В производстве металлоконструкций самым надежным методом соединения между собой отдельных деталей является сварка. Прочность сцепления при этом обеспечивается межмолекулярным взаимодействием, возникающим под влиянием высокой температуры. Чтобы стыки (дорожки, швы) готового изделия получились качественными, перед началом работы должны быть правильно выполнены расчеты сварного шва. Точные вычисления нужны для выбора основных и расходных материалов, для понимания того, насколько надежной и монолитной будет конструкция.
Расчет сварного шва на срез производится по общепринятым стандартным формулам.
Какие параметры используются в расчете
В расчете на прочность сварных соединений необходим целый ряд показателей.
Их знание позволяет провести подсчеты с наименьшей погрешностью.
При этом учитывают следующие основные параметры:
- Ry — сопротивление материала изделия с учетом предела текучести; это постоянная величина для каждого металла;
- Ru — сопротивление материала в соответствии с временным сопротивлением; стандартный табличный показатель;
- Rwy — сопротивление с учетом предела текучести;
- N — предельно допустимая нагрузка, которую может выдержать сцепление;
- t — минимальная толщина соединяемых деталей;
- lw — максимальная длина сварного стыка, при вычислении ее уменьшают на 2t;
- gс — коэффициент условий, которые преобладают на рабочем месте; стандартизированный параметр, присутствует в общепринятых таблицах, в частности, в методичках для сварщиков.
Процесс растяжения и сжатия металла вычисляют по формуле:
.
Если при изготовлении изделия свариваются детали из разных металлов, то в формулах используются Ry и Ru для материала с наименьшей прочностью. Аналогично поступают при включении параметров в расчете шва на срез.
При расчете на прочность необходим ряд показателей.
Кроме названных числовых показателей на надежность соединения влияют:
- качество материала изделия;
- правильно подобранные расходные материалы (присадки, электроды);
- режим сварки, в т. ч. полярность и сила тока;
- тщательность обработки заготовок — на кромке стыков не должно быть никаких деформаций и посторонних вкраплений;
- соответствие сварного аппарата требуемой технологии сварки и мощности.
Такие характеристики обязательно берутся во внимание, от каждой из них зависит точность расчета качества сцепления.
Коэффициент прочности шва
Это показатель φ, являющийся отношением между собой прочностей сварной дорожки и основного материала. Его значение нормировано и определяется способом сварки и конструкцией стыка. Он принимается на основании Правил Госгортехнадзора и отражается в приложениях ГОСТов Р52857.1-2007, 14249-89 и 34233.1-2017.
Таблица 1. Коэффициенты прочности сварочных швов
| Тип сварного соединения | Значение φ | |
| Контролируемый участок от общей протяженности шва: | ||
| 100% | 10-50 % | |
| Стыковое одностороннее, выполненное ручной сваркой | 0,9 | 0,65 |
| Тавровое, с конструктивно предусмотренным зазором между деталями | 0,8 | 0,65 |
| Встык одностороннее, производимое с подкладкой из флюса или керамики, автоматической или полуавтоматической сваркой | 0,9 | 0,8 |
| Втавр или встык со сплошным двусторонним проваром, выполняемый автоматикой или полуавтоматикой | 1,0 | 0,9 |
| Стыковое с подвариванием корня шва или тавровый со сплошным проваром с 2 сторон, выполненные ручной сваркой | 1,0 | 0,9 |
| Одностороннее встык, во время сварки имеет со стороны корня шва металлическую подкладку, прилегающую к основному материалу по всей длине шва | 0,9 | 0,8 |
Коэффициент прочности для дорожек, паянных мягкими и твердыми припоями с использованием аппаратов из цветных металлов, составляет 0,7 для композиционной пайки, 1 — для однородной.
Используемые формулы
Есть много формул, по которым производят расчеты для создания качественных сварных дорожек. В них используются показатели, определяемые не только типом шва, но и видом и толщиной основного материала, площадью и расположением стыкуемых деталей, предельными нагрузками, эксплуатационной температурой изделия и др. Уравнения для отдельных разновидностей сварных швов различаются.
Есть много формул, по которым производят расчеты.
Расчет прочности швов на выпуклых поверхностях
В производстве сосудов — труб различных емкостей — применяются стыковые сварные соединения. Сюда относятся швы на выпуклых днищах (меридиональные и хордовые) и на обечайках (продольные). Принятые стандарты и методы расчета на прочность таких изделий отражены в ГОСТ 34233.11-2017. Расчет сварного соединения выпуклой поверхности зависит от ряда показателей — марки и толщины стали, из которой изготавливается сосуд, внутреннего и внешнего давления на стенки, типа нагрузки и т. д.
Уравнение расчета допускаемого напряжения (измеряется в МПа) на примере цилиндрической обечайки для сосуда, работающего при однократных статических нагрузках и выполненного из низколегированной или углеродистой стали:
Данная формула применима только для сосудов из пластичных материалов в условиях использования металлов.
Зависимость от типа сварочного шва
Существует несколько вариантов сцепления металлических элементов в единую конструкцию. По расположению соединяемых деталей различают следующие виды сварных швов:
- Стыковой — наиболее рациональный, т. к. концентрация напряжения в шве при таком методе минимальна. Свариваются торцы деталей, в результате одна часть изделия продолжает другую.
- Угловой — соединяемые элементы располагаются перпендикулярно друг другу. Прочность здесь во многом зависит от верно рассчитанного предельного усилия.
- Тавровый — похож на угловой с той лишь разницей, что детали свариваются торцами. Такая дорожка прочная, экономичная и простая в выполнении.
- Нахлесточный — края сцепляемых деталей несколько находят друг на друга. Такой тип позволяет укрепить соединение и применяется там, где нужно сварить металл толщиной не более 5 мм.
Для каждого из названных типов расчет производится по индивидуальной формуле.
Прежде чем начинать вычисление прочности будущего сцепления, нужно рассчитать площадь его поперечного сечения. Для этого длину сварного соединения умножают на его толщину.
Соединение листов внахлест
Для расчета напряжения среза используют формулу:
,
где:
- P — нагрузка на шов, Н;
- [τ]’ср — допускаемое напряжение на срез, Па;
- 0,7k — толщина шва в наиболее опасном сечении, см;
- l — длина сварной дорожки, мм.
При соединении внахлест разделка кромок не требуется.
Из выражения понятно, что полученное напряжение на срез должно получиться меньше максимально допустимого.
Значение нагрузки P таково:
.
При расчете учитывают минимальную площадь сечения сварной дорожки в поперечнике. Это связано с тем, что сварочные материалы по прочности могут превышать основной металл.
Угловые конструкции
Такие соединения рассчитываются на основании их поперечного сечения, причем наименьшего, т. е. в наиболее опасном месте дорожки. Показатель устойчивости простого углового шва на изгиб, когда он нагружен лишь моментом M, вычисляется так:
,
где:
- Wc — момент сопротивления опасного сечения дорожки (шва);
- M — изгибающий момент.
Угловые конструкции рассчитываются на основании их поперечного сечения.
А напряжение простого углового соединения на срез запишется таким образом:
,
где:
- M — нагружающий момент на срез;
- Fc = 0,7kl — площадь сечения дорожки в опасном месте, мм²;
- P — допустимая нагрузка на дорожку.
При расчете угловых сварных швов на срез применяется общепринятое выражение:
,
где:
- N — максимальная нагрузка, давящая на линию сцепления;
- с — коэффициент условий рабочей среды, значение указано в стандартизированных таблицах;
- ßf, ßz — постоянные величины, не зависящие от марки металла, ßz = 1, ßf = 0,7;
- Rwf — сопротивление срезу, табличная величина для разных материалов;
- Rwz — сопротивление на линии стыка; стандартные, постоянные табличные величины;
- kf — толщина дорожки, измеряется по линии сплавления;
- Ywf — для стыка материала с сопротивлением 4200 кгс/см² составляет 0,85;
- Ywz — 0,85 для всех марок стали;
- lw — общая длина стыка, уменьшенная на 10 мм.
В определении длины сварочного сцепления на отрыв обязательно учитывают силу, направленную к центру тяжести. При этом площадь сечения выбирают в самом опасном месте дорожки, т. е. наименьшую.
Тавровые швы
Условие прочности сцепления втавр, выполненного встык и работающего на растяжение Р и момент M, выглядит так:
.
Формула для такого же, но не стыкового, а углового шва:
.
Тавровые швы могут быть односторонними и двусторонними.
Если тавровое соединение будет нагружено изгибом и крутящим моментом, то применяется уравнение:
.
Крутящая и изгибающая сила соответственно определяются следующими формулами:
и
.
Сварка на стыке
Расчет шва встык, который будет работать на сжатие либо на растяжение, выполняется по уравнению:
,
где:
- l — длина сварочной дорожки, мм;
- P — нагрузка, действующая на стык, Н;
- s — толщина соединяемых деталей, мм;
- [σ]’ р1сж1 — допускаемое для сцепления напряжение на растяжение либо сжатие, Па.
Допустимая действующая нагрузка P составит:
.
Стыковое сцепление, работающее на изгиб, рассчитывается по формуле:
,
где:
- М — это изгибающий момент, Н/мм;
- Wc — момент сопротивления расчетного сечения.
Если напряжение шва возникает и от изгиба М, и от сжатия либо растяжения Р, то оно определяется уравнением:
.
Методика расчета сварных соединений
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
* [σ]р — допускаемое напряжение для основного металла на растяжение
Механические испытания сварных соединений
Механические испытания сварных соединений — это разрушающие методы контроля, которые используют для проверки швов под разноплановыми нагрузками. С их помощью определяют важные эксплуатационные параметры конструкций, а затем, на основании полученных сведений, рассчитывают возможные нагрузки. При проведении проверок используется специализированное контрольное оборудование.
В качестве контрольных отбираются серийные образцы сварных швов. Заключение делают на основании одинаковых исследований устойчивости к разрушениям, пластичности шва.
Суть проведения механических испытаний сварных соединений
Исследования проводятся несколькими способами, а именно:
- Статическим. Подразумевает плавное увеличение нагрузки. Исследования растянуты по времени, чтобы разрушающая нагрузка была постоянной.
- Динамическим. Суть — в мгновенном воздействии за непродолжительный интервал времени.
- Усталостным. Это многократное воздействие на образец. Число циклов определяет величина, которая исчисляется десятками миллионов. Нагрузку изменяют по значению, знаку.
Статические методики — это испытания стыковых швов, которые определяют их физических характеристики: ползучесть, твердость, пластичность, растяжимость и пр. В ходе испытания сварных швов их сравнивают с подобными образцами из целостного металла. При этом применяют образцы и с зачищенным, и с незачищенным валиком.
Условный предел текучести — это напряжение, при котором образцы увеличиваются на 0,2% от первоначальных показателей длины. Исследования на изгиб проводят, чтобы выявить пластичность диффузного слоя. Нагрузку на изгиб осуществляют, пока на поперечном и продольном соединении не появится первая трещина. Для проведения тестов применяют трубчатые или плоские образцы.
При динамических испытаниях выявляют склонность швов к усталостной деформации и прочность на изгиб. Тесты проводят при пониженной, нормальной или повышенной температуре. Полученные данные заносят в виде графиков в протокол.
Твердость определяют в зоне термического влияния и диффузного слоя. При этом оценивают структурную прочность металла методами металлографии. Помимо прочего, проверяют необработанный и обработанный шовный валик.
Нормативная документация для испытаний сварных соединений
Методы проведения исследований, используемые формулы регламентируются руководящим документом Минхимпрома РД 26-11-08-86. Отбор образцов, а также определение типа исследований выполняется согласно ГОСТ 6996-66. Толщина образцов регламентируется в соответствии с типом сварки. Также оговаривается способ подготовки сварного шва к испытанию, условия, в которых они будут проводиться. По итогам контроля составляют протокол, где указывают метод, которым были проверены образцы.
Образцы для проведения испытаний
Исследования выполняют на стандартных образцах, форма и размер которых устанавливаются с учетом вида испытания.
Например, для проверки на растяжение применяют стандартные цилиндрические образцы круглого сечения или плоские заготовки прямоугольного сечения. Заготовки должны иметь определенные размеры, установленные стандартами.
Преимущества и недостатки механических испытаний
К достоинствам методов относятся следующие:
- получение данных об эксплуатационных характеристиках сварных соединений;
- изучение механических свойств швов;
- установление расчетных величин, что позволяет определить максимальные нагрузки — сведения, необходимые для проектных работ;
- проверка возможностей зоны термического влияния, диффузного слоя, в которых зачастую обнаруживаются внутренние дефекты;
- небольшие затраты, но при этом получение точных результатов, на основе которых можно определить прочностные характеристики конструкций, выбрать наилучший способ сварки разных сплавов.
Недостатки у испытаний сварных соединений механическими методиками тоже есть. Например, это разрушение образцов, которые невозможно восстановить. Поэтому применять эти методики для приемки готовых соединений нельзя — их используют только для исследований, которые проводятся на этапе запуска в серийное производство.
Свойства, которые определяют механические испытания
Для испытания швов в целях определения механических характеристик диффузного слоя применяют разные методы. Образцы подвергают разнонаправленным усилиям, выявляют, под какой нагрузкой по швам возникает деформация. При этом учитывают надрывы, трещины, изменения размеров, формы. Также определяют технологически важные характеристики, которые влияют на герметичность и несущую способность соединений.
Рассмотрим основные характеристики, которые позволяют определить испытания сварных соединений.
Пластичность
Для определения пластичности проводят тесты на статическое растяжение, в ходе которых выявляется податливость участка термического влияния и диффузного слоя, изменения формы. Пластичность — это характеристика, от которой зависит способность штамповки с вытягиванием. Удлинение определяют посредством измерения образцов до растяжения и после.
Прочность
Показатели прочности особенно важны для опорных конструкций, которые испытывают разнонаправленные нагрузки. От прочности зависит надежность, безопасность, целостность сооружения. Определяют характеристики несколькими методами. Для этого проводятся исследования на изгиб и на усталость. Испытания сварных соединений на изгиб подразумевают прикладывание усилий до момента критической деформации образцов. Исследования на усталость выполняются с разными нагрузками, пока образец не разрушится.
В ходе экспериментов могут проводиться:
- Искривление заготовки под заданным углом.
- Двухсторонний изгиб, пока стороны заготовки не сплющатся.
- Искривление тонких заготовок, пока стороны не встанут параллельно и образец не примет U-образную форму.
Ударный изгиб
Для определения ударного изгиба выполняются динамические исследования. Они подразумевают высокую скорость изменения нагрузки. Сварные швы проверяют на хрупкость, склонность к растрескиванию и деформации. Для этого применяют образец с надрезанным шовным валиком. В месте, где выполнен надрез, от удара маятниковым копром со специальной шкалой концентрируется напряжение. В результате испытаний рассчитывают ударную вязкость, которая определяется как отношение работы по отталкиванию в месте концентрации к площади сечения целостного образца, т.е. до нанесенного разреза. Если в образце не появятся трещины, изломы, надрывы и расслоения, значит, он выдержал испытание.
Твердость
Для определения твердости заготовки используют три методики:
- Тестирование по методу Роквелла. Во время исследования в металл вдавливают твердый наконечник — индентор, в качестве которого выступают алмазный конус или стальной шарик, прошедший специальную закалку.
- Исследования по Виккерсу. Способ, имеющий сходство с методом Роквелла. В качестве индентора используется алмазная пирамидка.
- Способ Бринелля. Применяется стальной шар с высокой плотностью и твердостью.
Твердость соединения проверяют по продольной оси, а также от центра стыка по направлению к основному металлу заготовки.
Метод Роквелла используют для контроля соединений на листовой стали или тонком металле, Виккерса — на деталях малой толщины и тонких поверхностных слоях, Бринелля — на других типах заготовок. Твердость напрямую определяет пластичность материала, т.е. чем тверже диффузный слой, тем меньше он будет изгибаться.
Особенности механических исследований
Главная особенность состоит в том, что механические исследования — это разрушающие методы контроля. Т.е. в большинстве случаев исследуемые образцы разрушаются или повреждаются. Но если разрушение — не лучший вариант в определенном случае, приходится выбирать другие методы испытания.
В помещении, где проводятся эксперименты, должен поддерживаться один температурный режим. Данные, полученные в ходе проверки, обязательно фиксируются.
Для получения максимально точных результатов проверяют несколько образцов из одной партии. Вполне вероятно, что результаты будут различаться. Тогда из полученных показателей выводится среднее значение — это и будет самый точный результат.
Механические испытания целесообразно применять при серийном выпуске деталей, когда из каждого тиража берут количество изделий, регламентированное стандартами, и проводят исследования. Только по одному образцу выдать корректное заключение не получится. Если изделие единичное, для него стоит использовать неразрушающие методы контроля.
Результаты испытаний зависят от разных факторов. Это и первоначальное состояние заготовок, и наличие дефектов в металле. Поэтому перед определением технических характеристик нужно провести дефектоскопию сварных соединений, например, ультразвуковой контроль.
- Скориченко, «Доисторическая M.» (СПб., 1996); его же, «Гигиена в доисторические времена» (СПб., 1996).
- Haeser, «Handbuch der Gesch. d. Medicin».
- Guardia, «La Médecine à travers les âges».
- https://svarkaved.ru/tekhnologii/shvy-i-soedineniya/kak-rasschitat-prochnost-svarnogo-shva.
- https://razvitie-pu.ru/?page_id=1929.
- https://ironcon-lab.ru/articles/mehanicheskie-ispytaniya-svarnyh-shvov/.
- ОФС.1.2.1.1.0003.15 Спектрофотометрия в ультрафиолетовой и видимой областях // Государственная фармакопея, XIII изд.
- Debjit B., Rishab B., Darsh G., Parshuram R., Sampath K. P. K. Gastroretentive drug delivery systems- a novel approaches of control drug delivery systems. Research Journal of Science and Technology;10(2): 145–156. DOI: 10.5958/2349-2988.2018.00022.0.
- Renouard, «Histoire de la medicine» (П., 1948).
