стали;
γwf и γwz берется из специальных нормативных таблиц;

kf – толщина будущего шва, измеряемая по линии сплавления;
lw – общая длина, заниженная на 10 мм.

Соединение внахлест

Это определенная технология выполнения шва, при которой один элемент накладывается на другой. Вычисление производится в зависимости от положения и типа шва, так как внахлест бывают лобовые, угловые и фланговые швы.

Рассчитывая прочность дорожки при скреплении металлических элементов внахлест, используется минимальная S сечения, которая проходит сквозь меньшую высоту условного треугольника шва (без учета наплыва). Для ручной сварки при равных катетах шва эта высота равняется 0,7kf.

Необходимость расчета по сечению с меньшей расчетной площадью напрямую связана с использованием сварочных материалов и с прочностью, превышающей прочность основного материала соединяемых элементов.

Читайте также  Крепление мдф панелей

При полуавтоматическом и автоматическом виде сварки провар в самом углу (при угловом шве внахлест) получается намного глубже, чем при варении ручным дуговым методом. За высоту, берется условный показатель βf kf или βzkf , примеры которого можно увидеть в таблице.

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.

Расчет массы электродов от веса наплавленного металла

Это самый простой и распространенный способ расчетов.

Для расчета массы электродов от веса наплавленного металла используется формула:

П- масса присадки (кг);

L – протяженность спая;

G – плотность присадки;

E – соотношение тяжести наплавки к тяжести использованной проволоки.

Значение Е зависит от вида присадки:

  • 55% — покрытый электрод;
  • 95% — цельная проволока с металлическим флюсом;
  • 90% — флюсовая проволока;
  • 100% — сплошная проволока.

Расчет расхода электродов на основе расчета массы наплавленного металла существует и другая формула:

П – вес проволоки;

М – вес наплавки, который вычисляется по формуле:

М=площадь (А12), умноженная на плотность.

При разработке больших проектов может потребоваться расчет электродов на тонну металла.

Результат зависит от:

  • тяжести наплавки;
  • длины швов на конструкции;
  • нормы расхода.

Масса наплавки должна быть указана в технологической карте и варьирует в пределах 1-1,5% от массы обрабатываемой конструкции (для тонны это 10-15 кг). Длину швов можно измерить рулеткой. Норма – вес наплавки на одном метре.

Расчет проводится на основе коэффициента или физических характеристик. При использовании первого способа тонну нужно умножить на коэффициент конкретного присадочного материала. При использовании второго способа длина всех швов умножается на площадь поперечного сечения.

При покупке присадок необходимо учесть, что электроды бывают различной длины, массы и диаметра, расходуются не только при сварке, но и для прихватки и правки. Объем расхода во многом зависит и от толщины обрабатываемых металлических элементов (до 12 мм следует прибавить 12%, от 12 мм – 15%).

Качество сварочного шва и определение катета

При сборке металлоконструкции соединение деталей сваркой рассматривается как одна из наиболее надежных технологий. Надежность и прочность шва зависит от распределения усилий по металлу, а это в свою очередь определяется геометрическими параметра зоны соединения. Главная особенность технологии состоит в том, что место стыковки заливается металлом, а в процессе его остывания сварочная ванна приобретает единую структуру. Целостность и соединения в дальнейшем зависит от способности этой структуры противостоять нагрузкам.

Особенности стыкового и углового соединения заготовок

Основные параметры, по которым оценивается и рассчитывается соединение, учитывают его геометрические особенности. Для них существуют понятные определения. Они в свою очередь зависят от типа соединения — стыкового, углового, торцевого или нахлеста. При этом имеет большое значение подготовка кромок и торцов деталей. Учитывается ряд особенностей заготовок и самого шва.

Стык листов толщиной от 4 мм должен выполняться с подготовкой кромок и торцов таким образом, чтобы образовался треугольный криволинейный зазор для полного проваривания на всю глубину.

Листы толщиной 2 мм варят только нахлестом, избегая сквозного прожога металла.

Полноценный провар соединения достигается только при прогревании металла на всю глубину стыка. Именно для этого прибегают к скосу кромок деталей. При сваривании уголков большой толщины скос выполняется как для листов.

При угловом и тавровом сваривании деталей формируется характерный наплыв, ширина и форма которого определяет прочность и долговечность стыковки.

При стыковании деталей со скосом кромок, как и при угловом соединении, шов в разрезе имеет треугольную форму. В первом случае учитывается соотношение ширины, глубины и высоты шва. Во втором наплыв образует наклонную поверхность — расстояние от ее края до другой детали и есть катет сварного шва, параметры которого определяются ГОСТ 5264-80.

Как выбрать катет шва

От того, насколько грамотно будет выбран катет, зависит надежность готовой конструкции. Это обусловлено величиной площади соединения. Если катет выбран грамотно, то нагрузка на сварное соединение будет распределяться равномерно по всей площади соединения. Готовое изделие может выдерживать большие механические нагрузки, сильные удары и т.д.

Но не стоит воспринимать большой шов как безусловный показатель надежности. Слишком много – не всегда хорошо. Важно точно просчитать «золотую серединку». Большой наплав может вызвать перенапряжение металлической заготовки, что в свою очередь приведет к снижению ее прочностных характеристик или деформации. В любом из этих случаев использовать деталь в работе нецелесообразно: она или не подойдет, или быстро выйдет из строя.

Как рассчитать катет шва? Он выбирается в соответствии с материалами и поставленными задачами. Это во многом определяет результат работы. Чтобы безошибочно определиться с катетом сварного шва, необходимо четко понимать, какие свойства для него критичный в данной конкретной ситуации. Прежде всего, следует обратить внимание на форму. Она должна быть симметричной по всей длине, а состав – однородным. Для определения этих показателей вполне достаточно обыкновенного визуального контроля.

Хороший шов имеет одинаковую высоту по всей площади стыка. Одинаковой должна быть и ширина. Только при таких условиях механическая нагрузка будет распределяться равномерно, а соединение прослужит максимально долго.

Читайте также  Закон о посадке деревьев

Другим не менее важным показателем является однородность расплава. Как правило заготовки, которые отличаются по составу материалов, между собой свариваются довольно плохо. Чтобы получить хороший результат, нужно правильно подобрать электроды. Важно, чтобы контактирующие плоскости были правильно расположены между собой, а также иметь достаточно большую площадь соприкосновения.

Глубина провара – это еще один значимый критерий. Заготовки должны быть хорошо сварены по всей длине, иначе они не смогут эффективно противостоять нагрузкам. Чтобы придать соединению максимально возможную прочность, профессионалы рассчитывают все его параметры. Они зависят от вида свариваемых элементов. Для получение взвешенного результата нужно учитывать все параметры используемых материалов: длину, ширину и толщину. Прочностные характеристики в наибольшей степени зависят от длины и толщины.

Главным критерием расчета катета сварного шва, который в наибольшей степени влияет на его выбор, является длина, поскольку именно от нее в основном зависит прочность. Следует учесть, что при сваривании очень длинных заготовок не исключена деформация кромок материалов. Исключить появление дефектов, которые могут образовываться в процессе сварочных работ, помогут шаблоны. В подавляющем большинстве случаев для получения высококачественного сварного шва достаточно использовать универсальный шаблон.

Виды швов в процессе сварки

Место стыковки частей металлических деталей называется сварочным швом. Он образуется за счет расплавления контактирующих частей изделия и их последующего охлаждения.

В зависимости от пространственного расположения деталей выделяют стыковые и угловые швы. В первом случае стыковка осуществляется в одной плоскости. Металлические части располагаются торцами друг к другу, а саму сварку осуществляют в горизонтальном положении.

[box type=”fact”]Угловое соединение формируется между деталями, расположенными под углом. Самым распространенным вариантом является прямой угол в 90 °.[/box] Влияние режима сварки на форму шва.

Кроме отмеченных выше видов, соединение может быть тавровым или внахлест. Первый вид предусматривает расположение деталей нормально друг к другу буквой «Т». Он может располагаться либо с одной, либо с двух сторон.

В тавровом виде стыка детали часто располагают наклонно друг к другу. Такое расположение уменьшает растекание металла ванны. В результате шов формируется между бортов изделия.

Нахлест используют для соединения листов небольшой толщины. Сваривание в таких случаях может также осуществляться и с одной, и с двух сторон.

Итак, что это такое – катет сварочного шва? Данный критерий определяет наименьшее расстояние от первой детали до углового соединения на второй. Чтобы лучше понять, что такое катет, проще сказать, что это сторона самого большого равнобедренного треугольника, вписанного в поперечное сечение соединенных деталей.

Данный параметр является очень важным и определяет качество и надежность сварки.

Этот критерий влияет на:

  • прочность изделия;
  • расчет при сваривании изделий разной толщины;
  • косвенно характеризует деформацию изделий из-за их нагрева при работе.

При выборе указанного параметра, необходимо понимать, чему должен соответствовать сварочный шов. В зависимости от вида изделия, их толщины, а также сферы применения, производят расчет оптимального значения катета.

Расчет сварных швов на прочность

Для того, чтобы произвести расчет сварных соединений и вычислить коэффициент прочности сварного шва, надо произвести точный замер всех показателей (форма, размер, положение в пространстве).

Осуществить сварку можно разными способами. На сегодняшний день наибольшей популярностью пользуются следующие виды сварки:

  • электрическая, которая в свою очередь подразделяется на дуговую и контактную,
  • газовая.

Также выделяются: ручная, полуавтоматическая, автоматическая сварка.

Учитывая тот фактор, каким образом размещаются элементы, которые подвергаются сварке, выделяются такие типы соединений: стыковые, угловые, нахлесточные, тавровые.

Для каждого из вышеизложенных типов расчет на прочность проводится индивидуально.

Стыковые швы

Если необходимо высчитать коэффициент прочности сварного шва, в первую очередь, нужно обратить внимание на такой параметр как номинальное сечение, при этом учитывать утолщения швов, образуемых во время сварки не нужно. Вычисление производится исходя из данных о сопротивлении материалов, которые образуются в сплошных балках.

Когда касательные, нормальные напряжения начнут оказывать непосредственное влияние на соединения, то для расчета эквивалентного напряжения следует воспользоваться формулой:

Условие прочности можно представить следующим образом: σЭ ≤ [σ’]P

Для поиска данных этого параметра ниже представлена таблица.

При растяжении [σ’]р
При сжатии [σ’]еж
При сдвиге

Автоматическая, ручная электродами Э42А и Э50А

Ручная электродами обычного качества
0,9 [σ]р
[σ]р

Угловые швы

Соединение угловых сварных швов чаще всего осуществляется с поперечным сечением. Оба края соотносятся друг к другу 1:1. Поскольку сторона сечения называется катет сварного шва, на всех схемах и формулах она имеет обозначение «К». Зачастую шов деформируется и разрушается в самом маленьком месте сечения (опасное сечение), оно наиболее слабое, и проходит через биссектрису прямого угла. В таком сечении габариты (размер) шва определяются как β*К. Еще один важный показатель – длина шва (а). С помощью этих показателей можно узнать какую нагрузку способен выдержать сварной шов.