3.1 Расчет сварных швов на прочность

На прочность рассчитываются только расчетные швы, связующие – нерасчетные швы.

При расчетах швов надо исходить из того, что прочность сварных швов из стали должна быть не ниже прочности основного металла, из алюминиевых сплавов – несколько ниже.

Например, прочность сварного шва сплава Амг-6 не менее 0,7 от основного металла при ручной сварке и 0,8 при автоматической.

Расчет сварных швов на прочность сводится к сопоставлению расчетных напряжений с допускаемыми: σ  [σ] , где σ –расчетное, а [σ] – допускаемое напряжение.

Надежность конструкции характеризует запас прочности n_З=σ_в ; для стали обычно

берутn_З= 2,2…2,6;[σ]

Расчет сварных швов на растяжение упрощенно выполняют по формуле (1).

_в

п_з

Р  [σ] · S · l  · S · l (1),

где, Р– расчетное усилие (действующая нагрузка),

_в - предел прочности на растяжения сварного шва. ( Для строительных конструкций из

н/у стали принимают _в =150МПа , учитывая неблагоприятные условия сварки: потолочная сварка, ветер и т.п. При сварке в обычных условиях _в берут равным типу электрода,

например, для электрода типа Э42 _в = 420МПа ).

S – расчетная толщина сечения шва (см. рис. 11).

l - длина шва,

п_з - запас прочности.

Например, требуется вычислить длину флангового шва с катетом 5мм, если действующая нагрузка Р = 40000 Н (см. рис.13). S= 3,5мм ( 5·45º = 3.5 )

Из формулы (1) имеем

P · n_з

_в· S

40000 · 2,6

150· 3,5

l = = = 198 мм

т.е. длина шва данного сечения lдолжна быть не менее 198 мм (см. рис. 13).

При расчетах надо учитывать, что начало и конец шва - всегда дефектные участки по 8…12мм, поэтому минимальная длина расчетного шва в любой конструкциидолжна быть не менее 30мм.

l

Р

Р

Рис. 13.

4 Сварочная дуга

Электрическая сварочная дуга представляет собой длительный электрический разряд между двумя электродами в ионизированной смеси газов, паров металла и компонентов, входящих в состав электродных покрытий и флюсов. Если одним из электродов является свариваемый металл, то такая дуга называется дугой прямого действия (рис. 14). Если дуга горит между двумя отдельными электродами (неплавящимися), то эта дуга называется дугой косвенного действия. Существует и дуга комбинированного действия, которая включается в цепь 3-х фазного тока, и горит как между двумя электродами, так и между каждым из электродов и свариваемым металлом. В технике чаще применяется дуга прямого действия, обеспечивающая более глубокое проплавление металла и лучшее использование тепла дуги. Самая мощная – комбинированная дуга (иначе ее называют 3-х фазной дугой).

~

~

~

а) б) в)

Рис. 14. Схемы электрических сварочных дуг.

а)прямого действия,б)косвенного действия,в)комбинированного действия.

Дуга прямого действия прямой полярностиусловно показана на рис.15.

U_Д

1

2 _

U_К U_СТ U_А

t=3000ºC

3

4

t=7000ºC

6

5

7 8

t=4000ºC

+

Рис. 15.

1 – электрод, 2 – катодное пятно, 3 – катодная область, 4 – столб дуги, 5 – анодная область, 6 – анодное пятно, 7 – сварочная ванна, 8 – основной металл, справа – кривая падения напряжения в дуге: U_K – падение напряжения в катодной области,U_СТ – в столбе дуги,U_А – в анодной области,U_Д – напряжение дуги, L -длина дуги, h – глубина проплавления (провар).

Дуга прямого действия постоянного тока прямой полярности, горящая между металлическим электродом и свариваемым металлом, имеет три ясно различимые зоны: катодную 3, граничащую с катодным пятном 2 на электроде 1; анодную, граничащую с анодным пятном на металле 8 и столб дуги 4.

При средних значениях тока (200 – 300А) диаметр анодного пятна в 1,5-2,0 раза больше диаметра катодного. Столб дуги образует плазму - особое состояние вещества, состоящую из смеси электронов, положительных и отрицательных ионов и нейтральных атомов, и находящегося при очень высоких температурах. Сумма всех зарядов в столбе дуги равно 0, поэтому столб дуги нейтрален. Вообще, газы и пары при обычных физических условиях являются электрически нейтральными веществами и почти не проводят ток. Электрический ток начинает проходить через газ только при наличии в нем частиц, несущих электрические заряды: электронов, положительных и отрицательных ионов. Такой газ называется ионизированным Чем больше электронов и ионов движется в газе, тем выше ионизация газа и его электропроводность. Ионизируется дуговой промежуток, в основном, свободными электронами, выбрасываемыми катодом, которые при соударении с атомами и молекулами газа выбивают из них электроны, превращая частицы в положительные или отрицательные ионы, способные проводить электрический ток. Представим себе это более подробно. С поверхности катода под действием электрического тока начинают вылетать электроны. Это явление носит название электронной эмиссии. Под действием электрического тока в катодной области движение сильно ускоряется. При столкновении с нейтральными атомами газа электроны, обладая большой энергией движения, выбивают из оболочки более тяжелого и поэтому менее подвижного атома один или несколько электронов. Эти электроны уже с меньшей скоростью движутся к положительно заряженному аноду под действием его электрического поля. Атом же с выбитыми из его оболочки электронами, потерявший часть отрицательного электричества, становится положительным ионом, который устремляется к отрицательно заряженному катоду. При ударе о поверхность катода положительный ион выбивает из него электроны: часть их них он захватывает, превращаясь снова в нейтральный атом, а часть электронов через столб дуги устремляется к аноду. Отрицательные ионы образуются из нейтральных атомов при захватывании ими свободных электронов. Описанный процесс образования электрических заряженных частиц в среде газов и паров называется объемной ионизацией. Ионизация возникает не только при соударении электронов с молекулами и атомами газа. Ее могут вызвать также энергия светового излучения, особенно ультрафиолетовые лучи (так называемая фотоионизация), или нагревание газов и паров столба дуги до температуры 2000ºС, ускоряющее движение частиц и увеличивающее число их соударений (термическая ионизация).

Степенью ионизацииназывается отношение количества заряженных частиц в данном объеме газа к общему количеству частиц до ионизации.

Потенциалом ионизацииназывается количество энергии, которое необходимо затратить для полного удаления одного электрона из оболочки атома данного вещества. Разные элементы обладают различными потенциалами ионизации. Потенциал ионизации атомов калия в 3,4 раза, натрия в 2,8 раза ниже, чем потенциал ионизации атомов азота и кислорода. Этим объясняется благоприятное воздействие калия, натрия, кальция на устойчивость горения дуги, поэтому эти элементы вводят в состав электродных покрытий и флюсов.

Возникновение дуги происходит при касании концом электрода свариваемого металла, т.е. короткого замыкания сварочной цепи. Проходя через отдельные выступы на конце электрода, ток, имеющий в точках соприкосновения электрода с металлом очень высокую плотность, мгновенно расплавляет их, вследствие чего между электродом и металлом образуется тонкая прослойка из жидкого металла. В этот момент следует несколько отвести электрод, отчего в жидком металле образуется шейка, в которой плотность тока и температура металла возрастает. Затем, благодаря испарению расплавленного металла, шейка разрывается, газы и пары, заполняющие образовавшийся промежуток, мгновенно ионизируются, и между электродом и металлом возникает сварочная дуга (рис. 16).

V

1

3

2

а) б) в) г)

Рис.16. Схема возникновения дуги между металлическим электродом и металлом.

а)- короткое замыкание

б)- образование прослойки из жидкого металла

в)- образование шейки

г)- возникновение дуги

1 – электрод, 2 – основной металл, 3 – дуга.

Напряжение дугиопределяется разностью потенциалов между катодом (электродом) и анодом (свариваемым металлом). Общее падение напряжения в дугеU_дскладывается из падения напряжения в катодной областиU_к, столбе дугиU_сти анодной областиU_а, т.е.U_д=U_к+U_ст+ +U_а.

На рис. 15 справа показано изменение напряжения в 3-х областях дуги. Падения напряжения в катодной и анодной областях, можно считать, постоянны, так как они зависят только от материала электродов, давления и свойств газовой среды. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине дуги L, которая равна расстоянию между анодом и катодом, точнее, между анодным и катодным пятном, так как при глубоком проваре часть дуги погружена в металл.

Для средних значениях тока можно считать, что напряжение дуги не зависит от величины тока, а определяется только длиной дуги. Чем короче длина, тем ниже напряжение в ней и, наоборот, с удлинением дуги ее напряжение увеличивается, так как с увеличением длины дуги повышается сопротивление столба дуги. Эту зависимость можно выразить формулой:

U_Д = а + в ·L, (2).

где U_Д - напряжение дуги, В

а - постоянный коэффициент, выражающий сумму падений напряжений на катоде ианоде, независящий от длины дуги

в -среднее падение напряжения на единицу длины дуги, В/мм

L- длина дуги,мм.

Возбуждение дуги требует более высокого напряжения, чем при ее горении, так как в начальный момент воздушный промежуток еще недостаточно нагрет, и необходимо придать электронам большую скорость для ионизации атомов газового промежутка, чего можно достичь только при более высоком напряжении зажигания дуги.

Вольтамперная характеристика (В/А) дуги– это кривая, показывающая зависимость между напряжением и током в дуге (рис.17). Как видно из графика, при малых токах (зона 1) увеличение тока приводит к уменьшению напряжения (падающая В/А характеристика).

Это вызвано тем, что при токах до 80А увеличение тока приводит к увеличению площади сечения столба дуги и его электропроводности. Такая дуга неустойчива и поэтому находит ограниченное применение.

На участке IIдуга имеет жесткую В/А характеристику (линия горизонтальна), т.е. напряжение дуги не изменяется при увеличении или уменьшении тока. Это обусловлено тем, что при этих условиях площадь сечения столба дуги и площади катодного и анодного пятен увеличиваются (или уменьшаются) пропорционально величине тока, поэтому плотность тока и падение напряжения во всех областях дуги остаются постоянными, независимо от изменения тока. Такая дуга находит наиболее широкое применение при сварке. При токах свыше 800 А (зонаIII) плотность тока в дуге повышается настолько, что при увеличении тока начинает возрастать и напряжение дуги. Это обусловлено тем, что при токах свыше 800 А катодное пятно занимает весь торец электрода, и дальнейшее увеличение тока в дуге будет вызывать повышение плотности тока на катодном пятне и сопротивления столба дуги, т.е. его электропроводность понижается.

Дуга с возрастающей в/а характеристикой широко используется при сварке под флюсом и в защитных газах.

U_Д

50

40

30

20

I II III

0 80 800 I_Д

Рис. 17.

Устойчивость горения дуги.

Дуга, горящая равномерно, без обрывов, требующих повторного зажигания, называется устойчивой. Дуга, которая горит неравномерно, часто обрывается и гаснет, называется неустойчивой. Устойчивость горения, в основном, зависит от рода и полярности тока, состава электродного покрытия, длины дуги. Кроме того, для устойчивого горения дуги очень важно правильно выбрать источник питания тока.