Под сварными соединениями подразумевается технологическая операция, при которой получается неразъемное сочленение за счет возникновения межатомных связей расплавленного металла. Это происходит при нагревании применяемых деталей или их пластической деформации. В результате возникают сварные соединения, обеспечивающие высокую прочность. Для получения качественной сварки необходим предварительный расчет сварных соединений.
Процесс сварки подразумевает соединение различных деталей путем их нагревания или деформации.
Швы подобных сочленений делятся на две группы:
- рабочие;
- связующие.
Рабочие элементы подвергаются нагрузке механических внешних воздействий. Когда разрушается рабочий шов, возможно разрушение сварных соединений.
Связующие необходимы для одновременной состыковки нескольких деталей конструкции, которые подвергаются основной нагрузке. Деформация наплавленного металла такого сварочного шва происходит совместно с металлом тех деталей, которые объединяет этот шов. При разрушении связующего шва соединение остается в рабочем состоянии, так как всю основную нагрузку воспринимают только детали главного металла. Расчет на прочность делается только для рабочих швов.
Сварные соединения бывают:
Виды сварных соединений.
- стыковыми;
- нахлесточными;
- тавровыми;
- угловыми;
- торцевыми.
Положительные свойства сварных соединений:
- Получается равнопрочное соединение. Иными словами, когда правильно выполнены сварные соединения, у конструкции будут отсутствовать слабые места.
- Очень мало расходуется металла. Редко применяются специальные накладки.
Очень удобно проводить соединение материалов. - Элегантный внешний вид.
К недостаткам можно отнести:
- Не всегда удобно выполнять сварочные работы из-за недостатка места. В этом случае соединение болтами гораздо лучше.
- Не свариваются металлы, которые имеют высокую твердость. Во время сварки прочность таких материалов резко снижается, что влечет за собой потерю эффекта упрочнения.
- Сварочный шов является концентратором напряжения. В связи с этим, когда имеется высокая динамическая нагрузка, лучше воспользоваться болтовым или заклепочным соединением.
Конструктивные требования
Чертеж сварного шва и вводимые для него данные.
Когда проектируются сварные соединения, их конструкция должна предусматривать свободный доступ к соединению деталей. Должна соблюдаться технология изготовления.
Для уменьшения сварочной деформации необходимо свести к минимуму проводимые работы при сборке конструкции. Для этого нужно использовать швы самой небольшой толщины, расчет которых был произведен с учетом конструктивных особенностей. Сварные элементы должны располагаться на большом расстоянии друг от друга, не должно появляться замкнутого контура, созданного ими же.
При выполнении сварных соединений балок не должно быть накладок. Если работа делается встык, применяется односторонняя сварка, используются подкладки, которые потом зачищаются и обрезаются.
Метод расчета: основные параметры
Стыковые соединения рассчитываются согласно установленной и стандартизованной системе подсчета. Способ проведения расчета подробно описан в специальных нормалях.
Рисунок 1.Формула расчета центрального сжатия стыкового соединения.
Центральное сжатие, а также процесс растяжения определяется по формуле на Рисунке 1:
- N — наивысшая нагрузка, которую воспринимает соединение;
- t — минимальная толщина свариваемых деталей;
- lw — максимальная длина всего сварочного шва, ее уменьшают на значение 2t;
- Rwy — сопротивление, определяющееся в соответствии с существующим пределом прочности, взамен «Rwy» разрешается применять «Rwu/γu»;
- Ry — сопротивление материала, согласно пределу текучести, определяется по таблицам;
- Ru — сопротивление металла согласно временному сопротивлению, значение берется по специальным таблицам;
- γс — коэффициент места работы и соответствующих условий, значения этого параметра указаны в стандартизованных таблицах.
Ry совместно с Ru при сварке не однотипных металлов берется по значению сопротивления металла, имеющего наименьшую прочность. В основном, расчетное сопротивление определяется по характеристикам материала соединяемых заготовок. Дело в том, что сварочный стык получает металл, который имеет более высокую прочность, чем металл сварных соединений. На сжатие сварочный стык не рассчитывается, потому что расчетное сопротивление в точности повторит значение самих деталей.
Когда имеется растяжение в сварочном шве, возникает сопротивление, при котором расчетный параметр будет ниже аналогичного показателя наименьшего из свариваемых элементов. В связи с этим шов всегда имеет уклон, позволяющий добиться соединения одинаковой прочности. Проварка в данном случае проводится на полную толщину материала.
Метод расчета сварных соединений конструкции с угловыми швами
Когда в конструкции встречаются угловые сварочные швы, которые подвергаются воздействию силы, направленной к центру тяжести, проводится специальный расчет относительно определенного сечения:
- металл шва;
- граница металла.
Рисунок 2. Формула расчета сварного шва на основании металла.
Обычно выбирается сечение, имеющее самую высокую опасность. На срез проводится основной расчет, базирующийся на формулах, указанных в нормализованных документах. Причем для расчетов приводятся формулы, каждая из которых может иметь место.
Например, когда выполняется расчет на основании металла шва (находящегося на линии сплавления), используется формула на Рисунке 2:
N — самая высокая нагрузка, оказывающая максимально давление на соединение;
Βf, совместно с βz — коэффициенты, которые берутся из таблицы.
Обычно:
βf — 0,7;
βz — 1;
причем марка стали значения не имеет.
kf — толщина сварочного шва, измеряемая по линии сплавления;
lw — общая длина, заниженная на 10 мм;
Rwf — сопротивление срезу, берется из соответствующих 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.
Эти значения обязательно должны браться во внимание при проведении расчета.
Иногда сварные соединения сделаны фланговым швом.
Расчеты могут проводиться по сварочному материалу или по линии соединения. Угловые швы, на которые воздействует нагрузка, находящаяся под 90 градусов по направлению к шву, рассчитываются на основании сечения. Чтобы выполнить математические действия, используют несколько формул.
Когда касается материала шва: формула 3 на Рисунке 3.
Рисунок 3, 4. Формулы расчета материала шва и линии сплавления.
На основании линии сплавления: формула 3 на Рисунке 4.
- Wf — величина момента сопротивления;
- Wz — аналогичный момент, берется относительно материала.
Заметим, стыкования, имеющие угловые элементы, на которые действует нагрузка, направленная на местонахождения швов, рассчитываются на основании сечения. Подсчет ведется по соответствующим формулам.
Давление на материал: формула 5 на Рисунке 5.
Рисунок 5, 6. Формулы расчета давления на материал и нагрузки на линию сплавления.
Нагрузка на линию сплавления: формула 6 на Рисунке 6.
- Jfx совместно с Jfy — величина момента инерции, рассчитываемого сечения, относящегося к расположению главной оси;
- Jzx совместно с Jzy — аналогичный момент инерции, берущийся относительно линии сплавления.
В данном случае координатами шва будут значения горизонтали «х» и вертикали «у». Причем определяется значение самой удаленной точки имеющегося сварочного шва. Расстояние измеряется согласно нахождению центра тяжести. Берется наибольшее расстояние от основной оси данного сечения.
Из соответствующих таблиц определяются:
• момент инерции;
• момент сопротивления.
За базу берется сечение проката. Когда сечение не стандартизовано, то момент требуется рассчитать эмпирическим путем. Наиболее простым может стать расчет сечения в специальной конструкторской программе «SCAD», которую можно запросто найти, используя интернет.
В основном данные подсчеты выполняются профессиональными работниками, так что никогда не стесняйтесь задавать им вопросы по поводу того, что непонятно. Удачи!
