2.7 Розрахунок зварних швів на міцність.
При проектуванні зварної конструкції, яка складається з стаканів, ребер та основи, міцність зварних швів визначається на підставі розрахунків, які зводяться до визначення напруг, що виникають в елементах виробу від навантаження.
Існують два способи розрахунку:
1.По напругах, що допускаються;
2.По граничних станах.
При розрахунку першим способом умова міцності має вигляд:
σ ≤ [σ]
де: σ – напруга в небезпечному перетині;
[σ] – напруга, що допускається.
де: σт – межа текучості сталі 14ХГС;
n – коефіцієнт запасу міцності, залежний від характеру навантаження, товщина металу, марки сталі.
Для сталі 09Г2 напруга, що допускається, складає: [σ]=200МПа, а межа текучості σт=270 МПа, то коефіцієнт запасу міцності рівний:
Спосіб розрахунку по напругах, що допускаються, простий. Але визначення [σ] або n проводиться спрощений, без точного урахування умов роботи. Більш точний розрахунок, що враховує умови роботи, однорідність металу дає розрахунок по граничному стану.
При розрахунку умова міцності має вигляд:
де: N – розрахункове зусилля, Н;
F – площа перетину, м2;
R – розрахунковий опір матеріалу, МПа;
m – коефіцієнт умов роботи.
Для зварювання кутових швів із сталі 09Г2 при всіх способах контролю R=170 МПа. Максимальне зусилля N для кутових швів розраховують по формулі:
для
кутових швів:
де: К – катет шва, м;
L – довжина шва, м;
0.7 – коефіцієнт, що показує, що розрахунок ведеться на руйнування шва по гіпотенузі прямокутного трикутника (форма перетину кутового шва);
δ – товщина металу, мм
Оскільки всі деталі які входять в корпус зварюються кутовими швами, то застосовуємо першу формулу. Згідно теми, катети швів 10мм . Загальна довжина шва:
Lшва = 1381,6 + 2800 = 4181,6 мм
Зусилля на кутові шви опори розраховується за формулою:
N=0,7 · 0,010 · 4,181 · 17 · 107 = 497,54 ·104 Н;
Висновок. При навантаженні деталей корпусу більш ніж на 497,54·104 Н, деталі конструкції почнуть руйнуватися.
2.8 Дефекти зварних швів.
Зварні шви металевих конструкцій, трубопроводів, резервуарів і так далі повинні задовольняти вимогам ГОСТу. Основними вимогами, які пред'являються до зварних швів являються, : забезпечення зварним швам необхідної міцності, пластичності, ударної в'язкості, опоруі проти утворення тріщин та ін.
Для виконання вказаних вимог зварні шви не повинні мати: дефектів, які призводять до зниження міцності і руйнування конструкцій.
Дефектами в зварних швах називаються відхилення від норм передбачених технічними умовами. Дефекти по характеру розташування в зварних швах бувають: зовнішні і внутрішні. Зовнішні дефекти розташовуються на поверхні шва, а внутрішні в середині і в корені шва.
Оскільки зварювальний корпус, згідно теми, виготовляється ручним дуговим зварюванням, то і дефекти які утворюються можуть бути зовнішні та внутрішні.
До зовнішніх дефектів відносяться нерівномірність шва по ширині, угнутість, посилення шва, нерівномірність величини посилення по усій довжині і підрізи.
До внутрішніх дефектів відносять непровари, пропалення, тріщини, газові пори, неметалічні (шлакові) включення.
Нерівномірність шва по ширині утворюється із-за недостатньої уважності електрозварника під час зварювання, із-за нерівномірних коливань електроду упоперек шва або переміщення уздовж зварюваних кромок.
Зайва угнутість шва утворюється від застосування великої величини зварювального струму при великій швидкості зварювання.
Неоднакова величина посилення по усій довжині шва залежить від нерівномірної швидкості переміщення електроду уздовж зварних кромок і від величини прихваток. Чим постійніше буде швидкість переміщення електроду і чим менше будуть прихватки, тим постійніше буде величина посилення по всій довжині шва.
Підрізом називається зменшення перерізу товщини основного металу в місці його переходу до посилення зварного шва. Підріз є дефектом, який утворюється при зварюванні в будь-якому положенні шва. Він зменшує поперечний переріз зварного з'єднання і викликає концентрацію напруги.
Причинами утворення дефектів є: неправильний кут нахилу електроду,
великий струм, затримка електроду на кромках, велика довжина дуги і невідповідність діаметру електроду.
Пропал утворюється через повну відсутність кромок зварюваного виробу і наявності великого проміжку між кромками, а також великої величини зварювального струму і нерівномірної швидкості зварювання.
Непроваром називається місцевий недостатній сплав основного металу з металом електроду, що розплавляється, і не сплавляється між окремими валиками. Не провар утворюється із-за неправильної підготовки кромок і збирання зварних елементів під зварювання - малий кут оброблення кромок, мала величина проміжку, велика величина притуплення і зміщення кромок, недостатня величина зварювального струму, низька напруга на дузі, неправильний кут нахилу електроду, наявність бруду, окалини, шлаку і іржі на поверхні зварних кромок.
Тріщини виникають як в шві, так і в основному металі. Вони можуть бути холодними і гарячими. Тріщини, що утворюються після охолодження металу називаються холодними. По характеру розташування тріщини бувають поперечні і подовжні, розмірами від невидимих до декількох міліметрів завширшки і декількох сантиметрів в довжину.
На утворення тріщин впливають:
хімічний склад і структура основного металу – при великому вмісті вуглецю, марганцю, кремнію, більша можливість утворення тріщин;
товщина зварюваного металу - велика товщина сприяє утворенню тріщин;
порушення технології і неправильний підбір режимів зварювання;
температура довкілля - чим нижче температура, тим більше вірогідність утворення тріщини.
Газові пори бувають мікроскопічні і до 2-3 мм в діаметрі. Утворюються із-за поганого очищення кромок зварного виробу, бруду, іржі, окалини, масла, вологи, великої довжини дуги і невідповідності полярності струму.
Неметалічні включення в зварному шві виникають із-за поганого очищення місць під зварювання, поганої якості електродів і неправильного режиму зварювання.
Ступінь впливу дефектів на міцність зварних конструкцій залежить від форми, розмірів, глибини залягання дефекту, а також температури, при якій конструкція працювала.