Прочность сварного шва на разрыв

Прочность сварного шва на разрыв

§ 29. Расчет сварных швов на прочность

При проектировании сварных конструкций прочность их определяется на основании расчетов, которые сводятся к определению напряжений, возникающих в элементах изделия от нагрузок.

Существует два основных метода расчета конструкций: по допускаемым напряжениям и по предельным состояниям.

При расчете конструкций по допускаемым напряжениям условие прочности имеет вид σ[σ], где σ — напряжение в опасном сечении элемента, [σ] — допускаемое напряжение, которое составляет некоторую часть от предела текучести стали:

где n — коэффициент запаса прочности.

Коэффициент запаса прочности имеет различные значения в зависимости от ряда условий (характера нагрузки, толщины листов, марки стали и др.). Например, для обычных строительных конструкций, выполняемых из углеродистой стали обыкновенного качества марки Ст3, допускаемое напряжение составляет [σ]=1600 кгс/см 2 ; для пролетных строений железнодорожных мостов (для той же марки стали) [σ]=1400 кгс/см 2 . Так как предел текучести стали Ст3 σ_т=2400 кгс/см 2 , то коэффициент запаса прочности для первого случая будет:

для второго случая:

Для металлов, не обладающих выраженным пределом текучести, запас прочности определяют из отношения предела прочности разрыву σ_п к допускаемому напряжению [σ]. В этом случае коэффициент запаса прочности обычно составляет.

В случае действия осевых нагрузок напряжения вычисляют по формуле

где P — осевое усилие, кгс; F — площадь поперечного сечения элемента, см 2 .

Способ расчета по допускаемым напряжениям прост. Однако определение допускаемых напряжений [σ] или коэффициента запаса прочности и производится упрощенно, без точного учета большого количества условий работы конструкции.

Более точным методом расчета конструкций, учитывающим условия работы, однородность материала конструкции и др., является метод расчета по предельным состояниям. Первый метод применяется в машиностроении, второй — при проектировании всех строительных конструкций.

При расчете конструкции по предельному состоянию условие прочности записывается в виде:

где N — расчетное усилие, кгс; F — площадь сечения, см 2 ; R — расчетное сопротивление материала, кгс/см 2 ; m — коэффициент условий работы, который учитывает степень ответственности конструкции, возможность дополнительных деформаций при эксплуатации, жесткость узлов.

Расчетные сопротивления металла стыковых швов R св _с устанавливаются Строительными нормами и правилами (СНиП) Госстроя СССР. По этим нормам для стыковых швов, выполненных ручной и полуавтоматической сваркой на стали Ст3, расчетное сопротивление R св _с при растяжении равно (при условии применения обычных способов контроля швов — наружный осмотр и обмер швов) R св _с=1800 кгс/см 2 ; при более сложных и точных способах контроля (рентгено- и гаммаграфия, ультразвуковая и магнитографическая дефектоскопия) — R св _с=2100 кгс/см 2 ; при срезе — Rсвс=1300 кгс/см 2 .

При выполнении указанными видами сварки угловых швов на стали Ст3 при всех способах контроля величина расчетного сопротивления при растяжении, сжатии и срезе принимается R св _у=1500 кгс/см 2 .

Стыковые швы на прочность рассчитываются по формуле

где N — расчетная продольная сила, действующая на соединение, кгс; R св _с — расчетное сопротивление сварного стыкового соединения растяжению или сжатию, кгс/см 2 ; δ — толщина металла в расчетном сечении, см; l — длина шва, см.

Рис. 43. Нагрузки на сварные швы: а — стыковой, б — угловой лобовой, в — угловой фланговый

Максимальное усилие N для угловых лобовых швов рассчитывают по формуле

где K — катет шва, см; l — длина шва, см; R св _с — расчетное сопротивление срезу, кгс/см 2 .

Коэффициент 0,7 показывает, что расчет ведется из предположения разрушения шва по гипотенузе прямоугольного треугольника (форма сечения углового шва).

Максимальное усилие N для угловых фланговых швов рассчитывается по формуле

Примеры. 1. Определить расчетное усилие в стыковом соединении, выполненном ручной сваркой с учетом обычных способов контроля, если δ=1 см, l= 20 см и R св _с=1800 кгс/см> 2 (рис. 43, а). N=1⋅20⋅1800=36000 кгс.

2. Определить расчетное усилие в стыковом соединении, выполненном ручной или полуавтоматической сваркой с учетом точных способов контроля, если 5δ=1 см, l=20 см, N=1⋅20⋅2100=42 000 кгс.

3. Определить расчетное усилие в нахлесточном соединении с лобовым швом, если K=1 см, l=20 см (рис. 43, б). N=0,7⋅1⋅20⋅1 500=21 000 кгс.

4. Определить расчетное усилие в нахлесточном соединении с двумя фланговыми швами, если K=1 см, l=10 см (рис. 43, в). N=2⋅0,7⋅1⋅10⋅1500=21 000 кгс.

1. Назовите основные виды сварных соединений, преимущества и недостатки каждого из них.

2. Как классифицируются сварные швы?

3. Изобразите условные обозначения некоторых швов сварных соединений.

4. По каким формулам рассчитывают сварные швы на прочность?

По оптимальной цене перчатки нитриловые полный облив на сайте фирмы «Аспект».

Считаем, сколько может выдержать сварочный шов

Максимальная нагрузка шва после сварки электродами

Как известно на сварочный шов возлагаются большие надежды. При сварке различных конструкций, изделий рассчитывают нагрузку на шов и проводят тесты перед серийным выпуском. Тестируют на излом, сжатие, растяжение и усталость металла в различных температурных режимах. Создают условия в которых будет эксплуатация деталей конструкций. Что касается ремонта в различных погодных условиях то проводить различные опыты довольно затруднительно за отсутствие специального оборудования.

В таких случаях наша надежда опирается на умение варить и определенные знания в области электродов и свариваемых металлов. В различных справочниках по сварке можно найти информацию о швах. Так же существует ГОСТ 5264-80 где можно найти нужный нам стык. Это касается простых конструкций из стали, железоникелевых и никелевых сплавов. Трубы свариваются швом совсем по другому ГОСТ 16037-80.

Рассмотрим пример по конструкционной стали. Варить будем электродом МР-3 арсенал.

Максимальное допустимое значение нагрузки 430 МПа. При условии если правильно сварим. Металл возьмем из паспорта Ст3. Его характеристики.

Как видим максимальное значение 490 МПа нагрузки. Толщину возьмем 3мм и будем варить шов как на рисунке.

Теперь рассмотрим само соединение Т6.

Видим что катет превосходит толщину металла примерно на оду третью. Тем самым мы уравниваем максимальное значение нагрузки на шов. В данном примере 490МПа. На видео проведен тест такого соединения.

Практика показывает что сварка выдерживает куда более сильные нагрузки чем сама сталь. Бывает что перегревают свариваемое место и происходит ослабление структуры что приводит к излому. Так как пластичность шва берет на себя часть внутреннего напряжения, то старайтесь варить с отрывом на тонком металле. Сам лично не раз прожигал. Особенно когда кроме диаметра тройки нет ни чего. А варить приходилось сталь 1,5мм в толщину и то в труднодоступных местах.

Что касается трубопровода самое главное отсутствие дефектов в наплавленном металле. Иначе малейшая трещина со временем приводит к аварии. Техника проварки шва ведется непрерывно за исключением смены электродов. Бывают не поворотные стыки и приходится работать с зеркалом. Если трубы под давлением то нагрузка распространяется на стенки трубопровода. Так как структура металла в зоне свари не однородна. Такие места подвергаются растяжению (раздуваются). К примеру зимой часто происходят аварии на трубопроводе по водоснабжению и отоплению.

По этому на вопрос, сколько может выдержать сварочный шов после сварки электродами, мы разобрали на одном примере. Если хотим достичь хороших результатов и не боятся что сварка лопнет по шву то пользуйтесь ГОСТами. Несколько из них я упомянул ранее. Что же касается качества сварки в зимний период это отдельная тема и более сложные требования к техпроцессу.

А если хотите сами рассчитать сколько реально может выдержать шов я даю вам ссылочки на хорошую литературу.

Справочник сварщика стр 353 расчет сварочных соединений на прочность.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Прочность — сварочный шов

Прочность сварочного шва зависит от его размеров и от качества наплавленного металла. [1]

Лучшие результаты по прочности сварочного шва были получены при использовании ролика, когда резонансная частота колебательной системы равна собственной частоте концентратора и преобразователя ( технологические зависимости — прочность сварных соединений от параметров режима сварки рассмотрены в гл. [2]

Отдельные поры практически не влияют на прочность сварочного шва , поэтому такой дефект исправляют путем вырубки и повторной заварки дефектного участка только в том случае, если шов должен быть не только прочным, но и герметичным. [3]

Несмотря на большие успехи сварки и достижения прочности сварочного шва , равной прочности основного металла изделия, заклепочные соединения еще широко применяются при изготовлении и монтаже технологических металлоконструкций, так как в отдельных случаях применение сварки затруднено. [4]

Непровары, особенно по кромкам и между слоями, являются самыми опасными, так как влияют на прочность сварочного шва . Обнаруженные участки с непроваром вырубают до основного металла, зачищают и заваривают вновь. [5]

Прочность на растяжение в сечении трубы, ослабленном проточкой под цементирующее кольцо, не проверяется, так как прочность этого сечения примерно на 10 % выше, чем прочность сварочного шва . [6]

Прочность на растяжение в сечении трубы, ослабленном проточкой под центрирующее кольцо, не проверяется, так как прочность этого сечения примерно на 10 % выше, чем прочность сварочного шва . [7]

Подогревная лента остается в сварочном шве. Прочность сварочного шва на растяжение равна или даже больше прочности полиэтиленовой оболочки. [8]

Электроды для сварки обозначают буквой Э с двухцифровым числом через дефис. Число показывает прочность сварочного шва на растяжение. Электроды для наплавки обозначают буквами ЭН и числом, которое указывает гарантированную твердость наплавленного материала. Каждому типу электродов соответствует несколько их марок, различающихся видом и составом покрытий. Для сварки и наплавки деталей применяют электроды с покрытиями. [9]

Технологические особенности электродуговой наплавки используют в целях ослабления нежелательных сопутствующих явлений, таких как окисление металла, поглощение азота, выгорание легирующих примесей и нагрев материала детали выше температуры фазовых превращений. Эти явления приводят к снижению прочности сварочного шва , нарушению термообработки материала, объемным, структурным и фазовым изменениям и короблению детали. Перемешивание материалов основы и покрытия ухудшает его свойства. [10]

На рис. 75 показано соединение винипластовых труб муфтой, приклеенной и приваренной по торцам. Сварка труб в стык не получила широкого распространения, так как прочность сварочного шва для винипласта составляет 65 — 85 % прочности основного материала. [12]

Непроваром ( рис. 115 г) называется местное несплавление основного металла с наплавленным, а также несплавление между собой слоев шва при многослойной сварке Непровар образуется из-за неправильной подготовки кромок под сварку, недостаточной мощности сварочного пламени, большой скорости сварки, плохой за-чисткп кромок перед сваркой от окалины, шлака, ржавчины, грязи и других загрязнений. Непровары, особенно по кромкам и между слоями, являются самыми опасными, так как влияют на прочность сварочного шва . Обнаруженные участки с непроваром вырубают до основного металла, зачищают и заваривают вновь. [13]

Взаимодействие расплавленного металла в столбе дуги и сварочной ванне с кислородом и азотом воздуха ухудшают химический состав металла. Неуправляемое охлаждение приводит к нежелательным объемным и структурным изменениям, что вызывает, в свою очередь, коробление детали, трещины, нарушение термообработки и снижение прочности сварочного шва . В жидких металлах растворяется водород, который приводит к хрупкости материала. [15]

Расчет на растяжение (сжатие)

Условие прочности сварного соединения (рис.1.1,а)

≤ [σ’]_р , (1.2)

где [σ’]_р – допускаемое напряжение на растяжение для сварного соединения, МПа; s – толщина более тонкой из свариваемых деталей, мм; b – длина шва, мм; F – сила, растягивающая соединяемые детали, Н.

Расчет косого шва (рис. 1.1,б) также производят по формуле (1.2), в которой принимают [σ’]_р = [σ]_р ; [σ]_р – допускаемое напряжение на растяжение для основного материала детали.

Расчет при одновременном воздействии растягивающей нагрузки f и изгибающего момента Ми

Условие прочности сварного соединения (рис. 1.1,в)

σ_max =+ (1.4)

где дополнительно σ_max – наибольшее нормальное напряжение;

W_ос = – осевой момент сопротивления расчетного сечения шва.

Расчет на кручение

Условие прочности сварного соединения (рис. 1.1,г)

τ_max = ≤ [τ‘], (1.5)

где Т – крутящий момент;

[τ‘] – допускаемое напряжение кручения;

W = – полярный момент сопротивления расчетного сечения сварного шва.

1.2. Расчет на прочность соединений с угловыми швами

Как показывает опыт эксплуатации соединений с угловыми швами, их разрушение при любом виде нагружения происходит, как правило, по наименьшему сечению, расположенному в биссекторной плоскости прямого угла поперечного сечения шва. Таким образом, условие прочности углового шва записывается в виде

где τ – расчетное напряжение среза в опасном сечении (биссекторной плоскости) шва;

[τ’] – допускаемое напряжение на срез материала шва.

Площадь биссекторной плоскости шва равна

hl = 0,7kl,

где k – катет шва, l – длина шва.

Расчет на растяжение (сжатие)

Рассмотрим вначале соединения с комбинированными швами (рис. 1.2,в). Комбинированные швы (лобовой и фланговые) рассчитывают на основе принципа распределения нагрузки пропорционально несущей способности отдельных швов. При этом

, (1.7)

Коэффициенты прочности сварных швов

Все коэффициенты прочности сварных соединений принимаются в соответствии с нормами и могут быть выбраны автоматически при нажатии кнопки .

Коэффициент прочности продольного шва на давление, Wl

Коэффициент зависит от расчетной температуры, типа сварки и объема контроля качества сварки .

Также используется для проверки поперечного шва на растяжение-сжатие.

Для норм ASME B31.1 и DL/T 5366-2014: См. 102.4.3. Коэффициент Wl уже включен в свойства сталей приложения А и соответственно учтен в базе данных материалов СТАРТ-ПРОФ. Если используются стандартные материалы, то данный коэффициент следует принимать равным 1. Если используется нестандартный материал, введенный пользователем, то следует задавать Wl в соответствии с таблицей 102.4.3.

Коэффициент прочности поперечного шва на изгиб, Wc

Коэффициент зависит от расчетной температуры, типа стали и способа изготовления трубы .

Коэффициент прочности сварного соединения для тройников и врезок

Коэффициент прочности для тройников (врезок) принимается равным минимальному из следующих трех значений:

Коэффициент прочности продольного сварного шва магистрали

Коэффициент прочности продольного сварного шва ответвления

Коэффициент эффективности продольного сварного шва, E

ASME B31.1: Table 102.4.3 (E factor). Not used for wall thickness check because already included in allowable stress in database. Expansion and sustained allowable stresses Sc and Sh are divided by E

ASME B31.3: Table 302.3.4 (Ej factor). Used for wall thickness check only

ASME B31.4: Table 403.2.1-1 (E factor). Used for wall thickness check only

ASME B31.5: Not used for wall thickness check because already included in allowable stress in database. Expansion and sustained allowable stresses Sc and Sh are divided by E

ASME B31.8: Table 841.1.7-1 (E factor). Used for wall thickness check only

ASME B31.9: Table 902.4.3. Used for wall thickness check only

EN 13480, EN 13941: «Joint Coefficient, Z» p. 4.5

BS PD 8010: «weld joint factor, e», 6.4.3.1

CSA Z662: «Joint Factor, J» 4.3.5.1

ASME B31.12: Appendix IX

DL/T 5366: Table 6.1.2-2. Used for wall thickness check only

GB 50251: ( j factor). Used for wall thickness check only

GB 50253: Used for wall thickness check only

GB 50316: Table 3.2.5 (Ej factor). Used for wall thickness check only

GB/T 20801: Table 3,4 ( F factor). Used for wall thickness check only

Расчет на прочность сварных соединений

В конструкциях из металла зачастую необходимо соединить между собой отдельные детали, для того чтобы это осуществить прибегают к использованию сварных швов. Это один из самых простых и недорогих способов, отличающийся высоким качеством. Параметры у каждого сварного соединения разные, все зависит от используемого металла, его толщины и т.д. Поэтому в каждом отдельном случае необходимо произвести индивидуальный расчет на прочность сварных соединений. Эти вычисления помогут выявить характеристики сварного шва на данный момент.

Общие сведения

Как уже отмечалось, сварные швы являются одними из самых прочных среди существующих неразъемных соединений. Они возникают в результате воздействия сил молекулярного сцепления, которое является результатом сильного нагрева до расплавления деталей в месте их сцепления или нагрева деталей до пластического состояния, посредством механического усилия.

Несмотря на прочность и надежность сварного шва, у подобного соединения выделяется и ряд недочетов: из-за того, что нагревается и охлаждается соединение неравномерно, может наблюдаться остаточное напряжение. Помимо этого, в процессе сварки могут образовываться некоторые дефекты, например, трещины или непровары. Все это негативно сказывается на прочности сварных соединений.

Первоначальный расчет сварных швов на прочность производят на этапе составления проекта. Этому моменту стоит уделить особое внимание, поскольку важно выбрать материалы, которые будут надежными и прочными и смогут выдержать определенные нагрузки.

Если произвести верный расчет на прочность получившегося шва, то можно определить необходимое количество расходуемого материала.

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: σ_Э ≤ [σ’]_P

Для поиска данных этого параметра ниже представлена таблица.

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.

Рассмотрим примеры.

Если процесс сварки осуществлялся в автоматическом, полуавтоматическом или ручном режиме, то β будет равняться 0,7. Таким образом, получится шов в форме равнобедренного треугольника. В случае, когда процесс сварки происходил в полуавтоматическом режиме, но подход был не один, а несколько (2 или 3), то β уже будет равен 0,8; для такого же случая, но при автоматическом режиме β=0,9, а для автоматической однопроходной сварки — β=1,1. Требуется принимать К [Всего: 2 Средний: 3 /5]