Коэффициент проплавления по металлу шва

Обновлено: 06.05.2024

Расчетные сопротивления сварных соединений R_wf – при расчете по металлу шва и R_wz – при расчете по металлу границы сплавления (см. табл. 2.3, 2.6 и 2.7).

Коэффициент условий работы конструкции γ_с = 1,0 (см. табл. 1.3). Коэффициенты условий работы шва и , равные 1,0 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах Ι₁, Ι₂, ΙΙ₂ и ΙΙ₃, для которых γ_wf = 0,85 для металла шва с нормативным сопротивлением

R_{wun =} 410 МПа и γ_wz = 0,85 – для всех сталей.

Пример 10.4.Рассчитать прикрепление внахлестку, выполненное ручной сваркой, растянутого элемента из полосовой стали класса С275 сечением 250×10 мм к листу толщиной 12 мм. Определить наименьшую длину нахлестки при условии равнопрочности элемента и его прикрепления лобовым и двумя фланговыми швами (рис. 10.29).

Рис. 10.29.Сварной стык внахлестку

Определяем предельное усилие, воспринимаемое элементом. Расчетное сопротивление листового проката из стали С275 толщиной свыше 10 мм R_y = 260 МПа = 26 кН/см 2 , нормативное сопротивление – R_un = 380 МПа = = 38 кН/см 2 (см. табл. 2.3).

Предельное усилие, которое может выдержать прикрепляемый лист:

N = R_y b t = 26 · 25 · 1 = 650 кН.

Принимаем катет шва равным толщине привариваемого элемента

Выбираем сварочные материалы (см. табл. 2.5).

Электроды типа Э46. Расчетные сопротивления: а) при расчете по металлу шва R_wf = 200 МПа = 20 кН/см 2 ; б) при расчете по металлу границы сплавления R_wz = 0,45R_un = 0,45 · 380 = 171 МПа = 17,1 кН/см 2 .

Коэффициенты проплавления (см. табл. 10.19): β_f = 0,7; β_z = 1,0.

Коэффициенты условий работы шва γ_wf = γ_wz = 1,0.

Расчет производим по металлу сварного шва.

Определяем усилие, воспринимаемое одним лобовым швом с расчетной длиной l_w,л = b – 1 = 25 – 1 = 24 см:

Определяем усилие, приходящееся на каждый из фланговых швов:

N_ф = (N – N_л) / 2 = (675 – 336) / 2 = 169,5 кН.

Вычисляем расчетную длину флангового шва:

Длина нахлестки (с учетом дефектов в начале и конце шва)

l = l_w,ф + 1 = 13 + 1 = 14 см, что больше 5t_min = 5 · 1 = 5 см и меньше l_w,max = 85 β_f k_f = 85 · 0,7 · 1 = 59,5 см.

Нахлесточные соединения, работающие на чистый изгиб (рис. 10.30). Расчет сварных нахлесточных соединений с угловыми швами на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, производится по двум сечения по формулам:

– по металлу границы сплавления

где W_f = β_f k_f l_w 2 / 6 – момент сопротивления расчетного сечения по металлу шва;

W_z = β_zk_f l_w 2 / 6 – то же по металлу границы сплавления.

Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента в плоскости расположения этих швов производится в предположении, что напряжения σ_w распределяются по продольному расчетному сечению шва неравномерно, достигая максимума в точках, наиболее удаленных от центра тяжести сечения (рис. 10.30, точка А):

где М – расчетный изгибающий момент, действующий в соединении;

I_fx = β_f k_f l_w 3 / 12 и I_fy = (β_f k_f) 3 l_w / 12 – моменты инерции расчетного сечения относительно его главных осей x-x и y-y по металлу шва;

I_zx = β_z k_f l_w 3 / 12 и I_zy = (β_z k_f) 3 l_w / 12 – то же по металлу границы сплавления;

x = β_f k_f / 2 (или β_z k_f / 2) и y = l_w / 2 – координаты точки шва, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения швов, относительно главных осей этого сечения.

Рис. 10.30. К расчету сварного соединения на чистый изгиб

В большинстве случаев швы имеют большую протяженность l_w и относительно небольшой катет шва k_f, то есть I_fx >> I_fy ; y >> x. В этом случаемоментом инерции I_fy относительно оси y-y обычно пренебрегают. Поэтому сварные швы, работающие на чистый изгиб в плоскости расположения этих швов, можно рассчитывать на прочность по обычным формулам, как для соединений с угловыми швами в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов. Условие прочности на изгиб записывается через осевой момент сопротивления:

Пример 10.5.Проверить прикрепление внахлестку листа сечением 250×20 мм (см. рис. 10.30), выполненное ручной сваркой угловыми швами на действие момента M = 2000 кН·м в плоскости расположения швов. Сварка выполняется в нормальном режиме электродами Э42. Расчетные сопротивления сварного шва сдвигу по металлу шва – R_wf = 180 МПа и по металлу границы сплавления – R_wz = 166,5 МПа.

Коэффициенты β_f = 0,7 и β_z = 1,0.

Расчет производим по металлу шва, так как

Принимаем катет шва равным толщине листа t = 20 мм.

Определяем моменты инерции расчетного сечения шва:

I_fx = β_f k_f l_w 3 / 12 = 0,7 · 2 · 24 3 / 12 = 1612,8 см 4 ;

I_fy = (β_f k_f) 3 l_w / 12 = (0,7 · 2) 3 · 24 / 12 = 5,49 см 4 ,

где l_w = b – 1 = 25 – 1 = 24 см – расчетная длина шва.

Координаты наиболее напряженной точки:

x = β_f k_f / 2 = 0,7 · 2 / 2 = 0,7 см; y = l_w / 2 = 24 / 2 = 12 см.

Расчет и конструирование сварных соединений

Стыковые соединения. Для удобства передачи силовых пото­ков наиболее совершенными являются соединения встык, так как в них практически нет отклонений этих потоков, а следовательно, по­чти отсутствуют концентрации напряжений.

Поэтому из всех сварных соединений под динамической нагруз­кой лучше работают соединения встык. Кроме того, эти соедине­ния экономичны по затрате материалов. Основной недостаток сты­ковых соединений — необходимость весьма точно резать соединя­емые элементы, а часто и разделывать кромки.

Ручную сварку встык можно вести без специальной обработки кромок при толщине t соединяемых элементов до 8 мм, а при автома­тической — до t= 20 мм (рисунок ниже). При большей толщине элементов кромки для удобства сварки и для обеспечения полного провара разде­лывают (скашивают под углом). Скосы можно делать только с одной стороны (V- и U- образные швы, рисунки ниже) или с двух сторон (X- и К-образные швы, рисунки ниже). Односторонняя сварка проще в отношении производства работ, допускает контроль за проваром кор­ня шва (где больше всего дефектов) и последующее усиление со сто­роны корня (обратная подварка). Однако при односторонней сварке из-за усадки швов происходит коробление свариваемых элементов.

Разделка кромок стыковых сварных соединений

При двусторонней сварке (X- и К- образные швы) меньше объем шва, а следовательно, и ниже расход наплавленного металла. Этот фактор, а также симметричность расположения шва благоприятно отражаются на усадочных деформациях. Недостаток двусторонней сварки — трудность контроля за качеством провара средней части (корня шва) повышенная сложность изготовления, так как необхо­димо вести сварку с двух сторон, для чего изделие приходится кан­товать. В начале и конце шва наплавленный металл получается низкого качества. Для устранения этого недостатка следует начинать и заканчивать сварку на специальных подкладках — выводных планках, временно удлиняющих швы (рисунок ниже). По окончании сварки эти планки вместе с начальными и конечными участками шва сре­зают, а торцы швов и прилегающие участки зачищают.

В случае соединения стыковым швом листов разной толщины переходцть от большей толщины к меньшей можно за счет соответствующего оформления наружной поверхности шва (рисунок ниже) только при условии, если разница в толщинах не более 4 мм, а величина уступа в месте стыка не превышает 1/8 толщины более тонкого листа.

Устройство стыкового шва в листах разной толщины

При большей разнице в толщинах и при динамических нагруз­ках следует предусматривать скосы у более толстого листа с укло­ном до 1:5 (рисунок ниже). За расчетную толщину стыкового шва при­нимаю толщину соединяемых элементов, а если толщина их раз­лична, то толщину более тонкого элемента (без учета наплавленного валика сверху). Расчётной длиной шва l_w, считают фактическую его длину за вычетом 2t, учитывающих непровар в начале и конце шва. Если сварка была начата и закончена на выводных планках, то умень­шение длины шва не производят.

Напряжения в шве проверяют но формуле

где N - расчетное усилие; R_wy — расчетное сопротивление сварно­го соединения встык растяжению или сжатию.

Расчетные сопротивления растяжению сварных соединений, выполненных ручной или полуавтоматической сваркой, при обычных способах контроля за качеством шва ниже, чем расчетные сопротив­ления основного стыкуемого металла, и потому прямой стык, выпол­ненный такой сваркой, не будет равнопрочен основному металлу. Для получения равнопрочного соединения применяют косой шов, кото­рый делают с наклоном 2:1 (см. рисунок ниже).

При действии изгибающего момента М на соединение нормаль­ные напряжения в шве

где W w = tl 2 _w / 6 — момент сопротивления шва.

В сварных соединениях встык, работающих одновременно на изгиб и срез, проверяют приведенные напряжения по формуле

где σ_w — нормальные напряжения от изгиба; т w = Q/(tl_w) — среднее касательное напряжение от срезающей силы, определенное из ус­ловия равномерного распределения по стыковому шву.

Соединение внахлестку. Такое соединение выполняют с наклад­ками или без них с помощью угловых швов. В зависимости от распо­ложения швов по отношению, к направлению передаваемого усилия различают фланговые швы (рисунок ниже), расположенные параллельно усилию, и лобовые швы, расположенные перпендикулярно усилию.

Соединение с фланговыми швами (а), направление потока силовых линий и распределение напряжений (б)

Простота соединения внахлестку, для которого не требуется точ­ной подгонки и обработки кромок, а только очистка, удаление зау­сениц и правка, является причиной широкого распространения это­го вида сварного соединения. Недостаток его — сильное искаже­ние силового потока при передаче усилия с одного элемента на другой и связанная с этим концентрация напряжений, вызываемая одновременной работой шва на срез и изгиб.

При соединении фланговыми швами неравномерная передача уси­лия происходит как по длине шва, так и по поперечному сечению со­единения (рисунок выше). По длине наиболее интенсивна передача усилий на концах швов, где разность напряжений в соединяемых элементах наибольшая. Однако перед разрушением шва за счет пластической ра­боты перенапряженных участков (начального и конечного) происхо­дит выравнивание напряжений. Это позволило положить в основу рас­чета допущение о равномерном распределении напряжений среза по минимальной площади сечения шва. Разрушение шва может происхо­дить как по металлу шва (рисунок ниже), так и по основному ме­таллу на границе его сплавления с металлом шва (рисунок ниже), особенно если наплавленный металл прочнее основного.

Лобовые швы (рисунок ниже) более равномерно передают усилия по ширине, чем фланговые. Однако вследствие резкого изменения на­правления потока силовых линий (рисунок ниже) в корне шва концент­рируются большие напряжения (рисунок ниже); в результате разрушение шва происходит при малых удлинениях (ε = 3—4%), т. е. хрупко.

Соединение с лобовыми швами

Неравномерность распределения напряжений приводит к сни­жению качества соединения. Поэтому независимо от вида работы (сжатие, растяжение, срез) расчет лобовых швов условно ведут на срез по минимальной площади сечения шва. При соединении внах­лестку с лобовыми швами длину нахлестки следует назначать не менее пяти толщин более тонкого элемента (см. рисунок ниже). Это позво­ляет уменьшить влияние дополнительного изгибающего момента.

Нормальный угловой шов в разрезе имеет форму прямоуголь­ного равнобедренного треугольника с криволинейной гипотенузой (рисунок ниеже).

Обычный наплыв выпуклого шва составляет 0,1 размера его ка­тета k_f. В конструкциях, непосредственно воспринимающих динамические нагрузки, с целью снижения концентрации напряжений в угловых лобовых швах применяют пологие швы с отношением ка­тетов 1:1,5 (рисунок ниже) или вогнутые швы (рисунок ниже).

Поперечные сечения угловых швов

а — нормальный выпуклый; б— пологий выпуклый; в — вогнутый

Минимальный катет-шва в конструкциях, работающих на ста­тическую нагрузку, при автоматической и полуавтоматической сварке — 3 мм, при ручной сварке — 4 мм, а при динамических нагрузках — 6 мм. Швы имеют градацию через 1 мм. Кроме того, наименьший катет однопроходных угловых швов ограничен в зави­симости от толщины более толстого из свариваемых элементов. В таблице ниже приведены минимальные значения катетов угловых швов для основных групп конструкций. Наибольшее значение катета уг­лового шва в зависимости от толщины соединяемых элементов мо­жет быть принято k_f = 1,2t, где t — наименьшая из толщин сварива­емых элементов.

Из-за большой концентрации напряжений в начале и конце шва длина углового шва должна быть не менее 40 мм или 4k_f (при дина­мических нагрузках 60 мм или 6k_f). Наибольшая длина фланговых швов также ограничена и не должна превышать 85 β_fk_f (β_f— коэф­фициент глубины проплавления угловых швов, принимаемый по таблице ниже), так как фактические напряжения по длине шва распреде­лены неравномерно и при длинных швах его крайние участки ис­пытывают перенапряжение, а средние — недонапряжения против расчетного значения. Это ограничение не распространяется на та­кие швы, у которых усилие возникает по всей длине, например на поясные швы балок.

Минимальные значения k_f угловых сварных швов

Предел текучести сваривае­мой стали, МПа

K_f(мм) при толщине более толстого из свариваемых элементов t, мм

ПРЕДИСЛОВИЕ

Пособие составлено к главе СНиП II-23-81. В Пособии приведен ряд новых решений, направленных на экономию основных видов ресурсов, расходуемых при выполнении сварочных работ. Основное внимание уделено рациональному проектированию сварных соединений с угловыми швами, которые составляют по массе наплавленного металла около 90 % от общего количества сварных швов. Поэтому наибольший эффект может быть получен от оптимизации размеров этих швов.

Новые нормы проектирования дают возможность сократить удельный расход наплавленного металла в строительных стальных конструкциях на 35-40 %.

Текст из главы СНиП II-23-81 отмечен в Пособии вертикальной чертой, в скобках указаны соответствующие номера пунктов и таблиц главы СНиП.

Пособие разработано ЦНИИСК им. Кучеренко (канд. техн. наук В.М. Барышев, при участии инж. Ю .А. Новикова).

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. При проектировании сварных соедине ний следует:

принимать минимально необходимое количество и минимальные размеры сварных швов;

предусматривать применение высокопроизводительных механизированных способов сварки;

предусматривать применение эффективных сварочных материалов (электродов, электродных проволок, защитных газов, флюсов);

предусматривать такое расположение и размеры сварных швов, при которых максимально сокращалась бы необходимость кантовки конструкций при их изготовлении, а также уменьшились бы размеры соединяемых деталей;

обеспечивать свободный доступ к местам наложения швов и удобное пространственное положение с учетом выбранного способа и технологии сварки и принятого метода неразрушающего контроля шва.

1.2. Сокращение массы наплавленного металла при проектировании сварных соединений и элементов конструкций достигается путем повышения расчетных сопротивлений соединений с угловыми швами за счет применения эффективной технологии сварки и электродных материалов; соблюдения требований по назначению минимально допустимых катетов угловых швов, устанавливаемых в зависимости от наибольшей толщины свариваемых элементов, вида сварки и механических свойств стали; применения односторонних угловых швов в поясах сварных двутавров, при приварке ребер жесткости, диафрагм и других деталей, а также уменьшения количества деталей в элементах конструкций или их размеров (применения односторонних ребер жесткости, исключения фасонок в решетчатых конструкциях или уменьшения их размеров в связи с повышением расчетных сопротивлений соединений с угловыми швами и др.).

1.3. При проектировании сварных соединений следует учитывать, что увеличение сечений швов по сравнению с регламентированными в главе СНиП II-23-81 не только не повышает работоспособность конструкций, но в ряде случаев снижает ее.

2. РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

2.1 (3.4). Расчетные сопротивления сварных соединений для различных видов соединений и напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в табл. 3 СНиП II-23-81.

2.2. Расчетные сопротивления сварных соединений, определенные по формулам, которые приведены в главе СНиП II-23-81, обеспечиваются при соблюдении следующих условий:

сварочные материалы для расчетных угловых швов применяются в соответствии с табл. 2 прил. 1 с учетом условий эксплуатации конструкций, указанных в табл. 1 прил. 1.

2.3. Расчетные сопротивления стыковых соединений , выполняемых всеми видами дуговой сварки, принимаются равными расчетным сопротивлениям стального проката при условии физического контроля качества швов в растянутых элементах и соблюдении требований п. 13.42 главы СНиП II-23-81 об обеспечении полного провара соединяемых элементов путем двухсторонней сварки, односторонней с подваркой корня шва или односторонней сварки на подкладке.

В случаях, когда в стыковых соединениях невозможно обеспечить полный провар элементов, рекомендуется принимать R_wy =0,7 R _у .

2.4. Несущая способность сварных соединений с угловыми швами зависит от ориентации шва относительно направления усилия, действующего на соединение. Однако учет этой зависимости существенно усложняет расчет соединения, в связи с чем расчетные сопротивления соед инений с угловыми швами в главе СНиП II-23-81 приняты для наименее благоприятной ориентации (флангового шва) и независимыми от величины угла между продольной осью шва и направлением силового вектора, действующего на него.

2.5. Предельным состоянием для сварных соединений с угловыми швами является опасность разрушения. В связи с этим их расчетные сопротивления установлены по временному сопротивлению металла: для металла шва - в зависимости от нормативного сопротивления металла шва R _wf = f ( R_wun ); для металла границы сплавления - в зависимости от нормативного сопротивления основного металла R _wz = f ( R_un ).

Числовые значения расчетных сопротивлений сварных соединений с угловыми швами приведены в табл. 2 и 3 прил. 1.

3. РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

3.1. Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение и сжатие следует проводить в соответствии с п. 11.1 главы СНиП II-23-81.

3.2. С целью повышения эффективности использования наплавленного металла в соединениях с расчетными угловыми швами предусмотрено применение электродных материалов , обеспечивающих повышенные прочностные свойства металла шва. При этом возникает необходимость проверки прочности соединений по двум опасным сечениям: по металлу шва и по металлу границы сплавления.

3.3 ( 11.2). Сварные соединения с угловыми швами при действии продольной и поперечной сил следует рассчитывать на срез (условный) по двум сечениям:

по металлу границы сплавления

где l_w - расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10 мм; β _f и β _z - коэффициенты, принимаемые при сварке элементов из стали: с пределом текучести до 580 МПа (5900 кгс/см 2 ) по табл. 1 (34); с пределом текучести свыше 580 МПа (5900 кгс/см 2 ) независимо от вида сварки, положения шва и диаметра сварочной проволоки β _f = 0,7 и β _z = 1; γ _wf и γ _wz - коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I ₁ , I ₂ , II ₂ и II ₃ , для которых γ _wf = 0,85 для металла шва с нормативным сопротивлением R_wun = 410 МПа (4200 кгс/см 2 ) и γ _wz = 0,85 для всех сталей.

При сварке с использованием технологических приемов, направленных на повышение производительности наплавки, которые сопровождаются снижением глубины проплавления (например, сварка при удлиненном вылете электрода, при прямой полярности постоянного тока, с применением дополнительного присадочного материала и т.п.), значения коэффициентов рекомендуется принимать β _f = 0,7 и β _z = 1.

3.4 (11.2). Для угловых швов, размеры которых установлены в соответствии с расчетом, в элементах из стали с пределом текучести до 285 МПа (2900 кгс/см 2 ) следует применять электроды или сварочную проволоку согласно табл. 2 прил. 1 настоящего пособия, для которых расчетные сопротивления срезу по металлу шва R_wf должны быть более R_wz , а при ручной сварке не менее чем в 1,1 раза превышают расчетные сопротивления срезу по металлу границы сплавления R_wz , но не превосходят значений R_wz β_z / β_f

в элементах из стали с пределом текучести свыше 285 МПа (2900 кгс/см 2 ) допускается применять электродные материалы, для которых выполняется условие

Значения коэффициентов β_f и β_z при катетах швов, мм

Автоматическая при d = 3 - 5

Автоматическая и полуавтоматическая при d = 1,4 - 2

Нижнее, горизонтальное, вертикальное

Ручная; полуавтоматическая проволокой сплошного сечения при d < 1,4 или порошковой проволокой

В лодочку нижнее, горизонтальное, вертикальное, потолочное

Примечание . Значения коэффициентов соответствуют нормальным режимам сварки.

При выборе электродных материалов следует учитывать группы конструкций и климатические районы, указанные в табл. 55 (В Пособии табл. 1 прил. 1).

3.5. Левая часть выражений (3) и (4) 1,1 R_wz < R_wf и R_wz < R_wf означает необходимость применения электродных материалов, обеспечивающих высокую прочность металла шва. Правая часть этих выражений R_wf ≤ R_wz β_z / β_f указывает верхний предел значения R_wf , выше которого увеличение прочности металла шва нецелесообразно, поскольку несущую способность соединения будет определять сечение по металлу границы сплавления.

При проектировании сварных соединений возможны исключения из требований, указанных в выражениях (3) и (4), которые определяются дискретностью значений входящих в них параметров, ограниченностью ассортимента сварочных проволок для механизированной сварки и условиями организации производства. Поэтому в ряде случаев для расчетных угловых швов целесообразно применять сварочную проволоку, при которой R_wf ≤ R_wz β_z / β_f .

3.6. В зависимости от значений R_{wf ,} R_wz и β_f , характеризующих соединение с угловыми швами, прочность одного из двух расчетных сечений меньше прочности другого сечения. Поэтому для расчета такого соединения на срез (условный) достаточно произвести проверку менее прочного сечения. Расчетные сечения, по которым следует производить проверку прочности соединения с угловыми швами, в зависимости от параметров R_{wun ,} R_un и β_f , указаны в табл. 2 (для конструкций во всех климатических районах, кроме I ₁ , I ₂ , II ₂ , II ₃ ) и табл. 3 (для конструкций в климатических районах I ₁ , I ₂ , II ₂ , II ₃ ).

Примечан ие . Коэффициенты β_f и β_z связаны зависимостью _{, поэтому в табл. 2 и 3 значения βz не приводятся.}

3.7. Предельные усилия на сварные соединения с угло выми швами для наиболее распространенных сочетаний электродных материалов, условий сварки и катетов швов приведены в табл. 1 и 2 прил. 2.

3.8. Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента, на одновременное действие сил и момента, а также поясных соединений с угловыми швами в составных двутавровых балках следует производить по двум сечениям в соответствии с требованиями п п. 11.3, 11.5 и 11.16 главы СНиП II-23-81. При этом в общем виде расчетные формулы представляют собой сравнение напряжений, возникающих от действия усилий в расчетном сечении по шву (τ _f ) и по металлу границы сплавления (τ _z ), с соответствующими расчетными сопротивлениями с учетом коэффициентов условий работы:

ПРЕДИСЛОВИЕ

Пособие составлено к главе СНиП II-23-81. В Пособии приведен ряд новых решений, направленных на экономию основных видов ресурсов, расходуемых при выполнении сварочных работ. Основное внимание уделено рациональному проектированию сварных соединений с угловыми швами, которые составляют по массе наплавленного металла около 90 % от общего количества сварных швов. Поэтому наибольший эффект может быть получен от оптимизации размеров э тих швов.

Новые нормы проектирования дают возможность сократить удельный расход наплавленного металла в строительных стальных конструкциях на 3 5-4 0 % .

Текст из главы СНиП II-23-81 отмечен в Пособии вертикальной чертой , в скобках указаны соответствующие номера пунктов и таблиц главы СНиП.

Пособие разработано ЦНИИСК им. Кучеренко (канд. техн. наук В. М . Барышев, при участии инж. Ю .А. Новикова).

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. При проектировании сварных соедине н ий следует:

предусматривать такое расположение и размеры сварных швов , при которых максимально сокращалась бы необходимость кантовки конструкций при их изготовлении, а также уменьшились бы размеры соединяемых деталей;

2. РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

2.2. Расчетные сопротивления сварных соединений, определенные по формулам, которые приведены в главе СНиП II-23-81 , обеспечиваются при соблюдении следующих условий:

В случаях, когда в стыковых соединениях невозможно обеспечить полный провар элементов, рекомендуется принимать R_wy =0,7 R _у .

2.4. Несущая способность сварных соединений с угловыми швами зависит от ориентации шва относительно направления усилия, действующего на соединение. Однако учет этой зависимости существенно усложняет расчет соединения, в связи с чем расчетные сопротивления соед и нений с угловыми швами в главе СНиП II-23-81 приняты для наименее благоприятной ориентации (флангового шва) и независимыми от величины угла между продольной осью шва и направлением силового вектора, действующего на него.

3. РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

3.1. Расчет сварных стыковых соединений на центральное растяжение и сжатие следует проводить в соответствии с п. 11 .1 главы СНиП II-23-81.

3.3 ( 1 1.2). Сварные соединения с угловыми швами при действии продольной и поперечной сил следует рассчитывать на срез (условный) по двум сечениям:

N / ( β_f k_f l_w ) ≤ R_wf γ_wf γ_c ; (1) [12 0]

N / ( β_z k_f l_w ) ≤ R_wz γ_wz γ_c . (2) [121 ]

где l_w - расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10 мм; β _f и β _z - коэффициенты , принимаемые при сварке элементов из стали: с пределом текучести до 580 МП а (5900 кгс/см 2 ) по табл. 1 (34); с пределом текучести свыше 580 МПа (5900 кгс/см 2 ) независимо от вида сварки, положения шва и диаметра сварочной проволоки β _f = 0,7 и β _z = 1; γ _wf и γ _wz - коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I ₁ , I ₂ , II ₂ и II ₃ , для которых γ _wf = 0 , 8 5 для металла шва с нормативным сопротивлением R_wun = 410 МПа (4200 кгс/см 2 ) и γ _wz = 0, 85 для всех сталей.

3. 4 ( 11.2). Для угловых швов, размеры которых установлены в соответствии с расчетом, в элементах из стали с пределом текучести до 285 МПа (2900 кгс/см 2 ) следует применять электроды или сварочную проволоку согласно табл. 2 прил. 1 настоящего пособия, для которых расчетные сопротивления срезу по металлу шва R_wf должны быть более R_wz , а при ручной сварке не менее чем в 1,1 раза превышают расчетные сопротивления срезу по металлу границы сплавления R_wz , но не превосходят значений R_wz β_z / β_f

в элементах из стали с пределом текучес т и свыше 285 МПа (2900 кгс/см 2 ) допускается применять электродные материалы, для которых выполняется условие

Значения коэффициентов β _f и β _z при катетах швов, мм

Автоматическая и полуавтоматическая при d = 1 , 4 - 2

Ручная; полуавтоматическая проволокой сплошного сечения при d < 1, 4 или порошковой проволокой

Примечан ие . З н ачения коэффициентов соответствуют нормальным режимам сварки.

При выборе электродных материалов следует учитывать группы конструкций и климатические районы , указанные в табл. 55 (В Пособии табл. 1 прил. 1).

3.5. Левая часть выражений (3) и (4) 1,1 R_wz < R_wf и R_wz < R_wf означает необходимость применения электродных материалов, обеспечивающих высокую прочность металла шва. Правая часть этих выражений R_wf ≤ R_wz β_z / β_f указывает верхний предел значения R_wf , выше которого увеличение прочности металла шва нецелесообразно, поскольку несущую способность соединения будет определять сечение по металлу границы сплавления.

При проектировании сварных соединений возможны исключения из требований, указанных в выражениях (3) и (4), которые определяются дискретностью значений входящих в них параметров, ограниченностью ассортимента сварочных проволок для механизирован н ой сварки и условиями организации производства. Поэтому в ряде случаев для расчетных угловых швов целесообразно применять сварочную проволоку, при которой R_wf ≤ R_wz β_z / β_f .

Примечан ие . Коэффициенты β _f и β _z связаны зависимостью , поэтому в табл. 2 и 3 значения β _z не приводятся.

3.7. Предельные усилия на сварные соединения с угло в ыми швами для наиболее распространенных сочетаний электродных материалов, условий сварки и катетов швов приведены в табл. 1 и 2 прил. 2.

3.8. Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента, на одновременное действие сил и момента, а также поясных соединений с угловыми швами в составных двутавровых балках следует производить по двум сечениям в соответствии с требованиями п п . 11.3, 11.5 и 11 .1 6 главы СНиП II-23-81. При этом в общем виде расчетные формулы представляют собой сравнение напряжений, возникающих от действия усилий в расче т ном сечении по шву (τ _f ) и по металлу границы сплавления (τ _z ), с соответствую щ ими расчетными сопротивлениями с учетом коэффициентов условий работы:

Расчет и проектирование сварного соединения

Сварка по праву является лучшим способом соединения для стальных конструкций.

Общая информация

Сваркой называют процесс получения неразъемных соединений путем установления межатомных связей между соединяемыми элементами при местном нагревании или пластической деформации или совместном действии того и другого, обеспечивающий необходимую прочность и пластичность сварного соединения.

Преимущества сварного соединения:

1) сварное соединение позволяет получить равнопрочное соединение, т.е. сварное соединение, при правильной сварке, не будет самым слабым местом в конструкции;

2) наименьший расход металла (нет необходимости использовать дополнительные накладки);

3) удобство соединения материалов (детали можно соединять встык, внахлест, под углом);

4) красивый эстетический вид (если правильно сделать).

Из недостатков можно отметить следующее:

1) не всегда на строительной площадке удобно сваривать металлические элементы (тут большое значение имеет скорость монтажа и удобство, по этим параметрам болтовое соединение бесспорно лучше);

2) нельзя сваривать стали, упрочненные термической обработкой или вытяжкой т.к. при сварке теряется эффект упрочнения;

3) сварной шов — концентратор напряжения, поэтому в ряде случаев, при динамической нагрузке на конструкции, заклепочное соединение или соединение на высокопрочных болтах будет надежнее.

По ГОСТ 19521-74 различают 3 класса сварки: термический, термомеханический и механический.

К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением: дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменно-лучевая, ионно-лучевая, , тлеющим разрядом, световая, индукционная, газовая, термитная, литейная.

К термомеханическому классу сварки относятся: контактная, диффузионная, индукционно-прессовая, газопрессовая, термокомпрессионная, дугопрессовая, шлакопрессовая, термитно-прессовая, печная.

К механическому классу сварки относят: холодная, взрывом, ультразвуковая, трением, магнитоимпульсная.

Кроме того современные виды сварки подразделяют также по техническим и технологическим признакам.

К техническим признакам относится способ защиты металла в зоне сварки, непрерывность процесса, степень механизации сварки.

К технологическим признакам относят форму сварного соединения: контактная точечная сварка, шовная, стыковая и др; тип сварного тока: постоянный ток, переменный ток, пульсирующий ток.

Электрошлаковая сварка классифицируется по виду электродов: проволочный, пластинчатый, плавящимся мундштуком и др.

В строительстве в основном используется электродуговая сварка: ручная, механизированная, автоматическая.

Ручная дуговая сварка очень распространена в строительстве. Источниками сварного тока могут быть сварочные трансформаторы переменного тока, выпрямители, инвенторы, и генераторы постоянного тока. В настоящее время около 70% работ выполняются ручной дуговой сваркой, так как она имеет ряд преимуществ: простота, дешевизна, мобильность оборудования, высокое качество металла шва, равнопрочность шва и основного металла, возможность выполнить сварку в труднодоступных местах и во всех пространственных положениях. Основным недостатком данного метода является не высокая производительность труда.

Сущность процесса электродуговой сварки: электрическая сварочная дуга возбуждается и горит между электродом и кромками свариваемого изделия, температура дуги достигает 6000-8000 °С. Теплота дуги расплавляет электрод и металл кромок. Получается сварочная ванна жидкого металла, которая при охлаждении превращается в сварной шов. Покрытие электрода во время сварки расплавляется и частично испаряется, образуя жидкий шлак и газовое облако вокруг места сварки. Это покрытие электрода служит для:

— стабилизации устойчивого горения дуги за счет поступающих из покрытия легкоионизирующихся элементов калия, натрия, кальция и др;

— защиты зоны сварки и жидкого металла от атмосферы;

— рафинирования (очистка металла шва от вредных примесей (серы и фосфора);

— раскисления металла шва (восстановления окислов железа);

— легирования металла шва марганцем, кремнием, никелем, хромом, титаном для повышения прочностных, пластических и коррозионных свойств шва.

Всплывшие на поверхность твердеющей ванны неметаллические компоненты образуют шлаковую корку, которая после сварки удаляется механическим путем.

Параметры сварки очень сильно влияют на качество сварного соединения: при повышении силы тока увеличивается глубина проплавения и это может привести к прожегу, увеличение скорости сварки может привести к непровару в шве.

В большинстве случаев для сварки применяется переменный ток, так как он более дешев.

Для ответственных конструкций применяют постоянный ток т.к. сварной шов получается более качественным.

Газовая сварка в строительстве используется при монтаже трубопроводов, в сборке конструкций из тонколистового металла., при сварке цветных металлов, алюминия, свинца.

Температура сгорания достигает 2100-3150 °С. Горелкой расплавляют кромку металла и сварочную проволоку, образуя «ванну» расплавленного металла, которая при остывании образует сварочный шов.

Мы не будем рассматривать в данной статье другие виды сварки т.к. они мало распространены в строительстве, а перейдем к классификации типов сварных соединений и швов.

Сварные швы могут быть стыковыми и угловыми.

Угловой шов — это шов углового, нахлесточного и таврового сварного соединения.

В стыковых соединениях детали соединяются встык.

На следующем рисунке показаны виды сварных соединений:

На рисунке обозначены сварочные швы:

За один проход можно сварить металл толщиной до 8 мм, при большей толщине необходимо сделать скос кромок и проваривать его в несколько заходов.

На рисунке показано как сварить металл толщиной больше 8 мм в несколько заходов.

Весь процесс сварки, дефекты, контроль качества сварного соединения, а также нюансы не описать в одной статье, поэтому я остановлюсь на тех вопросах, которые необходимы проектировщику, чтобы правильно запроектировать стальные конструкции.

Проектирование сварного соединения

Сварной шов в начале и в конце насыщен дефектами (непровар и т.д. из-за неустановившегося теплового режима), поэтому начало и конец шва необходимо выводить на технологические планки либо при расчетах не учитывать длину равную 2t (2-е толщины наименьшего из свариваемых элементов).

На рисунке представлен пример сварки с выводом начала и конца сварки на технологические планки. Если в расчете принят сварной шов с выводом на технологические планки, то это должно быть отражено в проектной документации.

При проектировании стыкового соединения рекомендуется делать сварной шов под углом 60°, это позволит создать равнопрочное соединение 2-х элементов.

При сварке встык элементов разной ширины следует делать скосы на элементе большей ширины для снижения концентрации напряжений (см. рисунок ниже).

Фланговые швы, расположенные по кромкам прикрепляемого элемента параллельно действующему усилию, вызывают большую неравномерность распределения напряжения по ширине (см. рисунок ниже)

Неравномерно они работают и по длине, так как помимо непосредственной передачи усилия с элемента на элемент концы шва испытывают дополнительные усилия вследствие разной напряженности и неодинаковых деформаций соединяемых элементов. Разрушение шва в данном случае обычно начинает с конца и может происходить как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления, особенно если наплавленный металл прочнее основного.

Лобовые швы передают усилия достаточно равномерно по ширине элемента, но крайне неравномерно по толщине шва вследствие резкого искривления силового потока при переходе усилия одного элемента на другой. Особенно велики напряжения в корне шва.

Уменьшение концентрации напряжений в соединении может быть достигнуто плавным примыканием привариваемой детали, механической обработкой (сглаживанием) поверхности шва и конца, увеличением пологости шва (например шов с соотношением катетов 1:1,5).

Выбор материалов для сварки

Материалы для сварки подбираются в зависимости от марки стали соединяемых деталей, группа конструкций и климатических условий эксплуатации.

Подобрать материал для сварки нужно согласно таблице 55 СНиП II-23-81 или таблице Г.1 СП 16.13330.2011

2. Не применять в сочетании с флюсом АН-43.

3. Применять только электроды марок 03с-18 и КД-11.

В районах крайнего севера повышенные требования к ударной вязкости как металлу, так и сварному шву. При низких температурах увеличивается хрупкость металла шва, поэтому для конструкций предназначенных для эксплуатации в условиях крайнего севера используются электроды Э42А, Э46А, Э50А.

Также есть требования к материалам для сварки в районах повышенной сейсмической активности — там также применяют электроды Э42А,Э46А,Э50А.

Конструктивные требования к сварному соединению

Прежде всего при проектировании сварочного соединения необходимо конструктивно его выполнить так, чтобы была возможность соединить детали в соответствии с технологией изготовления.

Чтобы уменьшить сварочные деформации, следует стремиться к наименьшему объему сварки в конструкции, применяя швы наименьшей толщины (наименьшего катета), полученные по расчету или по конструктивным соображениям; необходимо избегать близкого расположения швов друг к другу, образования швами замкнутых контуров и ориентации швов поперек направления действующих в стержне растягивающих напряжений в случае, когда концы стержня закреплены от смещения при сварке.

Сварные стыки балок, колонн следует выполнять без накладок, встык, с двусторонней сваркой и полным проплавлением либо с односторонней сваркой с подваркой корня шва или на подкладках, с выведением концов шва на технологические планки с последующей обрезкой и зачисткой.

Катет углового шва следует назначать согласно таблице:

Катет углового шва не должен превышать 1,2t (t — толщина самого тонкого элемента соединения).

Расчетная длина углового шва должна быть не менее 4kf (4 катета сварного шва) и не менее 40 мм.

Размер нахлестки должен быть не менее пяти толщин наиболее тонкого из свариваемых элементов.

Наибольшая длина фланговых швов долна быть не более 85βfkf, так как фактические напряжения по длине шва распределены не равномерно и при длинных швах его крайние участки испытывают перенапряжение, а средние — недонапряжение по сравнению с расчетным значением. Это ограничение не относится к швам, в которых усилие, воспринимаемое швом, возникает на всем его протяжении, например к поясным швам в балках.

Не стоит сваривать слишком тонкий металл и слишком толстый — под действием возникающего напряжения тонкий материал может изогнуться.

Расчет стыковых сварных соединений

Методика расчета стыковых сварных соединений расписана в СНиП II-23-81 п.11.1 и СП 16.13330.2011 п.14.1.14. Несмотря на то, что формулы написаны в них не много по разному, формула одна и та же.

Расчет на центральное сжатие и растяжение в стыковых соединениях следует производить по формуле:

где N — максимальная растягивающая или сжимающая нагрузка, действующая на соединение;

t — наименьшая толщина соединяемых элементов;

lw — расчетная длина сварного шва, равная полной длине сварного шва, уменьшенной на 2t, или полной его длине в случае вывода концов сварки за пределы стыка (технологические планки);

Rwy — расчетное сопротивление стыковых сварных соединений сжатию, растяжению и изгибу по пределу текучести (см. формулы таблицы 3 СНиП II-23-81 или таблицы 4 СП 16.1333.2011 — они одинаковые), для растянутых элементов, которые рассчитываются не по пределу текучести, а по пределу прочности вместо Rwy можно использовать Rwu/γu;

Ry — расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести (см. Таблицы 51, 51а, 51б СНиП II-23-81 или таблицы В.5 и B.6 СП 16.13330.2011);

Ru — расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по временному сопротивлению (см. Таблицы 51, 51а, 51б СНиП II-23-81 или таблицы В.5 и B.6 СП 16.13330.2011);

γс — коэффициент условий работы (см. таблицу 6 СНиП II-23-81 или таблицу 1 СП 16.13330.2011).

Ry и Ru — это расчетное сопротивление стали соединяемых элементов, причем если стали элементов разные, то принимается расчетное сопротивление наименее прочного материала. Как видим расчетное сопротивление соединения принимается на основе материала соединяемых элементов т.к. металл сварочного шва, при правильном назначении, будет прочнее металла соединяемых элементов. При сжатии сварочный шов можно вообще не считать т.к. расчетное сопротивление будет такое же как и у соединяемых элементов, при растяжении расчетное сопротивление соединения на 15% меньше чем расчетное сопротивление наименьшего из соединяемых элементов, поэтому делают шов делают под уклоном, чтобы соединение было равнопрочным с металлом.

При таком соединении элементы должны провариваться на всю толщину.

Расчетные схемы лобовых швов показаны на следующем рисунке:

Расчет стыковых соединений выполнять не требуется при применении сварочных материалов согласно приложению 2 СНиП II-23-81, полном проваре соединяемых элементов и физическом контроле качества растянутых швов.

Расчет угловых швов

Расчет сварного соединения углового шва при действии силы N, проходящий через центр тяжести соединения следует выполнять по одному из 2-х сечений: сечению 1 по металлу шва, и сечению 2 по металлу границы сплавления в зависимости от того, какое сечение более опасно (см. рисунок ниже).

Несмотря на то, что угловые швы работают всегда в условиях сложного напряженного состояния, характер их разрушения показывает, что доминирующим напряжением является срезывающее.

Расчет на срез производится согласно п. 11.2 СНиП II-23-81 или п. 14.1.16 СП 16.13330.2011, в этих нормах формулы не много отличаются, давайте разберемся в чем отличие.

Согласно СНиП II-23-81 угловое сварное соединение необходимо проверить по следующим 2-у формулам:

по металлу шва (сечение 1)

по металлу границы сплавления (сечение 2)

βf и βz — коэффициенты, принимаемые при сварке элементов из стали: с пределом текучести до 530 МПа (5400 кгс/см²) — по таблице ниже; с пределом текучести свыше 530 МПа (5400 кгс/см²) независимо от вида сварки, положения шва и диаметра сварочной проволоки βf =0,7; βz = 1;

kf — катет сварного шва, т.е. толщина сварного шва на границе сплавления (см. рисунок ниже);

lw — расчетная длина сварного шва, равная общей длине сварного шва уменьшенной на 10 мм;

Rwf — расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу шва (см. таблицу 56 СНиП II-23-81 или таблицу Г.2 СП 16.1333.2011);

Rwz — рассчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу границы сплавления (см. таблицы 56 СНиП II-23-81 или таблицу Г.2 СП 16.1333.2011);

γwf и γwz — коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I1, I2, II2 и II3 (в холодном климате), для которых γwf =0,85 для металла шва с нормативным сопротивлением Rwun=410 МПа (4200 кгс/см²) и γwz =0.85 — для всех сталей;

Замечу что коэффициентов γwf и γwz в СП 16.13330.2011 нет, но на данное время обязательным к исполнению является СНиП II-23-81, поэтому этот коэффициент необходимо учитывать.

Разрушение сварных соединений с угловыми лобовыми и фланговыми швами возможно как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления.

Расчет угловых швов на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, следует производить по двум сечениям по формулам:

где Wf — момент сопротивления расчетного сечения по металлу шва;

Wz — тоже, по металлу сплавления.

Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента в плоскости расположения этих швов следует производить по двум сечениям по формулам:

где Jfx и Jfy — моменты инерции расчетного сечения по металлу шва относительно его главных осей;

Jzx и Jzy — тоже, по металлу границы сплавления;

x и y — координаты точки шва, наиболее удаленной от центра тяжести расчетного сечения швов, относительно главных осей этого сечения.

Момент инерции и момент сопротивления сечения — это табличные данные, которые принимаются для проката в месте сечения, если сечение произвольное, то эти данные необходимо вычислить. Одним из самых простых способов это нарисовать это сечение в программе «Конструктор сечений» комплекса SCAD.

При расчете сварных соединений с угловыми швами на одновременное действие продольной и поперечной сил и момента должны быть выполнены следующие условия:

где τf и τz — напряжения в расчетном сечении соответственно по металлу шва и по металлу границы сплавления, равные геометрическим суммам напряжений, вызываемых продольной и поперечной силами и моментом.

Читайте также:

  
• Металлические вентиляционные решетки для гаража
  
• Смывка старой краски с металла своими руками
  
• Из какого металла делают ледоколы
  
• Граверы электрические по металлу какой выбрать
  
• Сбор нагрузок на металлическую балку