Výpočet svarových spojů: metody, vzorce a nástroje

Tupé klouby. Pro pohodlí přenosu silových toků jsou tupé spoje nejdokonalejší, protože prakticky neexistují žádné odchylky těchto toků, a proto nedochází k téměř žádné koncentraci napětí.

Proto ze všech svarových spojů fungují tupé spoje lépe při dynamickém zatížení. Tyto spoje jsou navíc ekonomické z hlediska spotřeby materiálu. Hlavní nevýhodou tupých spojů je nutnost velmi přesně řezat spojované prvky a často řezat hrany.

Ruční svařování na tupo lze provádět bez speciálního opracování hran s tloušťkou t spojovaných prvků do 8 mm as automatickým svařováním – do t = 20 mm (obrázek níže). Když jsou prvky tlustší, okraje jsou řezány (zkoseny pod úhlem) pro snadné svařování a pro zajištění úplného proniknutí. Zkosení lze vyrobit pouze na jedné straně (švy ve tvaru V a U, obrázky níže) nebo na obou stranách (švy ve tvaru X a K, obrázky níže). Jednostranné svařování je z hlediska provedení práce jednodušší, umožňuje kontrolu průvaru kořene svaru (kde je nejvíce vad) a následné vyztužení z kořenové strany (reverzní svařování). Při jednostranném svařování však v důsledku smršťování švů dochází ke zkroucení svařovaných prvků.

Drážkování okrajů tupých svarových spojů

Při oboustranném svařování (svary ve tvaru X a K) je objem svaru menší, a proto je nižší spotřeba deponovaného kovu. Tento faktor, stejně jako symetrie umístění švu, má příznivý vliv na deformace smršťováním. Nevýhodou oboustranného svařování je obtížná kontrola kvality průvaru střední části (kořen svaru) a zvýšená náročnost výroby, jelikož je nutné svařovat z obou stran, na což má výrobek být otočen. Na začátku a na konci svaru je svarový kov nekvalitní. Aby se tato nevýhoda odstranila, svařování by mělo začínat a končit na speciálních podložkách – olověných proužcích, které dočasně prodlužují švy (obrázek níže). Na konci svařování se tyto pásy spolu s počátečními a konečnými úseky švu odříznou a konce švů a přilehlé oblasti se očistí.

V případě spojování plechů různých tlouštěk tupým švem je přechod z větší tloušťky na menší možný díky vhodnému provedení vnějšího povrchu švu (obrázek níže) pouze v případě, že rozdíl v tloušťkách není žádný. více než 4 mm a velikost výstupku ve spoji nepřesahuje 1/8 tloušťky tenčího plechu.

Montáž tupých svarů do plechů různých tlouštěk

Při větším rozdílu tlouštěk a při dynamickém zatížení by měly být u silnějšího plechu opatřeny úkosy se sklonem až 1:5 (obrázek níže). Za vypočtenou tloušťku tupého svaru se považuje tloušťka spojovaných prvků, a pokud je jejich tloušťka jiná, pak tloušťka tenčího prvku (bez zohlednění nanesené housenky nahoře). Designová délka švu l_wvezměte v úvahu jeho skutečnou délku mínus 2 t, s přihlédnutím k nedostatečnému průniku na začátku a na konci švu. Pokud bylo svařování zahájeno a dokončeno na olověných páscích, pak se délka svaru nezkracuje.

Napětí ve švu se kontroluje pomocí vzorce

kde N je návrhová síla; R_wy — návrhová odolnost tupého svarového spoje vůči tahu nebo tlaku.

Vypočtené pevnosti v tahu svarových spojů vyrobených ručním nebo poloautomatickým svařováním s konvenčními metodami sledování kvality svaru jsou nižší než vypočtené odpory spojovaného základního kovu, a proto přímý spoj vyrobený takovým svařováním bude nesmí mít stejnou pevnost jako základní kov. Pro získání spoje stejné pevnosti se používá šikmý šev, který je vyroben se sklonem 2:1 (viz obrázek níže).

Když na spoj působí ohybový moment M, normálová napětí ve švu

kde W w = tl 2 _w / 6 – moment odporu švu.

U tupých svarových spojů pracujících současně v ohybu a smyku se redukovaná napětí kontrolují pomocí vzorce

kde σ_w — normální ohybová napětí; tw = Q/(tl_w) je průměrné smykové napětí od smykové síly, stanovené z podmínky rovnoměrného rozložení podél tupého svaru.

Kloubový spoj. Toto spojení je provedeno s nebo bez překrytí pomocí koutových svarů. V závislosti na umístění švů ve vztahu ke směru přenášené síly se rozlišují boční švy (obrázek níže), umístěné rovnoběžně se silou, a čelní švy, umístěné kolmo na sílu.

Spojení s bočními švy (a), směr toku silových vedení a rozložení napětí (b)

Jednoduchost přeplátovaného spoje, který nevyžaduje přesné lícování a zakončování hran, ale pouze čištění, odjehlování a rovnání, je důvodem širokého použití tohoto typu svarového spoje. Jeho nevýhodou je silné zkreslení toku síly při přenosu síly z jednoho prvku na druhý as tím související koncentrace napětí způsobená současnou činností švu pro střih a ohýbání.

Při spojování pomocí bočních švů dochází k nerovnoměrnému přenosu síly jak po délce švu, tak po průřezu spoje (obrázek výše). Po délce je přenos sil nejintenzivnější na koncích švů, kde je rozdíl napětí ve spojovaných prvcích největší. Před prasknutím švu se však vlivem plastické práce přepjatých úseků (počáteční a koncová) napětí vyrovnají. To umožnilo založit výpočet na předpokladu rovnoměrného rozložení smykových napětí na minimální ploše průřezu svaru. K porušení svaru může dojít jak podél svarového kovu (obrázek níže), tak podél základního kovu na hranici jeho svaru se svarovým kovem (obrázek níže), zejména pokud je nanesený kov pevnější než základní kov.

Přední švy (obrázek níže) přenášejí síly rovnoměrněji po šířce než boční švy. V důsledku prudké změny směru toku siločar (obrázek níže) se však velká napětí koncentrují u kořene švu (obrázek níže); V důsledku toho dochází k lomu švu při malých protaženích (ε = 3-4 %), tj. je křehký.

Spojení předními švy

Nerovnoměrné rozložení napětí vede ke snížení kvality spoje. Proto bez ohledu na typ práce (tlak, tah, smyk) je výpočet čelních švů podmíněně založen na řezání podél minimální plochy průřezu švu. Při provádění přeplátovaných spojů s předními švy by měla být délka překrytí nastavena na alespoň pětinásobek tloušťky tenčího prvku (viz obrázek níže). Tím se snižuje účinek dodatečného ohybového momentu.

Normální koutový svar má v průřezu tvar pravoúhlého rovnoramenného trojúhelníku se zakřivenou přeponou (obrázek níže).

Obvyklý přítok konvexního svaru je 0,1 velikosti jeho ramene k_f. V konstrukcích, které přímo nesou dynamická zatížení, se za účelem snížení koncentrace napětí v rohových čelních svarech používají ploché švy s poměrem ramen 1:1,5 (obrázek níže) nebo konkávní švy (obrázek níže).

Průřezy koutových svarů

a – normální konvexní; b—šikmé konvexní; c – konkávní

Minimální svar ramene u konstrukcí pracujících při statickém zatížení je 3 mm pro automatické a poloautomatické svařování, 4 mm pro ruční svařování a 6 mm pro dynamické zatížení. Švy jsou odstupňovány po 1 mm. Navíc nejmenší rameno jednoprůchodových koutových svarů je omezeno v závislosti na tloušťce tlustšího svařovaného prvku. Níže uvedená tabulka ukazuje minimální hodnoty koutových svarů pro hlavní skupiny konstrukcí. K lze vzít největší hodnotu ramena koutového svaru v závislosti na tloušťce spojovaných prvků_f = 1,2t, kde t je nejmenší tloušťka svařovaných prvků.

Kvůli vysoké koncentraci napětí na začátku a na konci svaru musí být délka koutového svaru minimálně 40 mm nebo 4k_f (při dynamickém zatížení 60 mm nebo 6k_f). Maximální délka bočních švů je rovněž omezena a neměla by překročit 85 β_fk_f (β_f– součinitel hloubky průvaru koutových svarů, převzat z níže uvedené tabulky), protože skutečná napětí po délce švu jsou rozložena nerovnoměrně a u dlouhých švů jsou jeho krajní části vystaveny nadměrnému namáhání a střední části podpětí oproti vypočtené hodnotě . Toto omezení se nevztahuje na švy, ve kterých se síla vyskytuje po celé délce, například na pasové švy nosníků.

Minimální hodnoty k_f koutové svary

Mez kluzu svařované oceli, MPa

Svařování je nejdostupnější, nejspolehlivější a nejefektivnější způsob spojování jednotlivých dílů při vytváření kovových konstrukcí. Při dodržení svařovacích technologií jsou švy pevné a hotové výrobky vysoké kvality. Ale v závislosti na podmínkách svařování, tloušťce a typu svařovaného kovu se charakteristiky spojů mohou lišit. Výpočet svarových švů provedený před procesem svařování pomůže určit, jak pevný a monolitický bude produkt.

Výpočet svarových spojů prováděný během procesu návrhu vám umožňuje vybrat správný materiál, který bude mít dostatečnou rezervu bezpečnosti a bude schopen odolat zatížení, které je na něj kladeno.

Způsob výpočtu připojení

Existuje několik typů adhezí kovů a pro každý z nich se výpočet svarového švu provádí individuálně. V závislosti na umístění dílů, které mají být svařovány, se spoje dělí na:

• úhlové, kdy jsou díly, které se mají svařovat, umístěny navzájem kolmo. Pro zvýšení pevnosti konstrukce je nutné správně určit maximální síly na svařovaný rohový šev;
• zadek. Zde jsou konce částí spojeny, přičemž jedna část funguje jako pokračování druhé. Tento způsob spojování je doprovázen indikátory minimální koncentrace napětí a je považován za nejracionálnější. Švy mohou být rovné nebo šikmé;
• překrytí, ve kterém se prvky dílů mírně překrývají. Tato technologie se zpravidla používá při svařování kovů, jejichž tloušťka nepřesahuje 5 mm, kdy je nutné zpevnit šev;
• T-bar. Navenek se podobají hranatým. Prvky, které mají být upevněny, jsou umístěny v pravém úhlu k sobě, ale jsou spojeny na koncích. Při výrobě kovových konstrukcí se takové spoje používají poměrně často. Vyznačují se jednoduchostí provedení, hospodárností a vysokou pevností. Pro kvalitní provedení tohoto typu spojů bude dobrým pomocníkem manuál, výpočet T-svaru podle něj lze provést s bezvadnou přesností a lze se vyhnout případným chybám.

Jak se počítá průřez koutového svaru nebo jiných typů spojů? Existují obecně uznávané vzorce, podle kterých se provádí výpočet svarů různých spojů. Na internetu je volně dostupný také speciální program pro výpočet svarových spojů, pomocí kterého lze zadáním potřebných parametrů získat požadovaný výsledek.

Jaké parametry jsou nutné pro výpočet?

Abyste mohli vypočítat svařování s minimální chybou, měli byste vědět, které parametry ovlivňují pevnost spojů. K určení procesu stlačování a natahování materiálu je třeba použít následující vzorec:

Pro výpočet budou vyžadovány následující ukazatele:

• Yс — koeficient převládajících podmínek na pracovišti. parametr je obecně akceptován a je uveden ve standardizovaných tabulkách. Jednoduše je třeba jej vložit do vzorce používaného pro výpočet koutového svaru;
• Rу — odolnost svařovaného materiálu s ohledem na mez kluzu. Určeno standardními tabulkami;
• Ru — kovová odolnost v souladu s dočasnou odolností. Hodnoty pro substituci vzorce je třeba vyhledat v tabulkách;
• N — maximální povolené zatížení, kterému může šev odolat;
• t — minimální tloušťka materiálu svařovaných prvků;
• lw — největší délka svarového spoje, při výpočtu se zkrátí o 2t;
• Rwу — odolnost stanovená v závislosti na pevnosti v tahu.

V případech, kdy je nutné svařit kovy různých struktur do jediné struktury, jsou hodnoty Ru a Ry převzaty z materiálu s nejnižší pevností.

Také, pokud je nutné vypočítat svarový šev pro smyk, měly by být indikátory vybrány pro materiál s nižší pevností.

Při navrhování ocelových konstrukcí je hlavním požadavkem zajištění maximální možné pevnosti spoje a nepohyblivosti prvků jím spojených. Podle požadavků a s přihlédnutím k umístění a velikosti švů je možné přesně určit jejich optimální typ. Pokud je pro vytvoření kovové konstrukce potřeba udělat několik švů najednou, musí být umístěny tak, aby zatížení bylo rovnoměrně rozloženo na každý z nich.

Tyto parametry lze určit pomocí matematických výpočtů. Pokud jsou získané výsledky neuspokojivé, je třeba provést změny v návrhu a všechny výpočty provést znovu s novými parametry.

Vlastnosti výpočtů pro výrobky s rohovými spoji

Určení délky svarového švu pro roztržení se provádí s přihlédnutím k síle směřující k těžišti. Část pro výpočty by měla být zvolena s vysokým stupněm nebezpečí.

Výpočet svarového švu pro smyk se provádí podle vzorce:

Bez ohledu na typ kovu ovlivňuje každý z indikátorů pevnost spojů:

• N — maximální zatížení, které vyvíjí tlak na spoj;
• ßf, ßz — jsou uvedeny v tabulce a nezávisí na jakosti oceli. Zpravidla se ßz rovná 1, ßf se rovná 0,7;
• Rwf — hodnota smykové odolnosti. Určeno v tabulkách GOST;
• Rwz — existující odpor na spojnici. Hodnoty jsou standardní a jsou převzaty z tabulky;
• Ywf — je 0,85 pro spoj, jehož materiál má odolnost 4200 kgf/cm²;
• Ywz — pro všechny třídy oceli je 0,85;
• с — koeficient podmínek pracovního prostředí, standardní hodnota z tabulek;
• kf — označuje tloušťku vytvářeného švu, měla by být měřena podél tavné linie;
• lw — vypočteno na základě celkové délky spoje zkrácené o 10 milimetrů.

Hodnoty lze vypočítat na základě spojovací linie nebo svařovaného materiálu. Výpočet rohových svarů se provádí na základě průřezu.

Chcete-li pochopit, jak správně vypočítat svarové spoje a konstrukce, příklady a úkoly lze zobrazit na specializovaných webových stránkách na internetu.

Výpočty pro překrývající se spoje

Výpočet svarového švu provedeného s přesahem se provádí s ohledem na typ a polohu spojení, protože s touto technikou mohou být spoje úhlové, čelní a boční.

Při svařování kovových dílů s přesahem se zjišťuje pevnost spojové linie a minimální plocha průřezu. Vzorec pro oblast svaru předpokládá použití menší výšky trojúhelníku podmíněného spoje. Při stejných rozměrech nohou tohoto trojúhelníku pro ruční svařování je výška 0,7.

Při automatickém a poloautomatickém svařování je hloubka ohřevu materiálu větší, proto se výška bere jako konvenční ukazatele uvedené ve standardních tabulkách.

Jak vypočítat délku svarových spojů z hmoty kovu

Pro určení délky spoje existuje vzorec, který udává poměr hmotnosti svaru na délce jednoho metru svaru.

Vzorec je následující: L = G/F × Y, kde L označuje délku svarového švu, G — hmotnost uloženého kovu, F – průřezová plocha, Y — měrná hmotnost doplňkové látky.

Získanou hodnotu je třeba vynásobit měřidly zjištěnými měřením. Aby byly výpočty správně provedeny, je vhodné se nejprve podívat na příklad, podle kterého byl výpočet délky svarového švu proveden ve skutečnosti.

Je důležité pochopit, že žádný vzorec nemůže poskytnout dokonale přesný výsledek. Spotřební materiál by měl být nakupován s rezervou přibližně 5-7%. Někdy je možné na přídavném kovu trochu ušetřit, ale to zvládnou pouze zkušení svářeči s patřičnými dovednostmi.

Postup výpočtu svarových spojů

Aby bylo možné určit, jaké zatížení snese spoj vzniklý při svařování, je nutné správně vybrat všechny potřebné údaje pro výpočet svaru. Chybám v matematických výpočtech můžete předejít, pokud při jejich provádění dodržíte následující pořadí:

1. Určete s minimálními chybami prostorovou polohu, tvar a rozměry charakteristické pro svarový spoj.
2. Dále by měl být nebezpečný úsek (s nejvyšším napětím) otočen na oblast, která je v kontaktu se svařovaným prvkem. Otočení je nutné v případech, kdy rovina spoje zkoumané konstrukce neodpovídá jejímu průřezu. Po otočení by se měl vytvořit nový úsek, který se nazývá vypočítaný úsek.
3. Další kroky se skládají z hledání těžiště na řezu vzniklém v důsledku rotace.
4. Další fází je pohyb externě působícího zatížení do těžiště.
5. Určete, jaké napětí v návrhovém řezu vzniká v okamžiku působení všech silových zatížení, zejména normálových a příčných sil, ohybových a krouticích momentů.
6. Když je napětí známé, je nutné najít bod v řezu, který je nejvíce zatížen. V tomto okamžiku se všechna zatížení působící na plochu slučují současně, což umožňuje určit celkové zatížení. Výsledkem je maximum, kterému bude šev vystaven.
7. Vypočítá se maximální dovolené napětí, které bude působit silou na výsledný svar.
8. Závěrečná fáze spočívá v porovnání maximálních hodnot celkových a dovolených napětí. To nám umožní získat vypočítaný odpor svarového švu a určit rozměry, které zajistí plný a bezpečný provoz vytvářené kovové konstrukce. Pro zajištění větší spolehlivosti obdržených informací se doporučuje provést dodatečný ověřovací výpočet.

Je důležité si uvědomit, že výpočet svarového švu pro smyk nebo pevnost bude relevantní pouze v případě, že bude přísně dodržována technologie vytváření spojů. V každém případě je důležité a nutné spoje vypočítat, protože pouze přesně nastavené parametry mohou zajistit pevné a odolné svarové spoje.

Vady ve svarových spojích v důsledku nesprávných výpočtů

V případě svařovaných kovových konstrukcí je třeba si uvědomit, že jejich efektivní a bezpečný provoz a výpočet rohových svarů, tupých, T-spojů nebo přesahů jsou přímo propojeny. Pokud jsou výpočty ignorovány nebo prováděny nesprávně, výrazně se zvyšuje rizika vad a nepřesností v hotovém výrobku.

Nejběžnější sňatky jsou:

• podříznutí. Drážky jsou vytvořeny podél nebo v blízkosti spojovací linie, což vede k rychlé destrukci konstrukce;
• póry. Vizuálně jsou prakticky neviditelné a vznikají v důsledku průniku plynů vznikajících při procesu tavení elektrody a kovu;
• nedostatek fúze. Oblasti, kde se kov dostatečně neroztavil, což má za následek mezery ve svarovém spoji;
• zahrnutí třetích stran. Jedna z nejnebezpečnějších chyb, v důsledku které se výrazně snižuje pevnost spoje a časem se v něm objevují trhliny;
• studené a horké trhliny. První z nich vznikají po ochlazení konstrukce v důsledku oxidace během procesu tavení. Druhé vznikají při procesu tavení kovu při porušení technologie svařování, například při nesprávné volbě elektrod.

Všem těmto vadám se lze vyhnout, pokud nejprve provedete výpočty pomocí existujících vzorců. To pomůže vytvořit vysoce kvalitní spoje, které vydrží kritické zatížení a síly během provozu konstrukce.

Svařovací kalkulačky

Existují specializované kalkulačky, pomocí kterých lze bez zvláštních dovedností snadno vypočítat délku svaru a určit optimální parametry pro rohové, bodové a tupé spoje.

Pomocí kalkulačky můžete zkontrolovat všechny existující typické spoje se zatíženími, která na ně působí různými silovými silami. Výpočty vám pomohou vybrat velikost a typ tupého spoje, který je vhodný pro konkrétní konstrukci, a také přesně vybrat materiál pro svařování. Výpočty nám umožňují stanovit potřebné geometrické hodnoty svaru a otestovat jeho pevnost.

Nedoporučuje se aplikovat únavové zatížení na bodové spoje, zkosené spoje a nýty svařované za tepla, protože výpočet takových spojů není podporován a výsledky budou nepřesné. Také výpočty nezohledňují změny mechanických charakteristik kovů, které vznikají v důsledku působení zbytkových napětí a teplotních podmínek.

Nástroje pro kontrolu rozměrů svaru

Geometrické parametry svarových spojů se určují pomocí speciálních nástrojů, které umožňují měřit hlavní ukazatele a charakteristiky konstrukcí vyrobených technologií svařování s minimálními chybami.

Mezi tyto nástroje patří standardní šablony, univerzální přístroje a měřicí přístroje, jejichž princip fungování je založen na měření jednoho konkrétního parametru.

Každý profesionální svářeč by měl mít sadu měřicích přístrojů k provádění měření pro předběžné výpočty před procesem svařování a také ke stanovení kvality svaru hotové konstrukce.

Zajímavé video