Расчет длины сварных швов

Производительность сварного производства зависит от качества проектной документации и организации труда. Все начинается с определения вида деталей и назначения параметров швов, определяющих прочность: длины, объема наплавленного металла. Каждое предприятие уникально, поэтому нормативных данных недостаточно, их необходимо рассчитывать.

Важный параметр для стыковых сплавов – сечение зоны проварки. Ее размеры и качество должны быть такими, чтобы они были способны выдерживать плановые нагрузки по изгибанию и растяжению. Учитывая многообразие методов сварки и защиты материала, расчеты желательно проводить для каждого спая. Это не только повысит качество, но и позволит снизить себестоимость за счет более рационального использования расходных материалов.

Нормы расхода электродов при сварке листового металла

Стыковая сварка – соединение двух элементов, расположенных в одной плоскости и примыкающих друг к другу торцами. Работы могут проводиться вручную, на полуавтомате или автомате с использованием электричества или газа, с защитой газом или без защиты. Шов может быть короткий (до 25 см), средний (25-100 см), длинный (более 100 см), однослойный или многослойный, одно- или двухсторонний. По расположению в пространстве сочленения бывают горизонтальные, полувертикальные, вертикальные, потолочные.

Исходя из условий эксплуатации, спайка бывает связывающая или рассчитанная на определенные нагрузки. При расчетах нормы расхода электродов и других присадок при сварке листового металла необходимо учесть все эти особенности.

Присадочные материалы и их особенности перечислены в ГОСТ 2246-70. Выпускается 77 видов стальной проволоки с различным химическим составом. Она может использоваться не только для сварки и наплавки, но и для изготовления электродов. Особая разновидность – порошковая проволока. Это трубочка, наполненная шихтой. Доступна так же проволочная присадка для алюминия, титана, меди. Электроды поставляются плавящиеся и не плавящиеся (для поддержки горения).

Нормативы расхода разработаны для множества видов присадок и методов сваривания. Для листовой стали используются 4 вида сварки:

Вес расплава – это масса присадки с вычетом брызг и огарков. Поэтому вес расходного материала – это масса наплавленного металла, умноженная на коэффициент:

Н – рассчитываемый показатель;

Н_т – вес наплавленного металла (кг);

Нормы в таблице установлены в ходе экспериментов для электродов с длиной 45 см при нижнем расположении шва.

Если длина отличается, необходимо применить множитель:

Для других положений следует применить множители:

Если коэффициента в таблице нет, норма расхода рассчитывается по формуле:

К₁ – коэффициент расхода для материала, который используется на производстве;

К₂ – коэффициент по таблице.

Для других методов сварки коэффициенты другие.

Потери (величина коэффициента) полностью зависят от метода сваривания.

Расчет массы электродов от веса наплавленного металла

Это самый простой и распространенный способ расчетов.

Для расчета массы электродов от веса наплавленного металла используется формула:

П- масса присадки (кг);

L – протяженность спая;

G – плотность присадки;

E – соотношение тяжести наплавки к тяжести использованной проволоки.

Значение Е зависит от вида присадки:

Расчет расхода электродов на основе расчета массы наплавленного металла существует и другая формула:

М – вес наплавки, который вычисляется по формуле:

М=площадь (А₁+А₂), умноженная на плотность.

При разработке больших проектов может потребоваться расчет электродов на тонну металла.

Результат зависит от:

Масса наплавки должна быть указана в технологической карте и варьирует в пределах 1-1,5% от массы обрабатываемой конструкции (для тонны это 10-15 кг). Длину швов можно измерить рулеткой. Норма – вес наплавки на одном метре.

Расчет проводится на основе коэффициента или физических характеристик. При использовании первого способа тонну нужно умножить на коэффициент конкретного присадочного материала. При использовании второго способа длина всех швов умножается на площадь поперечного сечения.

При покупке присадок необходимо учесть, что электроды бывают различной длины, массы и диаметра, расходуются не только при сварке, но и для прихватки и правки. Объем расхода во многом зависит и от толщины обрабатываемых металлических элементов (до 12 мм следует прибавить 12%, от 12 мм – 15%).

Расчет длины сварных швов от массы наплавки

Расчет длины сварных швов от массы металла проводится на основе формулы, отражающей соотношение веса наплавки к протяженности спая в один метр:

F – площадь поперечного сечения;

Y – удельная масса присадки.

Полученное число нужно умножить на метры, определенные измерениями.

На производстве необходимо учесть, что точного результата не позволяет получить ни одна формула. Покупать расходный материал все равно нужно с запасом в 5-7%. Снизить затраты дает возможность механизация процессов, позволяющая сэкономить 5-7% на присадке. Особое внимание необходимо уделять напряжению и силе тока. Опытные сварщики знают, что присадка весит примерно 1,5% от веса конструкции и тяжелее наплавки на 2-6%.

Источник

Расчет сварных соединений

СТЫКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С ПРЯМЫМ ШВОМ
(рис. 1, а).

Допускаемая сила для соединения при растяжении

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

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).

СОЕДИНЕНИЕ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
(рис. 3).

Силы, передаваемые на швы 1 и 2, находят из уравнений статики

Необходимая длина швов

ТАВРОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Наиболее простое в технологическом отношении.

Допускаемая сила для растяжения

Наиболее обеспечивающее лучшую передачу сил.

Допускаемая сила для растяжения

СОЕДИНЕНИЕ С НАКЛАДКАМИ

Сечение накладок, обеспечивающее равнопрочность целого сечения (см. рис. 6)

Сечение накладки, обеспечивающее равнопрочность целого сечения (см. рис. 7):

СОЕДИНЕНИЕ С ПРОРЕЗЯМИ

Допускаемая сила, действующая на прорезь

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

СОЕДИНЕНИЕ СТЫКОВОЕ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА

При расчете прочности соединения (см. рис. 9), осуществленного стыковым швом, находящимся под действием изгибающего момента М_и и продольной силы Р, условие прочности

где,
W = Sh&sup2/6;
F = hS.

При расчете прочности соединения (см. рис. 10, а), осуществленного угловым швом, находящимся под действием изгибающего момента М_и и продольной силы Р, расчетные касательные напряжения в шве

где,
W_c = 0,7Kh&sup2/6;
F_c = 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 М_и уравновешивается парой сил в горизонтальных швах и моментом защемления вертикального шва

Если момент М_и 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

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.)

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

3. Эффективный коэффициент концентрации напряжения K_s

Расчетное сечение основного металла	Кs
Вдали от сварных швов	1,00
В месте перехода к стыковому или лобовому шву (металл обработан наждачным кругом)	1,00
В месте перехода к стыковому или лобовому шву (металл обработан строганием)	1,10
В месте перехода к стыковому шву без механической обработки последнего	1,40
В месте перехода к лобовому шву без обработки последнего, но с плавным переходом при ручной сварке	2,00
В месте перехода к лобовому шву при наличии выпуклого валика и небольшого подреза	3,00
В месте перехода к продольным (фланговым) швам у концов последних	3,00

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 [σ_p] = 140 МПа. Площадь профиля уголка 1920 мм&sup2 («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

Требуемая длина швов (при К =10 мм) в нахлесточном соединении согласно расчету к рис. 11а.

Пример 2. Определить длину l швов, прикрепляющих швеллер №20а. нагруженный на конце моментом М = 2,4×10 7 Н·мм (рис. 11. б). Материал сталь Ст2. Электроды Э42.

В табл. 2 для стали Ст2 находим допускаемое напряжение [σ_p] = 140 МПа. Допускаемое напряжение при срезе, согласно табл. 1, в сварном шве

Момент сопротивления сечения швеллера W = 1,67 x 10 5 мм&sup3 (из ГОСТа)

&#963 = 2,4×10 7 / 1,67×10 5 = 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:

Механические свойства металла шва,
наплавленного металла и сварного соединения при нормальной температуре (по ГОСТ 9467-75)

Типы электродов	Металл шва или наплавленный металл			Сварное соединение, выполненное электродами диаметром менее 3 мм
	Временное сопротивление разрыву σв, МПа (кгс/мм&sup2)	Относительное удлинение δ5, %	Ударная вязкость KCU, Дж/см&sup2 (кгс·м/см&sup2)	Временное сопротивление разрыву σв, МПа (кгс/мм&sup2)	Угол загиба, градусы
	не менее
Э38	380 (38)	14	28 (3)	380 (38)	60
Э42	420 (42)	18	78 (8)	420 (42)	150
Э46	460 (46)	18	78 (8)	460(46)	150
Э50	500 (50)	16	69 (7)	500 (50)	120
Э42А	420 (42)	22	148 (15)	420 (42)	180
Э46А	460 (46)	22	138 (14)	460 (46)	180
Э50А	500 (50)	20	129 (13)	500 (50)	150
Э55	550 (55)	20	118 (12)	550 (55)	150
Э60	600 (60)	18	98 (10)	600 (60)	120
Э70	700 (70)	14	59 (6)	—	—
Э85	850 (85)	12	49 (5)	—	—
Э100	1000 (100)	10	49 (5)	—	—
Э125	1250 (125)	8	38 (4)	—	—
Э150	1500 (150)	6	38 (4)	—	—

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)

Тип	Марка	Твердость без термообработки после наплавки HRC	Область применения
Э-10Г2 Э-11Г3 Э-12Г4 Э-15Г5 Э-30Г2ХМ	ОЗН-250У O3H-300У ОЗН-350У ОЗН-400У НР-70	22,0-30,0 29,5-37,0 36,5-42,0 41,5-45,5 32,5-42,5	Наплавка деталей, работающих в условиях интенсивных ударных нагрузок (осей, валов автосцепок, железнодорожных крестовин, рельсов и др.)
Э-65Х11Н3 Э-65Х25Г13Н3	ОМГ-Н ЦНИИН-4	27,0-35,0 25,0-37,0	Наплавка изношенных деталей из высокомарганцовистых сталей типов Г13 Г13Л
Э-95Х7Г5С Э-30Х5В2Г2СМ	12АН/ЛИВТ ТКЗ-Н	27,0-34,0 51,0-61,0	Наплавка деталей, работающих в условиях интенсивных ударных нагрузок с абразивным изнашиванием
Э-80Х4С Э-320Х23С2ГТР Э-320Х25С2ГР Э-350Х26Г2Р2СТ	13КН/ЛИВТ Т-620 Т-590 Х-5	57,0-63,0 56,0-63,0 58,0-64,0 59,0-64,0	Наплавка деталей, работающих в условиях преимущественно абразивного изнашивания
Э-300Х28Н4С4 Э-225Х10Г10С Э-110Х14В13Ф2 Э-175Б8Х6СТ	ЦС-1 ЦН-11 ВСН-6 ЦН-16	49,0-55,5 41,5-51,5 51,0-56,5 53,0-58,5	Наплавка деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания ударными нагрузками

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:

Подробную классификацию покрытых электродов и область применения смотри здесь.

Источник

Как посчитать длину сварного шва

Расчет сварных соединений, выполненных стыковым швом. Расчет стыкового шва, работающего на растяжение или сжатие, производится по уравнению:

,

Допустимая растягивающая или сжимающая сила:

Расчет стыкового шва, работающего на изгиб осуществляется по формуле:

Напряжения, возникающие от изгибания момента М и растягивающей или сжимающей силы Р, определяются из выражения:

Расчет сварных соединений внахлестку. Сварные соединения внахлестку выполняются угловыми швами. Расчет угловых швов всех типов унифицирован и производится по единым формулам. Напряжение, среза определяется из уравнения

,

Допустимая (сдвигающая) нагрузка:

При нагружении простого углового шва только моментом условие прочности шва на изгиб запишется так:

,

При нагружении простого углового шва моментом М и продольной силой Р (рис 48, а) напряжение на срез составит

,

Комбинированные сварные швы применяются в том случае, селя про стой угловой шов (лобовой, косой, фланго вый) не обеспечивает необходимую прочность сварного соединения (рис. 49).

Условие прочности комбинированных швов, нагруженных моментом в плоскости стыка, при приближенном расчете выразится уравнением

а при уточненном расчете

,

Рис.50. Схема к расчету комбинированного сварного соединения при сложном нагружении

Условие прочности комбинированных швов, нагруженных моментом М и сдвигающей силой Р в плоскости стыка (рис. 50), записывается следующим образом:

,

где ;

,— длины флангового и лобового швов

Расчет пробочных, прорезных и проплавных соединений и соединений втавр. Прочность пробочных, прорезных и проплавных соединений, работающих обычно на срез, определяется формулой

При выполнении соединений втавр без подготовки кромки соединяемых элементов допускаемая растягивающая нагрузка

допускаемая сжимающая нагрузка

При выполнении соединений с подготовкой кромок или автоматической сваркой с глубоким проплавом металла соединяемых элементов

Рис. 51. Соединение в тавр Рис. 52. Схема к расчету таврового

без разделки кромок соединения

Условие прочности соединения втавр, выполненного стыковым швом при действии растягивающей силы Р и момента (рис. 51) запишется так:

при выполнении угловым швом

Условие прочности соединения втавр, нагруженного крутящим и изгибающим моментами (рис. 52)

Расчет соединений, выполненных контактной сваркой. При выполнении соединения стыковым швом расчетное сечение принимается равным сечению свариваемых элементов. При статической нагрузке стык принимают равнопрочным цельному металлу и поэтому на прочность не проверяется.

Прочность соединений точечной сваркой, работающей в основном на срез (рис. 53),

,

Прочность соединений линейной сваркой (рис. 54)

,

Прочность сварного шва встык оценивается коэффициентом прочности φ,

Рис.53 Соединение точечной сваркой

Рис. 54 Соединение роликовой сваркой

т. е. отношением допускаемого напряжения сварного шва к допускаемому напряжению основного металла ,

Расчетные значения коэффициентов прочности φ стыковых швов следующие:

— двусторонний, выполненный вручную с неполным проваром (в зависимости

Расчету сварных котлов и других сосудов высокого давления. Расчет, сводится к определению толщины стенки s. Прочность сварных швов обеспечивается введением коэффициента прочности швов φ2

,

Таблица 7.1. Допускаемые напряжения в швах сварных соединений

Вид сварки

Допускаемые напряжения на

растяжение

сжатие

срез

Автоматическая под флюсом и ручная электродами Э42А и Э50А. Контактная стыковая

Ручная дуговая электродами Э42 и Э50. Газовая сварка

Допускаемые напряжения основного металла при переменных нагрузках определяются умножением допускаемых напряжений для основного металла при статических нагрузках на коэффициент:

,

;

где эффективный коэффициент концентрации напряжений (табл. 7.2, 7.3, 7.4).

Таблица 7.2. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений

Элементы соединений

низкоуглеродистая сталь

легированная сталь

То же, двусторонние с плавными переходами

То же, с механической обработкой

Приварка ребра, перпендикулярного силе

Лобовые швы (соединение с двумя накладками)

То же, с отношением катетов швов 2:1

Комбинированные фланговые и лобовые швы (соединение с двумя накладками)

Источник