Особливості розрахунку зварних з’єднань

Серед усіх видів з’єднань для металів і неметалів, зварне  з’єднання вважається найміцнішим і надійнішим. Воно реалізується за рахунок молекулярного зчеплення, яке виникає між матеріалами за рахунок дії високої температури. Щоб створити надійну монолітну деталь, важливо правильно зробити розрахунок зварних з’єднань.

Характеристика зварних з’єднань

Існує багато видів зварювання, але найпоширенішою вважається електрична, яка розділяється на контактну і дугову . Саме такими способами найчастіше виконуються з’єднань металів. Щоб вони були максимально якісними, необхідно провести розрахунки з урахуванням особливостей кожного виду з’єднання і розрахувати граничні зусилля на метал.

Стикові скріплення можуть по шву руйнуватися, при неправильній організації зварного шва на відрив. “Правильним” швом вважається той, який має таку ж міцність, як і матеріал, з якого виконані деталі. Найчастіше деформація і розлом металу відбувається в зоні термічної дії. Це ділянка, яка прилягає по шву виробу. Вся річ у тому, що при дії високої температури, виріб втрачає свої первинні механічні властивості. Для цього і необхідно робити розрахунки, щоб враховувати міцність елементу і навантаження, яке він зможе витримати.

Особливість кутових з’єднань і перерізів залежить від якості металу. Основне обчислення робиться по найнебезпечнішому (найменш міцному) перерізу. Кутовий шов здійснюється між двома деталями, які розташовані по відношенню один до одного під кутом 90 градусів. Щоб прорахувати міцність, потрібні дані для обчислення-катет трикутника поперечного перерізу (k) і периметр шва (L) .  Рішення задачі здійснюється по наступній формулі:

A = k sin45*L = 0,7k L.

Для точкового шва необхідно врахувати такі моменти:

• він робиться виключно на зварній плоскій поверхні;
• важливо, щоб на усі точки доводилося рівномірне навантаження;
• у формулі для кутового шва допускається розбіжність напруги зрізу на 10-20%.

Формули розрахунку різних зварних сполук

Внаслідок того, що існує багато різновидів зчеплення металу, для кожного з них індивідуально робиться розрахунок зварних з’єднань. По розташуванню зварюваних деталей розрізняють наступні типи:

• стикові, в яких деталі з’єднуються торцями по відношенню один до одного. Тобто, в результаті одна частина стає продовженням другої. Таке зчеплення вважається найраціональнішим і при поданні зусиль має найменшу концентрацію напруги. Вони виконуються двома способами-з прямим і з косим швом;
• кутові-це ті, при яких деталі під час варення розташовуються під кутом, тобто перпендикулярно один до одного;
• нахлесточные з’єднання характеризуються положенням деталей, при якому один елемент трохи знаходить на другий. Така технологія часто застосовується для зварювання деталей з металу, завтовшки не більше 5 міліметрів. Нахльостування робиться з метою зміцнення майбутнього шва;
• таврові скріплення трохи схожі на кутові. Тут теж деталі розташовуються перпендикулярно, але при цьому скріплюються саме торцями.

Кожне з них розділяється ще на декілька підвидів, залежно від яких і робиться розрахунок зварних з’єднань. Усі ці види варяться кутовими (валиками)  швами.

 

Для розрахунку зварних з’єднань застосовуються загальноприйняті формули. У вільному доступі існує програма, що дозволяє розрахувати будь-які види стиків. Для цього досить ввести усі необхідні параметри.

Основні параметри для розрахунку

Для здійснення розрахунку зварного шва необхідно знати деякі параметри, від яких залежатиме показник міцності отриманого скріплення елементів.

Процес розтягування і стискування обчислюється за цією формулою:

Розглянемо усі показники:

• Вус-це умови роботи. Цей параметр є загальноприйнятим і вказується в таблицях стандартних показників для обчислень кутового шва;
• Ru-цей опір, який характеризується якістю металу. Воно вказане в спеціальних таблицях;
• Ry-опір матеріалу, згідно з межею плинності, визначається по таблицях;
• Rwy-опір, що визначається відповідно до існуючої межі міцності, натомість “Rwy” дозволяється застосовувати “Rwu/γu”;
• N-це показник максимального навантаження, яке може витримати шов, і розрахунок безпосередньо від нього залежить.
• t-товщина матеріалу, з якого виготовлена зварювана деталь;
• lw-максимальна тривалість усього шва, її зменшують на значення 2t;

При варенні деталей і конструкцій з різного матеріалу, Ry  і Ru при зварюванні різних металів визначається по металу з найменшою міцністю. Розрахунок зварного шва на зріз визначається по заготівлях і орієнтування має бути на матеріал з меншою міцністю.

Розрахунковий опір зварного елементу залежить від розтягування в зварювальному шві. Через це в самій доріжці завжди є невеликий ухил, який дозволяє якісно зчепити дві деталі різного металу.

Розрахунок для конструкції з кутовими швами

Для конструкції, в якій передбачені кутові шви, обчислення зварного шва на відрив проводиться трохи по іншій формулі, оскільки слід врахувати силу, яка спрямована до центру тяжіння. При підрахунку, слід вибирати переріз з високою небезпекою. Розрахунок зварного шва на зріз робиться по загальноприйнятій стандартній формулі:

Кожне з представлених значень і  параметрів відіграє важливу роль в якості майбутнього скріплення, незалежно від типу металів :

N-найвище навантаження, що робить максимальний тиск на з’єднання;
Βf, спільно з βz-коефіцієнти, які беруться з таблиці.

Як правило:

βf-0,7;
βz-1;
причому, за визначенням, марка стали значення не має.

Rwf-цей показник вказує на опір зрізу. Він береться з ГОСТовских таблиць;

Rwz-опір на лінії сплаву, значення визначається по таблиці;
з-коефіцієнт робочих умов, визначається згідно з табличними даними;
γwf-0,85 для шва, матеріал якого має нормативний опір рівне 4200 кгс/см²;
γwz-0,85 для будь-якого виду стали;
γwf і γwz береться із спеціальних нормативних таблиць;

kf-товщина майбутнього шва, вимірювана по лінії сплаву;
lw-загальна довжина, занижена на 10 мм.

З’єднання внахлест

Це певна технологія виконання шва, при якій один елемент накладається на інший. Обчислення робиться залежно від положення і типу шва, оскільки внахлест бувають лобові, кутові і флангові шви.

N / (β_z k_f l_w) ≤ R_wz γ_wz γ_c

Розраховуючи міцність доріжки при скріпленні металевих елементів внахлест, використовується мінімальна S перерізу, яка проходить крізь меншу висоту умовного трикутника шва (без урахування напливу). Для ручного зварювання при рівних катетах шва ця висота дорівнює 0,7k_f.

Необхідність розрахунку по перерізу з меншою розрахунковою площею безпосередньо пов’язана з використанням зварювальних матеріалів і з міцністю, що перевищує міцність основного матеріалу елементів, що сполучаються.

При напівавтоматичному і автоматичному виді зварювання провар в самому кутку (при кутовому шві внахлест) виходить набагато глибше, ніж при варенні ручним дуговим методом. За висоту, береться умовний показник β_f k_f чи β_zk_f, приклади якого можна побачити в таблиці.

Помилки при зварному з’єднанні

Якщо зробити неправильний розрахунок кутових зварних швів, тоді при роботі може виникнути ряд помилок і дефектів. Розглянемо найпоширеніші серед них:

• виникнення пір-це ті області, в які потрапляють гази, що виділяються під час плавлення металевого виробу і електроду;
• підрізи-це канави в деталі, що виникають уздовж шва збоку, на його межі;
• непровари-це області, де метал неякісно розплавився і при цьому в з’єднанні з’являються деякі пропуски;
• неметалічні включення є однією з найгрубіших помилок. При цьому в область шва потрапляють шлаки, які не устигають вийти над швом. Якщо це допустити при роботі з тонким металом, то міцність з’єднання не буде якісною і це приведе до виникнення тріщин в майбутньому;
• гарячими тріщинами називають дефект, при якому метал під час плавлення дає тріщину (межкристаллитное руйнування);
• холодні тріщини виникають після охолодження. Вони з’являються в результаті окислення під час плавлення. Саме через це і потрібні гази, які надійно захищають розплавлену металеву масу від попадання кисню.

На завершення хочеться відмітити, що існує безліч різних формул, по яких робиться обчислення для створення якісного шва. Для цього використовуються різні параметри, залежно від виду шва, положення деталей, їх площі, товщини і матеріалу, з якого вони виконані. Окрім цього, слід врахувати граничні зусилля на деталь із зовнішнього середовища (це критичне зусилля, яке сприймає виріб в похилому і просторовому перерізах елементу при певній міцності матеріалу).

Це відео детальніше описує, як правильно зробити розрахунок зварного шва на зріз: