Критерии качества шва при [сварке металлических деталей] разнообразны — на прочность и долговечность соединения влияет сразу несколько параметров. Сваривание угловых конструкций (угловое соединение) требует правильного размера узла соприкосновения и наплыва металла — расчета катета сварного шва по формуле. Каковы требования и критерии, мы расскажем в этой статье.
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.
ВАЖНО ЗНАТЬ: Как паять латунь в домашних условиях?
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.
Расчет сварных соединений
Зависимость качества сварки от параметров настройки аппарата
[Дуговая сварка] выполняется с определенными значениями тока и напряжения, что в итоге влияет на глубину провара и качество сплавления металла двух деталей в границах сварочной ванны. Основные приемы, которыми пользуются опытные сварщики для формирования качественного шва:
-
глубина провара растет при нарастании силы тока при неизменном напряжении — растет температура и глубина прогрева металла;
-
ширина шва и катета нарастает при росте напряжения и неизменной силе тока, однако при нарушении баланса возможен непровар стыка;
-
при росте скорости хода электрода снижается глубина проваривания и уменьшается ширина, а при превышении нормативного значения 50 м/ч возможно появление ряда [дефектов сварного шва], связанных с недостаточным прогревом металла;
-
выпуклая и вогнутая поверхность по катету сварного шва имеют разные прочностные характеристики, при этом первая получается при использовании вязких электродов.
При расчетах принимается во внимание толщина двух заготовок, но максимальные параметры тока и напряжения берутся по тонкой детали во избежание прожога. Максимальная и минимальная длина сварочного шва рассчитывается по приведенной в ГОСТ таблице.
ВАЖНО ЗНАТЬ: Диффузионная сварка металлов
Ошибки при неверном вычислении катета сварного шва
Неопытные сварщики могут допускать ошибки, связанные с неправильным расчетом параметров катета шва при угловом соединении. Излишек металла по линии стыка не придает прочности, он становится причиной повышенного расхода энергии и электродов, приводит к разбрызгиванию металла и возникновению не связанного с поверхностью детали наплыва. Формула расчета катета сварного шва используется для определения его максимального и минимального размера.
Так как шов имеет форму треугольника, то достаточно использовать коэффициент 0,7 для ширины полученного валика. Это касается и сварки встык, когда торцы деталей образуют откос. Но следует учитывать, что при таком соединении угол может составлять от 30 до 60 градусов, и тут могут действовать другие коэффициенты.
- Читайте также:
Разновидности сварок
Классификация сварок:
- Наиболее распространенной является электросварка
. Ее виды: контактная и дуговая.
- Помимо электрической сварки существует газовый
вид.
- По способу автоматизации есть деление: автоматическая, полуавтоматическая и ручная
сварки.
Существует несколько вариантов выполнения сварочных швов:
- стыковые;
- угловые;
- внахлест;
- тавровые.
|
СТЫКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С ПРЯМЫМ ШВОМ (рис. 1, а). Допускаемая сила для соединения при растяжении Р1 = [σ’p]·L·S , то же при сжатии Р2 = [σ’сж]·L·S , где, [σ’p] и [σ’сж] — допускаемые напряжения для сварного шва соответственно при растяжении и сжатии. При расчете прочности все виды подготовки кромок в стыковых соединениях принимают равноценными. СТЫКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С КОСЫМ ШВОМ (рис. 1, б). Допускаемая сила для соединения при растяжении То же при сжатии При β = 45° — соединение равнопрочно целому сечению. НАХЛЕСТОЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ (рис. 2). Соединения выполняют угловым швом. В зависимости от напряжения шва относительно направления шва относительно направления действующих сил угловые швы называют лобовыми (см. рис. 2, а), фланговыми (см. рис. 2. б), косыми (см. рис. 2. в) и комбинированными (см. рис. 2, г). Максимальную длину лобового и косого швов не ограничивают. Длину фланговых швов следует принимать не более 60К, где К — длина катета шва. Минимальная длина углового шва 30 мм; при меньшей длине дефекты в начале и в конце шва значительно снижают его прочность. Минимальный катет углового шва Кmin принимают равным 3 мм, если толщина металла S >= 3 мм. Допускаемая сила для соединения где, [τср] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез; К — катет шва; L — весь периметр угловых швов; — для лобовых швов L = l ; для фланговых L = 2 l 1; — для косых L = l /sinβ; — для комбинированных L = 2
l 1 + l . СОЕДИНЕНИЕ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (рис. 3). Силы, передаваемые на швы 1 и 2, находят из уравнений статики Необходимая длина швов где, [τ’ср] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез; К — катет шва. Примечание: Допускается увеличение l2 до размера l1. ТАВРОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ
Наиболее простое в технологическом отношении. Допускаемая сила для растяжения Р = 0,7 [τ’ср] KL , где, [τ’ср] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез; К — катет шва, который не должен превышать 1,2S (S — наименьшая толщина свариваемых элементов). Наиболее обеспечивающее лучшую передачу сил. Допускаемая сила для растяжения Р1 = [σ’p]·L·S , то же при сжатии Р2 = [σ’сж]·L·S
, где, [σ’p] и [σ’сж] — допускаемые напряжения для сварного шва соответственно при растяжении и сжатии. СОЕДИНЕНИЕ С НАКЛАДКАМИ Сечение накладок, обеспечивающее равнопрочность целого сечения (см. рис. 6) где, F — сечение основного металла; [σp] — допускаемое напряжение при растяжении основного металла; [σ’p] — допускаемое напряжение для сварного шва при растяжении. Сечение накладки, обеспечивающее равнопрочность целого сечения (см. рис. 7): где, [τ’cp] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез. СОЕДИНЕНИЕ С ПРОРЕЗЯМИ Применяют лишь в случаях, когда угловые швы недостаточны для скрепления. Рекомендуется a = 2S , l = (10 ÷ 25)S. Допускаемая сила, действующая на прорезь Р = [τ’сp]·L·S , где, [τ’сp] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез. СОЕДИНЕНИЕ ПРОБОЧНОЕ Применяют в изделиях, не несущих силовых нагрузок. Пробочную сварку можно применять для соединения листов толщиной от 15 мм. Если пробочные соединения подвергаются действию срезывающих сил, то напряжение где, d — диаметр пробки; i — число пробок в соединении. СОЕДИНЕНИЕ СТЫКОВОЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА При расчете прочности соединения (см. рис. 9), осуществленного стыковым швом, находящимся под действием изгибающего момента Ми и продольной силы Р, условие прочности где, W = Sh²/6; F = hS. При расчете прочности соединения (см. рис. 10, а), осуществленного угловым швом, находящимся под действием изгибающего момента Ми и продольной силы Р, расчетные касательные напряжения в шве где, Wc = 0,7Kh²/6; Fc = 0,7Kh. При расчете прочности соединений (см. рис. 10, б), состоящих из нескольких швов и работающих на изгиб, принимают (для приведенного графически случая), что изгибающий момент Ми уравновешивается парой сил в горизонтальных швах и моментом защемления вертикального шва Если момент Ми и допускаемое напряжение τ заданы, то из полученного уравнения следует определить l и K, задавшись остальными геометрическими параметрами. ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СВАРНЫХ ШВОВ Допускаемые напряжения (табл. 1 и 2) для сварных швов принимают в зависимости: а) от допускаемых напряжений, принятых для основного металла; б) от характера действующих нагрузок. В конструкциях из стали Ст5, подвергающихся воздействию переменных или знакопеременных нагрузок, допускаемые напряжения для основного металла понижают, умножая на коэффициент где, σmin и σmax — соответственно минимальное и максимальное напряжения, взятые каждое со своим знаком. 1. Допускаемые напряжения для сварных швов в машиностроительных конструкциях при постоянной нагрузке
2. Допускаемые напряжения в МПа для металлоконструкций промышленных сооружений (подкрановые балки, стропильные фермы и т. п.)
Для конструкций из низкоуглеродистых сталей при действии переменных нагрузок рекомендуется принимать коэффициент понижения допускаемых напряжений в основном металле где, ν — характеристика цикла, ν = Рmin / Pmax; Рmin и Pmax соответственно наименьшая и наибольшая по абсолютной величине силы в рассматриваемом соединении, взятые каждая со своим знаком; Ks — эффективный коэффициент концентрации напряжений (табл. 3). 3. Эффективный коэффициент концентрации напряжения Ks
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Пример 1. Определить длину швов, прикрепляющих уголок 100x100x10 мм к косынке (рис. 11. а). Соединение конструируется равнопрочным целому элементу. Материал сталь Ст2. Электроды Э42. В табл. 2 для стали Ст2 находим допускаемое напряжение [σp] = 140 МПа. Площадь профиля уголка 1920 мм² («Уголки стальные горячекатаные равнополочные» ГОСТ 8509-93). Расчетная сила в уголке Р = 140×1920 = 268 800 Н В данном случае допускаемое напряжение при срезе, согласно табл. 1, в сварном шве [τcp] = 140×0,6 = 84 МПа . Требуемая длина швов (при К =10 мм) в нахлесточном соединении согласно расчету к рис. 11а. Длина лобового шва l = 100 мм: требуемая длина обоих фланговых швов lфл = 458-100 = 358 мм. Так как для данного уголка е1 = 0,7l то длина шва 2 будет l2 — 0,7×358 = 250 мм, длина шва 1 будет l1 = 0,3×358 = 108 мм. Принимаем l2 = 270 мм, l1 = 130 мм. Пример 2. Определить длину l швов, прикрепляющих швеллер №20а. нагруженный на конце моментом М = 2,4×107 Н·мм (рис. 11. б). Материал сталь Ст2. Электроды Э42. В табл. 2 для стали Ст2 находим допускаемое напряжение [σp] = 140 МПа. Допускаемое напряжение при срезе, согласно табл. 1, в сварном шве [τ’cp] = 140×0,6 = 84 МПа . Момент сопротивления сечения швеллера W = 1,67 x 105 мм³ (из ГОСТа) Напряжение σ = 2,4×107 / 1,67×105 = 144 МПа Катет горизонтальных швов К1 = 10 мм, вертикального К2 = 7,5 мм. Из формулы 1 (см. выше) находим Принимаем l = 200 мм. При этой длине шва напряжение при изгибе Полученная величина меньше допускаемой [τ’cp] = 84 МПа. ЭЛЕКТРОДЫ Размеры и общие технические требования на покрытые металлические электроды для ручной дуговой сварки сталей и наплавки поверхностных слоев из сталей и сплавов приведены в ГОСТ 9466-75 или кратко здесь. Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей (по ГОСТ 9467-75): Электроды изготовляют следующих типов: Э38, Э42, Э46 и Э50 — для сварки низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву до 500 МПа: Э42А, Э46А и Э50А — для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву до 500 МПа, когда к металлу сварных швов предъявляют повышенные требования по пластичности и ударной вязкости; Э55 и Э60 — для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву св. 500 до 600 МПа; Э70, Э85, Э100, Э125, Э150 — для сварки легированных конструкционных сталей повышенной и высокой прочности с временным сопротивлением разрыву свыше 600 МПа; Э-09М, Э-09МХ, Э-09Х1М, Э-05Х2М, Э-09Х2МГ, Э-09Х1МФ, Э-10Х1М1НФБ, Э-10ХЗМ1БФ, Э-10Х5МФ — для сварки легированных теплоустойчивых сталей. Механические свойства металла шва, наплавленного металла и сварного соединения при нормальной температуре (по ГОСТ 9467-75)
ГОСТ 9467-75 предусматривает также типы электродов и механические свойства наплавленного металла или металла шва для легированных теплоустойчивых сталей. Электроды покрытые металлические для ручной дуговой наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами (по ГОСТ 10051-75)
ГОСТ предусматривает также и другие химический состав, типы и марки электродов. Сварочные материалы, применяемые для сварки стальных конструкций, должны обеспечивать механические свойства металла шва и сварного соединения (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, угол загиба, ударную вязкость) не менее нижнего предела свойств основного металла конструкции. Свариваемые материалы и применяемые электроды: — СтЗкп, СтЗкп, СтЗпс, Сталь 08кп, Сталь 10 — Э42, Э42А, Э46; — Сталь 20 — Э42; — Сталь 25Л — Э46; — Сталь 35Л, Сталь 35, Сталь 45, Ст5кп, Ст5пс — Э50А; — Сталь 20Х, Сталь 40X — Э85; — Сталь 18ХГТ, Сталь 30ХГСА — Э100; — АД1, АД1М, АМг6 — Присадочные прутки. Подробную классификацию покрытых электродов и область применения смотри здесь. |
ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СВАРНЫХ ШВОВ
Расчет сварных соединений
СТЫКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С ПРЯМЫМ ШВОМ
(рис. 1, а).
Допускаемая сила для соединения при растяжении
Р1 = [σ’p]·L·S ,
то же при сжатии
Р2 = [σ’сж]·L·S ,
где,
[σ’p] и [σ’сж] — допускаемые напряжения для сварного шва соответственно при растяжении и сжатии.
При расчете прочности все виды подготовки кромок в стыковых соединениях принимают равноценными.
СТЫКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С КОСЫМ ШВОМ
(рис. 1, б).
Допускаемая сила для соединения при растяжении
То же при сжатии
При β = 45° — соединение равнопрочно целому сечению.
НАХЛЕСТОЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
(рис. 2).
Соединения выполняют угловым швом. В зависимости от напряжения шва относительно направления шва относительно направления действующих сил угловые швы называют лобовыми (см. рис. 2, а), фланговыми (см. рис. 2. б), косыми (см. рис. 2. в) и комбинированными (см. рис. 2, г).
Максимальную длину лобового и косого швов не ограничивают. Длину фланговых швов следует принимать не более 60К, где К — длина катета шва. Минимальная длина углового шва 30 мм; при меньшей длине дефекты в начале и в конце шва значительно снижают его прочность.
Минимальный катет углового шва Кmin принимают равным 3 мм, если толщина металла S >= 3 мм.
Допускаемая сила для соединения
где, [τср] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез;
К — катет шва;
L — весь периметр угловых швов;
— для лобовых швов L = l; для фланговых L = 2l1;
— для косых L = l/sinβ;
— для комбинированных L = 2l1 + l.
СОЕДИНЕНИЕ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
(рис. 3).
Силы, передаваемые на швы 1 и 2, находят из уравнений статики
Необходимая длина швов
где,
[τ’ср] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез;
К — катет шва.
Примечание: Допускается увеличение l2 до размера l1.
ТАВРОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ
Наиболее простое в технологическом отношении.
Допускаемая сила для растяжения
Р = 0,7 [τ’ср] KL
,
где,
[τ’ср] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез;
К — катет шва, который не должен превышать 1,2S (S — наименьшая толщина свариваемых элементов).
Наиболее обеспечивающее лучшую передачу сил.
Допускаемая сила для растяжения
Р1 = [σ’p]·L·S ,
то же при сжатии
Р2 = [σ’сж]·L·S ,
где,
[σ’p] и [σ’сж] — допускаемые напряжения для сварного шва соответственно при растяжении и сжатии.
СОЕДИНЕНИЕ С НАКЛАДКАМИ
Сечение накладок, обеспечивающее равнопрочность целого сечения (см. рис. 6)
где,
F — сечение основного металла; [σp] — допускаемое напряжение при растяжении основного металла; [σ’p] — допускаемое напряжение для сварного шва при растяжении.
Сечение накладки, обеспечивающее равнопрочность целого сечения (см. рис. 7):
где,
[τ’cp] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез.
СОЕДИНЕНИЕ С ПРОРЕЗЯМИ
Применяют лишь в случаях, когда угловые швы недостаточны для скрепления.
Рекомендуется a = 2S , l = (10 ÷ 25)S.
Допускаемая сила, действующая на прорезь
Р = [τ’сp]·L·S ,
где,
[τ’сp] — допускаемое напряжение для сварного шва на срез.
СОЕДИНЕНИЕ ПРОБОЧНОЕ
Применяют в изделиях, не несущих силовых нагрузок. Пробочную сварку можно применять для соединения листов толщиной от 15 мм.
Если пробочные соединения подвергаются действию срезывающих сил, то напряжение
где,
d — диаметр пробки;
i — число пробок в соединении.
СОЕДИНЕНИЕ СТЫКОВОЕ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА
При расчете прочности соединения (см. рис. 9), осуществленного стыковым швом, находящимся под действием изгибающего момента Ми и продольной силы Р, условие прочности
где,
W = Sh²/6;
F = hS.
При расчете прочности соединения (см. рис. 10, а), осуществленного угловым швом, находящимся под действием изгибающего момента Ми и продольной силы Р, расчетные касательные напряжения в шве
где,
Wc = 0,7Kh²/6;
Fc = 0,7Kh.
При расчете прочности соединений (см. рис. 10, б), состоящих из нескольких швов и работающих на изгиб, принимают (для приведенного графически случая), что изгибающий момент Ми уравновешивается парой сил в горизонтальных швах и моментом защемления вертикального шва
Если момент Ми и допускаемое напряжение τ заданы, то из полученного уравнения следует определить l и K, задавшись остальными геометрическими параметрами.
ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СВАРНЫХ ШВОВ
Допускаемые напряжения (табл. 1 и 2) для сварных швов принимают в зависимости:
а) от допускаемых напряжений, принятых для основного металла;
б) от характера действующих нагрузок.
В конструкциях из стали Ст5, подвергающихся воздействию переменных или знакопеременных нагрузок, допускаемые напряжения для основного металла понижают, умножая на коэффициент
где,
σmin и σmax — соответственно минимальное и максимальное напряжения, взятые каждое со своим знаком.
1. Допускаемые напряжения для сварных швов
в машиностроительных конструкциях при постоянной нагрузке
|
Сварка |
Для стыковых соединений |
При срезе [τ’ср] |
|
| при растяжении [σ’p] | при сжатии [σ’сж] | ||
| Ручная электродами: Э42……….. Э42 А……. | 0,9[σp] [σp] | [σp] [σp] | 0,6[σp] 0,65[σp] |
|
[σp] — допускаемое напряжение при растяжении для основного металла. |
2. Допускаемые напряжения в МПа
для металлоконструкций промышленных сооружений
(подкрановые балки, стропильные фермы и т. п.)
|
Марка стали |
Учитываемые нагрузки |
|||||
|
основные |
основные и дополнительные |
|||||
|
вызывающие напряжения |
||||||
| растяжения, сжатия, изгиба | среза | смятия (торцового) | растяжения, сжатия, изгиба | среза | смятия (торцового) | |
|
Подкрановые балки, стропильные фермы и т.п. |
||||||
| Ст2 Ст3 | 140 160 | 90 100 | 210 240 | 160 180 | 100 110 | 240 270 |
|
Металлоконструкции типа крановых ферм |
||||||
| Ст0 и Ст2 Ст3 и Ст4 Ст5 Низколеги- рованная | 120 140 175 210 | 95 110 140 170 | 180 210 260 315 | 145 170 210 250 | 115 135 170 200 | 220 255 315 376 |
Для конструкций из низкоуглеродистых сталей при действии переменных нагрузок рекомендуется принимать коэффициент понижения допускаемых напряжений в основном металле
где,
ν — характеристика цикла, ν = Рmin / Pmax; Рmin и Pmax соответственно наименьшая и наибольшая по абсолютной величине силы в рассматриваемом соединении, взятые каждая со своим знаком;
Ks — эффективный коэффициент концентрации напряжений (табл. 3).
3. Эффективный коэффициент концентрации напряжения Ks
Литература:
- Renouard, «Histoire de la medicine» (П., 1948).
- З.С. Смирнова, Л.М. Борисова, М.П. Киселева и др. Доклиническое изучение противоопухолевой активности производного индолокарбазола ЛХС-1208 // Российский биотерапевтический журнал. 2014. № 1. С. 129.
- Харенко Е. А., Ларионова Н. И., Демина Н. Б. Мукоадгезивные лекарственные формы. Химико-фармацевтический журнал. 2009; 43(4): 21–29. DOI: 10.30906/0023-1134-2009-43-4-21-29.
- https://StavLife26.ru/baza-znanij/svarochnyj-katet.html.
- https://studopedia.net/10_9542_dopuskaemie-napryazheniya-dlya-svarnih-shvov.html.
- Sprengel, «Pragmatische Geschichte der Heilkunde».
- Скориченко, «Доисторическая M.» (СПб., 1996); его же, «Гигиена в доисторические времена» (СПб., 1996).
- Wise, «Review of the History of Medicine» (Л., 1967).
Загрузка...
