Расчет площади поперечного сечения сварного шва с17. Подтема: Классификация сварных швов по геометрическому очертанию шва

Cтраница 1

Поперечное сечение сварного шва при сварке деталей в стык имеет форму, изображенную на фиг. Основными величинами, характеризующими поперечное сечение такого шва, являются: ширина шва b и глубина проплавления (провар) Я. Чем больше толщина свариваемых заготовок, тем больше должна быть обеспечена глубина проплавления. При ручной сварке эта величина может изменяться от 2 до 6 мм путем регулирования силы сварочного тока.  

Поперечное сечение сварного шва, полученного на одной из этих машин, дает ясное представление о преимуществе машинной сварки: однородное поперечное сечение, отсутствие ослабленных мест, аккуратный внешний вид и отсутствие коробления и искажения формы основного материала.  

Площадь поперечного сечения сварного шва Fn подсчитывается по сумме площадей элементарных геометрических фигур, из которых она может быть представлена.  

В поперечном сечении сварного шва после сварки образуется распределение продольных напряжений, схематично представленное на рис. 1.31. Механизм их образования описан в разд. Из рис. 1.31 видно, что распределение напряжений связано с распределением температур при прохождении сварочного источника. Часть сечения шириной 2й л нагревшаяся выше некоторой температуры Тт и испытавшая при нагреве пластические деформации укорочения, растянута до напряжения, близкого к пределу текучести материала стт. Остальная часть сечения сжата. Эпюра напряжений CTQCT уравновешена по сечению.  

Общий вид поперечного сечения сварного шва представлен на фиг.  

Одним из условий уменьшения площади поперечного сечения сварного шва и возможности применения автоматов является замена коротких прерывистых швов равнопрочными сплошными швами меньшего сечения. Наличие разрывов шва при автоматической сварке вызывает дополнительные затраты времени на некоторые элементы работы по сравнению с ручной сваркой. Например, операции зажигания дуги и переноса электрода через промежуток между участками шва при автоматической сварке значительно более трудоемки, чем при ручной. Кроме того, прерывистые швы нежелательны из соображений прочности, так как они способствуют концентрации напряжений по концам приварок и возникновению трещин в этих местах. Только для тонколистовых конструкций, по соображениям уменьшения коробления, в ряде случаев надо применять прерывистые швы обычного вида или в форме точечных угловых швов, выполняемых полуавтоматом.  

ПОПЕРЕЧНАЯ ОСЬ СЕЧЕНИЯ ШВА - нормаль, проведенная из центра тяжести поперечного сечения сварного шва со снятым усилением и направленная к лицевой стороне шва.  

Ослабленная зона может быть уменьшена или совсем устранена целесообразным выбором формы поперечного сечения сварного шва. Важной задачей является измельчение структуры наплавленного металла с заменой крупных вытянутых деидритов мелкими, приблизительно равноосными зернами металла.  

Другой не менее важной задачей повышения (работоспособности сварного соединения (кроме исключения остающегося подкладного кольца) является уменьшение площади поперечного сечения сварного шва. Это может быть достигнуто путем уменьшения угла скоса кромок стыкового соединения, что позволяет снизить общий уровень остаточных сварочных напряжений и обеспечить более равномерное их распределение по сечению стенки трубы. В последнее время институтами Оргэнергострой и ЦНИИТМАШ были проведены исследовательские работы в этом направлении.  

Образцы для исследования макроструктуры вырезаются из контрольных пластин или изделия таким образом, чтобы можно было изготовить шлиф в плоскости поперечного сечения сварного шва. Поверхность шлифа должна включать весь шов, а также зону термического влияния и часть основного металла. Поэтому их размеры и форма устанавливаются в каждом отдельном случае.  

Наиболее характерно для сварки соединение встык, которое может выполняться с применением различных форм подготовки свариваемых кромок, при различных формах поперечного сечения сварного шва.  

В табл. 45-50 приведены данные о площадях поперечного сечения наплавленного металла, о расходе меловых и толстопокрытых электродов на 1 м длины шва, о диаметрах электродов, применяемых при различной толщине свариваемого металла, и о числе проходов при сварке толстопокрытыми электродами различных диаметров для наиболее распространенных видов сварных соединений, а также для швов подварки. Во всех случаях приведены размеры швов, для которых подсчитаны значения, указанные в таблицах.

Числа проходов, указанные для случаев сварки малоуглеродистых сталей в нижнем положении, определялись в соответствии с производственным опытом заводов Урала.

При сварке V-образных и Х-образных стыковых соединений электродами диаметров 6, 7, 8 мм рекомендуется первый валик в вершине угла разделки накладывать электродами меньшего диаметра 3, 4, 5 мм. В таблицах это указано дробным обозначением числа проходов: в числителе указано число валиков, накладываемых электродами меньшего диаметра, в знаменателе число валиков, накладываемых электродами большего диаметра.

При сварке низко- и среднелегированных сталей число проходов принимается большее, чем при сварке низкоуглеродистых сталей. Рекомендуется в случае сварки легированных конструкционных сталей площадь поперечного сечения, наплавляемого за один проход валика, выраженную в мм 2 , принимать в 8-12 раз больше диаметра электрода и, исходя из этого, определять число проходов.

На фиг. 38 изображены схемы и последовательность наложения отдельных валиков в многослойных швах. Как видно из фиг. 38, при сварке в нижнем положении валики швов с разделкой кромок располагаются слоями. Одни слои образуются из одного валика, другие - из двух, трех и более.

Число валиков, образующих отдельный слой шва, зависит от ширины слоя, диаметра и марки электрода, силы сварочного тока и скорости сварки.

Режим сварки как совокупность характеристик (параметров) сварочного процесса, определяющих свойства получаемых сварных соединений, является компонентом технологии сварки. Для каждого способа и разновидности сварки применяют определенный набор параметров режима и их значений.

В специализированной литературе приводится множество рекомендаций по режимам сварки преимущественно в виде таблиц, данные которых составлены на основе результатов производственного опыта. Большинство приводимых данных относится к сварке углеродистых и низколегированных сталей, показывает числовые значения основных (обязательных) параметров для соединений разных типов и толщине металла в нижнем положении. Сведения об остальных параметрах режима и других условиях сварки приводятся эпизодически, не всегда, иногда в виде кратких записей в тексте. Но фактически их влияние тоже учитывается при отработке режимов сварки.

Специалисты Пермского нацио-нального исследовательского политехнического университета провели работу по изучению методики определения одного из «неосновных» параметров режима - числа проходов при многопроходной дуговой сварке.

В литературе имеется мало сведений об этом параметре режима. Известно, что металл повышенных толщин можно сварить с разным числом проходов. По экономическим соображениям предпочтительным представляется сварка с минимальным числом проходов, так как при этом будут меньше трудозатраты на зачистку швов от шлака после каждого прохода. Но должны учитываться и другие факторы.

Впервые вопрос о расчете числа проходов был изучен В. П. Демянцевичем, применительно к ручной дуговой сварке покрытыми электродами. Была показана связь оптимального числа проходов с необходимостью получения слоя наплавленного за один проход металла, имеющего определенную площадь поперечного сечения. Это положение связывается со скоростью перемещения электрода вдоль стыка. Как при слишком малой, так и при слишком большой скорости сварки возможно образование дефектов - непроваров и неудовлетворительное формирование шва.

Также впервые указано на необходимость сварки на разных режимах первого (корневого) и последующих проходов. Площадь наплавки за один проход связывается с диаметром электрода. Для ручной дуговой сварки рекомендованы следующие зависимости:

•  для первого прохода F1 = (6/8) dэ,
•  для последующих проходов

Fп = (8/12)dэ.

В этих формулах dэ - диаметр электрода в мм; F1 и Fп - площади поперечного сечения соответственно первого и каждого последующего прохода в мм2.

Общее число проходов n может быть определено по формуле:

n = (Fн. м. - F1)/Fп + 1,

где Fнм - общая площадь поперечного сечения наплавленного металла всего шва в мм2.

В настоящее время значения площадей поперечного сечения наплавленного металла для стандартных сварных соединений можно найти в изданных еще в советское время Общемашиностроительных укрупненных нормативах времени (ОУНВ) на разные способы сварки. Разработчики этих документов проводили расчеты в помощь нормировщикам сварочных работ, но они могут использоваться для решения других технических задач.

В ОУНВ на ручную дуговую сварку в Приложении 10 приведены формулы для расчета площади поперечного сечения наплавленного металла всех сварных соединений из ГОСТ 5264-80, а в Приложениях 2-7 - рассчитанные по этим формулам значения площадей для разных толщин металла или катетов угловых швов.

Аналогичные, но еще более обширные сведения имеются в ОУНВ на дуговую сварку в среде инертных газов. Там так же в приложении приведены расчетные формулы, а сами рассчитанные по ним значения площадей в карты неполного штучного времени для каждого типа соединения по ГОСТ 14771-76 (для сталей) и ГОСТ 14806-80 (для алюминия и алюминиевых сплавов). Особенно важно, что в тех же картах неполного штучного времени имеются данные о количестве проходов.

К достоинствам ОУНВ следует отнести большую дифференциацию интересующих нас данных по способам сварки (ручная, полуавтоматическая, автоматическая), типам электродов (плавящийся, неплавящийся), группам свариваемых материалов (углеродистые и низколегированные стали, высоколегированные и легированные, алюминий и алюминиевые сплавы, медь и медно-никелевые сплавы).

К сожалению, в специализированной литературе нет аналогичных данных для сварки под флюсом. В принципе их можно получить расчетами, учитывая, что основные виды разделки кромок по ГОСТ 8713-79 аналогичны таковым для сварки в защитных газах и значит можно использовать те же формулы для расчета площадей поперечного сечения наплавленного металла, а конкретные значения конструктивных элементов подготовки кромок и размеров швов имеются в ГОСТе. На данный момент такие расчеты не проводились.

Современные методы и средства статистической обработки данных позволяют значительно упростить работу пользователей. В частности табличное представление данных во многих случаях можно заменить аналитическими моделями. Такую свертку таблиц провели в отношении данных о площадях наплавленного металла для разных типов соединений из ГОСТ 5264-80 и 14771-86. Расчеты показали, что значения площадей Fнм достаточно точно описываются формулами вида полинома второй степени.

Fнм = b1 + b1S + b2S2,

где S - толщина свариваемых деталей (или катет шва для соединений с угловыми швами); b0, b1, b2 - коэффициенты уравнения.

Для каждого типа сварного соединения коэффициенты индивидуальны. Чтобы рассчитать требуемую площадь, достаточно найти соответствующую формулу и подставить в нее значения толщины металла S (или катет шва). Этим полиноминальные модели выгодно отличаются от приводимых в литературе общих формул для расчета площадей.

В качестве примера приведены две формулы для расчета площади Fнм в соединении С17 - одну из ОУНВ, другую - полученную статистической обработкой данных:

Fнм = Sb + (S - c)2 tgα + 0,75eg,

Fнм = -9,36 + 3,26S + 0,33S2.

Видно, что для расчетов по первой формуле необходимо для каждой толщины металла брать из ГОСТа еще пять значений конструктивных элементов подготовки кромок и размеров швов, тогда как во втором выражении присутствует только одна переменная - толщина металла S.

Таким образом, в рассмотренных источниках информации есть данные об общих площадях поперечных сечений наплавленного металла для стандартных сварных соединений. К сожалению, ОУНВ были изданы более 20 лет тому назад, с тех пор не пересматривались и не переиздавались, поэтому в настоящее время они малодоступны для широкого круга специалистов.

Еще большую проблему создает неопределенность рекомендаций о расчетных значениях площадей F1 и Fп для первых и последующих проходов (см. таблицы 1 и 2).

Значения толщин металла и соответствующих площадей F1 и Fп даны в больших диапазонах. Неизвестно, какие значения площадей следует брать для расчета числа проходов при промежуточных значениях толщин (между 10 и 100 мм).

Выводы:

1. Для определения числа проходов при многопроходной сварке необходимо располагать данными о площади поперечного сечения наплавленного металла и ее составляющих. Эти величины связаны с другими параметрами режима сварки - диаметром электрода, скоростью сварки и сварочным током.

2. Для оптимизации числа проходов необходимо доработать существующую методику назначения площадей первого и последующих проходов сварки.

По материалам доклада Э. В. Лазарсона и В. Ф. Аптыкова, специалистов Пермского национального исследовательского политехнического университета

Задача 6:Определите необходимое количество наплавленного электродного металла (Gн) для заварки … шва РДС. Толщина свариваемого металла -… мм, тип шва по ГОСТ 5264-80 -…,длина шва -… см.

1.Масса необходимого наплавленного электродного металла для заварки шва определяется по формуле:

Gн=Vн· γ , г,где Vн – объем необходимого наплавленного электродного металла, см , γ

Gн =Fн· lш ·γ , г,где Fн –площадь сечения наплавленного электродного металла шва, см ,lш – длина шва, см.

γ - плотность наплавленного электродного металла, г/см

2.Площадь сечения наплавленного. электродного. металла шва (Fн ) определяется графически по чертежам, с помощью эпидиаскопа и образцов или по формулам (приблизительно).Есть формула площади сечения всего шва (Fш ),где ширина шва умножается на глубину проплавления (толщину свариваемого металла) и определенный коэффициент. Если шов сварен согласно ГОСТ 5264-80(для РДС) ,то в этом ГОСТеустанавливаются соотношения ширины шва и глубины проплавления (толщины свариваемого металла).Кроме того, площадь сечения шва всего шва (Fш ) состоит из площади сечения проплавления основного металла (Fпр ) и площади сечения наплавленного электродного металла (Fн ),которые в свою очередь от вида разделки кромок находятся друг другу в определенной пропорции, если шов сварен по ГОСТу. Таким образом нетрудно определить площадь сечения наплавки исходя только из типа сварного шва по ГОСТу, вида разделки и толщины свариваемого металла (приблизительно).

Таб 6:Формулы для определения площади сечения наплавленного металла в зависимости от типа сварного шва:

Тип шва по ГОСТ 5264-80	Чертеж, вид разделки кромок	Формула
1.С2,С4, С5	Без разделки кромок	Fн=0,013 ·б ,см б -толщина св.мета- лла, мм
2.С8	С односторонней разделкой кромок	Fн=0,01· б , см б- толщина св.мета- лла, мм
3.С25	С Х-образной разделкой кро- мок	Fн1=0,003· б , см Fн2=0,0028· б ,см Fн=Fн1+Fн2 б- толщина св.металла, мм
4.С7	Двухсторонний без разделки кромок	Fн1=0,0034· б ,см Fн2=0,0032· б ,см Fн=Fн1+Fн2 б- толщина св.металла, мм
5.С15	С К-образной разделкой кро- мок	Fн1=0,0028· б ,см Fн2=0,0026· б ,см Fн=Fн1+Fн2 б- толщина св.металла, мм
6.С17		Fн=0,011· б ,см б- толщина свар.ме- талла, мм
7.С23	С U-образной разделкой кро- мок	Fн=0,012· б ,см б-толщина свар.ме- талла,мм
8.У6
9.У8
10.У9	С V-образной разделкой кро- мок	Fн=0,011 б ,см б- толщина свар.ме- талла, мм
11.У4	Без разделки кромок а) б)	а)Fн=0,007· б ,см б- толщина свар.ме- талла, мм б)Fн=0,007· к ,см к- катет шва, мм
12.Т1	Без разделки кромок, односто- ронний	Fн=0,007· к ,см к- катет шва, мм
13.Т3	Без разделки кромок, двухсто- роний	Fн1=Fн2=0,007· к см Fн=Fн1+Fн2 б- катет шва, мм
14.Т6	С односторонней разделкой одной полки	Fн=0,01· б ,см б- толщина раздела- нной полки, мм
15.Т8	С К-образной разделкой кро- мок одной полки	Fн1=0,0028· б ,см Fн2=0,0026· б ,см Fн=Fн1+Fн2 б- толщина разделанной полки, мм

Задание: В соответствии со своим вариантом решите задачу 6.

Найдите Fн,Gн.Плотность (γ) принять 7,8 г/см (плотность стали) .

Исходные данные вариантов:

Пример: Определите необходимое количество наплавленного электродного металла (Gн) для заварки стыкового шва РДС. Толщина свариваемого металла – 8 мм, тип шва по ГОСТ 5264-80 –С8,длина шва -115 см.