Определение площадей поперечного сечения сварных швов

Сварка является самым простым из всех существующих сегодня способов соединения металлических заготовок. Технология дает возможность получать прочные и надежные соединения. Она востребована в создании металлоконструкций разного уровня сложности, в укладке трубопроводов, строительстве, машиностроении и других отраслях. Характеристики сварных соединений зависят от множества факторов. Наиболее значимые из них: толщина заготовок, условия выполнения работ, расходные материалы, оборудование, состав металла. Чтобы предварительно определить, насколько прочным получится соединение, нужно расчет сварного шва.

Он делается, как правило, в процессе проектирования и позволяет правильно выбрать материалы для выполнения конкретного вида операций. Предварительные вычисления необходимы для того, чтобы добиться нужного запаса прочности конструкции. Таким образом достигается нужная степень надежности готовых изделий.

Методика расчета

Существуют разные варианты сцепления металла. Расчет сварных соединений для каждого из них выполняется отдельно. В зависимости от пространственного расположения свариваемых деталей различаются и сварные соединения. Соответственно они могут быть:

• угловыми. Соединяемые заготовки одна по отношению к другой располагаются перпендикулярно. Чтобы конструкция получилась максимально прочной, следует определить предельные усилия, которые будут воздействовать на швы;
• стыковыми. Заготовки располагаются в одной плоскости таким образом, что одна из них является продолжением другой. Свариваются торцы деталей. Такой вариант соединения принято считать оптимальным, так как он характеризуется минимальными показателями напряженности на стыке. Шов может быть косым или прямым;
• внахлест. Плоскости соединяемых заготовок перекрывают одна другую. Такая технология лучше всего подходит для соединения деталей, толщина стенок которых не превышает 5 мм. Также метод используется в ситуациях, если требуется укрепить сварной шов;
• тавровым сварочным швом. Внешним видом очень похожи на угловые. Детали по отношению одна к другой тоже располагаются под углом в 90 градусов, но соединяются торцами. Такие виды стыков достаточно востребованы и часто используются. Среди основных достоинств методы – простота исполнения, надежность и экономичность. К тому же, используя специально разработанные методические указания, по тавровому соединению несложно выполнить расчеты с безупречной точностью.

Итак, пришло время детально рассмотреть методику расчета сварного шва. Специалисты вывели специальные формулы, которые упрощают выполнение необходимых вычислений. Помимо этого, в сети Интернет есть специальные программы. Они находятся в свободном доступе. От пользователя требуется только ввести нужные параметры, чтобы получить точный результат.

Расход на тонну металлоконструкции

На практике нередко нужен расход электродов на 1 тонну металлоконструкций при этом калькулятор онлайн может оказаться недоступен.
Крайне приблизительно ее можно принять, как 0,9 — 1,2% массы изделия. Более точные данные нам даст таблица 1 (см. выше).

Достаточно точные данные получают расчетом. Для этого, необходимо посчитать все сварные швы конструкции, а затем воспользоваться формулой, приведенной ранее (1).

Но самый надежный метод — по фактическим затратам. Он применим, когда выполняется изготовление серии однотипных сварных изделий.

При этом, самое первое изделие изготавливают, максимально соблюдая технологические нормы:

• оптимальный сварочный ток;
• диаметр электрода;
• подготовку места сварки, включая снятие фаски под нужным углом.

Одновременно ведут точный учет расхода стержней (или проволоки). Полученные данные делят на вес конструкции и соотношение используют далее, как эталон.

Исходные параметры для вычислений

Чтобы при расчете погрешность исключить или хотя бы свести к минимуму, нужно определиться с параметрами, которые окажут влияние на прочность стыка. Процесс сжатия и растяжения металла рассчитывается при помощи формулы

где:

• Yс – коэффициент, отражающий условия, которые преобладают на рабочем месте. Данный показатель общепринят и отражен в справочных таблицах. Достаточно найти нужный показатель и подставить его в формулу;
• Rу – индекс, обозначающий сопротивление металла с учетом предела его текучести. Отражен в справочных материалах сварщика;
• Ru – еще один показатель сопротивления металла, который несложно найти в таблицах;
• N – максимально допустимая нагрузка на сварочный шов;
• T – наименьшая толщина стенок свариваемых заготовок;
• Максимальная длина сварного стыка. При вычислениях данный параметр следует уменьшить на 2t;
• Rwу – сопротивление, зависящее от предела прочности соединения.

Когда сваривать приходится разные металлы, то значения Ru и Ry берутся того материала, прочность которого меньше. точно так же поступают и в случаях, когда выполняются расчеты сварочного шва на срез.

Проектирование металлоконструкций осуществляется с учетом требований по безопасности сварного соединения, его способности выдерживать определенный уровень нагрузок стабильности соединенных с их помощью элементов. В случаях, когда для создания металлоконструкции необходимо наложить несколько сварных соединений, то важно грамотно их расположить. Важно, чтобы нагрузка при сварке была распределена равномерно между всеми стыками.

Определить параметры можно путем математических вычислений. В случае, когда полученный результат будет неудовлетворительным, то в конструктив следует внести изменения и рассчитать снова.

Геометрические характеристики

Как уже было сказано выше, геометрия швов зависит от вида соединения. Основные геометрические размеры сечений стыковых и угловых сварочных швов представлены на следующем рисунке:

• где S – толщина деталей;
• е – ширина сварного шва;
• g – выпуклость;
• m – вогнутость;
• h – глубина проплавления;
• t – толщина сварного шва;
• b – зазор в соединении;
• k – катет углового шва;
• p – высота;
• a – толщина.

На геометрические размеры влияет тип соединения и толщина свариваемых изделий. Эти показатели приведены в следующей таблице.

Таблица с типами сварных соединений

Из представленной информации понятно, что все геометрические размеры сварных швов и соединяемых деталей связаны между собой. Особняком стоит длина этих элементов сварных конструкций. Она зависит только от нагрузки на соединение и совершенно не зависит от геометрии сечения шва. Минимальная длина сварного шва должна обеспечивать прочность соединения, при превышении максимального значения общей нагрузки на 20%. Часто проварка изделий осуществляется по всей длине контакта, но во многих случаях сварка выполняется короткими отрезками, обеспечивающими необходимую прочность соединения. Для строительных конструкций расчет длины сварного шва по СНиП II-23-81 осуществляется исходя из этих критерий.

Расчет геометрии стыкового шва

Методика проверки швов для этого вида полностью расписана в следующих нормативных документах: СНиП II-23-81 п.11.1 и СП 16.13330.2011 п.14.1.14. В этих документах представлены разные способы расчета, но все они являются производными от следующей математической формулы:

Формула расчета геометрии стыкового шва

• где N – максимальная сила растяжения или сжатия;
• t – минимальная толщина свариваемых деталей;
• lw – длина шва;
• Rwy – сопротивление нагрузке;
• γс – табличный коэффициент.

При таком виде соединения оно проваривается на всю длину контакта, следовательно длина шва равна длине стыков свариваемых деталей, уменьшенной на 2t, удвоенную толщину металла. Ширина шва зависит от формы разделки кромок и толщины деталей. Схемы расчетных варианты соединений встык показаны на следующих рисунках.

Расчет изделий с угловым стыком

Определение допустимой длины сварного соединения на отрыв выполняется с учетом силы, направленной к центру тяжести. При подсчетах такого рода выбирается сечение с высокой степенью опасности. Показатели рассчитываются по формуле:

Каждый из показателей формулы влияет на прочностные характеристики шва, вне зависимости от вида свариваемых металлов. Условные обозначения:

• N – максимальное значение силы, которая оказывает давление на стык;
• ßf, ßz – коэффициенты, которые берутся в справочных таблицах и не зависят от типа свариваемых металлов. В большинстве своем ßz = 1, а ßf = 0,7;
• Rwf – показатель, отражающий сопротивление срезу. Определен справочными материалами. Проще всего найти в таблицах ГОСТа;
• Rwz – сопротивление по линии стыка. Значения берутся из справочной таблицы;
• Ywf – коэффициент, зависящий от сопротивления материала. К примеру, если для металла этот показатель составляет 4200 кгс/см², то поправочный коэффициент составит 0,85;
• С – еще один коэффициент, обозначающий условия рабочей среды. Как и большинство значений, определяется по справочным таблицам;
• Kf – толщина сварного шва по линии сплавления;
• Lw – общая длина стыка, уменьшенная на 10 мм.

Влияние скорости и режима сварки

Существует зависимость конфигурации поперечного сечения шва от параметров процесса:

1. С увеличением силы тока при неизменном напряжении возрастает температура, поэтому глубина провара становится большей. Но при избыточном ампераже возможно прожигание металла.
2. Рост напряжения при постоянной силе тока приводит к увеличению катета. При избытке возможен непровар.
3. При увеличении скорости движения электрода снижается температура нагрева металла. Уменьшаются ширина шва и глубина провара. При скорости свыше 50 м/ч недостаток температуры приводит к образованию дефектов, делающих шов непрочным.
4. Вязкость материала электрода влияет на форму усиления. Чем она выше, тем более выпуклой становится наплавка.

Рекомендуем к прочтению Как на чертежах изображают сварные швы

Режим сварки подбирают по заготовке с наименьшей толщиной, чтобы не прожечь ее.

Расчет стыков, выполненных внахлест

При вычислениях важно учесть пространственное положение и тип сварного соединения. Ведь при сваривании внахлест стыки могут быть и угловыми, и фланговыми, и лобовыми. Расчеты дают возможность получить данные по минимально допустимой площади сечения и проектной прочности линии соприкосновения. При вычислении площади сварного соединения за основу принимается наименьшая высота условного треугольного стыка. Для ручной сварки при условии, что катеты равны, данный коэффициент будет составлять 0,7.

Если сварочные работы выполняются автоматическими или полуавтоматическими аппаратами, то глубина прогрева материала будет большей. Поэтому показатели следует брать в справочных таблицах.

Длина сварочного шва в зависимости от массы металла

Длина сварного соединения определяется по формуле, определяющей соотношение массы наплава на один метр стыка: L = G/F × Y, где

• L – длина самого шва;
• G – вес наплава;
• F – площадь сечения;
• Y – удельный вес присадочного материала.

В результате вычислений будет получен коэффициент, который следует умножить на длину катета сварного шва.

Чтобы вычисления выполнять правильно, следует попрактиковаться. Важно понимать, что точный результат не дает возможности получить ни одна формула. Поэтому приобретать расходные материалы желательно с небольшим запасом. Это примерно 5-7% от общего количества. Правда, иногда получается и сэкономить присадку. Но такое случается нечасто и к тому же при условии, что у сварщика за плечами большой опыт выполнения аналогичной работы.

Порядок расчета сварных стыков

Чтобы вычислить нагрузку, которую сможет выдержать сварное соединение, следует внимательно отобрать исходные данные. Предотвратить или хотя бы минимизировать вероятность ошибки при вычислениях можно при условии соблюдения алгоритма работы:

1. Максимально точно определить размеры, форму и пространственное расположение сварного соединения.
2. Опасное сечение необходимо повернуть в сторону контактируемой со сварным стыком площади. Этот прием актуален в случаях, когда плоскость стыка на исследуемой конструкции не соответствует проектному сечению. После поворота образуется новое расчетное сечение с более благоприятными параметрами.
3. После этого вычисляется новый центр масс, который образовался в результате поворота сечения.
4. Следующим шагом станет перемещение внешней нагрузки в предопределенный центр масс.
5. Настало время определить расчетное значение нагрузок, которые воздействуют на сечение. А именно – крутящего и изгибающего момента, усилий поперечной и продольной направленности.

1. После того, как найден модуль напряжения, следует определить точку, на которую воздействуют самые высокие нагрузки. Именно в такой точке все внешние силы работают одновременно, что дает возможность определить их суммарное значение. Это тот максимум, который будет воздействовать на сечение.
2. Определяется максимально допустимое усилие, которое может воздействовать на шов без каких-либо последствий: деформации, разрушения и т.п.
3. На завершающем этапе сравниваются показатели допустимого и максимального фактического значений. В результате определяется расчетное сопротивление сварочного шва и его оптимальные размеры, которые необходимы для сопротивляемости нагрузкам.

Только так можно рассчитывать на полноценную и безопасную эксплуатацию будущей металлоконструкции. Для контроля можно выполнить проверочные расчеты. Желательно, чтобы ими занялся другой специалист, что повышает объективность полученного результата.

Прочность сварного шва будет достоверной и соответствующей расчетам только в том случае, если соблюдаются технология формирования соединений. Тем не менее стыки рассчитывать следует в любом случае. Только точно установленные параметры и векторы нагрузок обеспечивают прочное и надежное сварное соединение.

Дефекты, возникающие в результате неправильных расчетов

Прежде всего, нужно твердо усвоить, что теоретический расчет угловых, тавровых, нахлесточных или стыковых швов и практическая надежность, равно как и срок службы металлоконструкции являются звеньями одной цепи. Эти факторы тесно взаимосвязаны между собой. К примеру, если вычисления сделать кое-как или же проигнорировать вовсе, то последствием подобного шага станет кратное увеличения риска образования дефектов сварного соединения. Как результат – снижение срока службы, надежности или функциональности металлоконструкции.

Наиболее часто возникают дефекты такого характера:

• подрезы. Они представляют собой канавки, которые образуются по линии соединения или возле нее. Приводят к быстрому разрушению стыка;
• поры. Визуально заметить их невозможно (кроме поверхностных). Образуются из-за проникновения газов, которые являются побочным продуктом плавления металла и электрода;
• непровары. Результат недостаточного прогрева стали, вследствие чего на стыке образуются пробелы;
• сторонние включения. Очень опасная ошибка, которая приводит к существенному снижению прочности сварного шва. Со временем в месте содержания примесей возникают трещины;
• горячие или холодные трещины. первый тип дефекта образуется в результате нарушения технологии выполнения сварочных работ. Самый простой пример – неправильный подбор расходных материалов. Холодная трещина является результатом окисления металла и возникает после его остывания.

Вычисления по формулам помогают избежать брака в работе. Они позволяют создавать качественные сварные соединения, выдерживающие большие нагрузки во время эксплуатации металлических конструкций.

Калькуляторы сварочных швов

Необходимые расчеты можно выполнить, не имея на то каких-либо навыков. Для этого существуют специализированные калькуляторы, позволяющие вычислить параметры стыковых, точечных или угловых соединений; рассчитать оптимальную длину сварного шва. С помощью такого калькулятора несложно проверить все существующие сегодня стыки с разными силовыми нагрузками и направленностью прилагаемых усилий.

Математические расчеты помогут выбрать оптимальный для конкретной конструкции тип и размер сварного шва, точно определиться с металлом и расходными материалами. При помощи расчетов можно безошибочно определить геометрию сварного соединения и проверить степень его прочности.

Не рекомендуется для точечных соединений, электрозаклепок и стыков с разделкой кромок использовать значения усталостной нагрузки. Расчет для таких видов швов не поддерживается и полученные результаты будут весьма приблизительными. Еще следует иметь ввиду, что при вычислениях не принимаются во внимание изменения характеристик металлических заготовок, которые имеют место в результате изменения температуры и возникновения остаточных напряжений.

Нормативные документы

Основными документом, регламентирующими геометрию сварочных швов является ГОСТ 5264-80, по которому и рассчитываются главные геометрические характеристики, с использованием математических формул. Размеры сечения и длинны по ГОСТ 5264-80 зависят от вида соединения, толщины деталей конструкции, геометрии обработки торцевых кромок. Кроме того при расчете геометрических параметров сварочных соединений учитываются и другие нормативные документы: СНиП II-23-81, инструкции и технические регламенты. Среди всех геометрических характеристик сварных швов основными являются минимальная длина, ширина, глубина, размер катета и некоторые другие.