Совершенствование методики расчета размеров угловых швов

Согласно [1], прочность углового шва определяется размером его минимального сечения В (рис. 1). При ручной сварке размер минимального сечения принимают равным В = 0,707 K . Размер катета определяют путем вписывания равнокатет-ного треугольника в имеющийся угловой шов. При механизированных способах сварки расчетный параметр определяют из выражения

В = K в, где в — нормативный коэффициент, зависящий от способа сварки:

в = 0,85 при полуавтоматической сварке за один проход;

в = 0,8 при полуавтоматической сварке за два и три прохода;

в = 1,0 при автоматической сварке за один проход;

Рис. 1. Расчетные параметры углового шва

р = 0,9 при автоматической сварке за два и три прохода.

Исследования [3, 4] показали, что значения нормативного коэффициента р во многих случаях занижены. Хотя это не идет в ущерб прочности конструкции, но приводит к ее перенасыщению наплавленным металлом. В этой связи теоретическое и экспериментальное определение формы провара и уточнение существующих методов расчета размеров угловых швов в зависимости от параметров режима сварки представляет большой интерес.

В принятой методике [2] последовательность выбора параметров режима сварки и расчета размеров угловых швов тавровых соединений сохраняется такой же, как и для выполняемых за несколько проходов стыковых швов пластин с углом разделки кромок а = 90 ° . Вначале по выбранным параметрам режима сварки рассчитывают размеры шва для случая сварки пластин, собранных встык без зазора и разделки кромок. Затем принимают, что общая высота углового шва D равна высоте стыкового шва, выполненного на том же режиме, а ширина шва B = 2KK . Следует заметить, что в методике [2] не рассматривается вопрос определения расчетного параметра В и глубины провара стенки тавра h _ст .

Зная уравнение кривой, описывающей зону провара углового шва, можно расчетным путем определить величину критического сечения В и проплавление стенки h _ст . Выполненные нами на большом количестве образцов измерения формы поперечного сечения угловых швов на сварных темплетах показали, что более точно зону провара описывает эллипс. Исходя из сказанного, дальнейшие рассуждения о размерах угловых швов будем строить, предполагая, что при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом и в среде защитных газов фактическая форма провара описывается уравнением эллипса.

Вначале рассмотрим случай сварки тавра в «симметричную лодочку» (равнокатетными швами). Если расположить оси координат так, как они показаны на рис. 2, то величина абсциссы точки А будет равна значению расчетного параметра В . Координаты точки А определим, решая совместно уравнения эллипса и прямой, проходящей через точки А и Б . Уравнение эллипса запишем в виде

Y = K^—Do ² - X ² ;                  (1)

D 2

уравнение прямой

Y = X — K .                        (2)

Решая совместно уравнения (1) и (2), получим

2 2 D ² K

A ”2 D ² + K ² .

Поскольку X А = B , то

2 2 D ² K

2 D ² + K ² .

По координатам точек А и Г определим глубину провара стенки тавра hст = V( Ya - Yr )2 —(Xа - Xг )2 ,(4)

где Y_a = h _ct/V2 ; Y _r = 0; X А = B ; X Г = k/ V2 . Подставляя значение координат в выражение (4), получим

. r-( IK hCT = V2B - K = K 1------- ст                               22

.

Выполнение равнокатетных угловых швов в большинстве случаев не является рациональным, поскольку при этом тепловая мощность дуги расходуется неэффективно. Большая ее часть идет на провар полки тавра, что приводит к увеличению ее коробления. При этом с увеличением высоты шва D провар стенки тавра h _ст и расчетный параметр B практически не увеличиваются. На практике для увеличения провара стенки тавра пользуются технологическим приемом сварки в «несимметричную лодочку» (рис. 3). Как видно из рис. 3, повернув вершину углового шва (вершину эллипса) в сторону стенки, не меняя при этом режима сварки, можно увеличить провар стенки и размер критического сечения.

Рис. 2. Расчетная схема определения параметров углового шва

Рис. 3. Увеличение критического сечения В и провара стенки h _ст при выполнении углового шва в «несимметричную лодочку»

При сварке в «несимметричную лодочку» зона провара по-прежнему будет описываться уравнением эллипса, однако размеры D, L, hст и B по сравнению с «симметричной лодочкой» изменятся. Предположим, что тавр повернут относительно оси электрода на угол го (см. рис. 3), тогда у нового шва соотношение между катетами будет

KT = tg ⁹ , K ₁

где 9 = го + 45° .

При неизменных параметрах режима площади наплавленного металла в случае сварки в «симметричную» и «несимметричную» лодочку будут одинаковыми F™ = F™. Исходя из этого, полу- критического сечения В будут наибольшими для данного режима сварки. Назовем такое положение оптимальным, и, соответственно, угловой шов – оптимальным. У оптимального шва вершина полуэллипса, описывающего очертания провара, будет лежать на линии сопряжения вертикальной стенки и полки тавра. Получение такого шва обеспечивается следующим технологическим приемом: электрод располагают строго вертикально, сварное соединение (тавровую балку) поворачивают вокруг своей оси на угол ω , электрод смещают на стенку на величину a (см. рис. 3). Угол θ , смещение a , провар стенки hст и расчетный параметр B при сварке в оптимальном положении определяют из выражений:

чим, что при сварке на одинаковых режимах ширина равнокатетного шва будет равна

L с.л = K V2

а ширина неравнокатетного шва

L н.л

= K1+ + tg2 9

V1 + tg 9

.

Если принять, что площади проплавления равнокатетного и неравнокатетного угловых швов, выполненных на одинаковых режимах, равны F 'p = F p , то получим

tg ⁹ опт

a опт

опт ст

B опт

I 2_V2 D - K

K

K ( tg ² 9 опт - 1 ) 2^/tg ^з29оnm

K tg ^{2 9} опт ;

²Vtg ⁹ опт ’

= D    ²tg ⁹ опт

N ^{1 +} tg ^{2 9} опт

.

_{п =} D с.л L с.л _{= п}    V2tgQ

^D н.л       _т        ^D с.л  /------"--

L н.л           V+ + tg ² 9

По-видимому, шов можно расположить таким образом, что глубина провара стенки h _ст и размер

Выполнение оптимальных угловых швов в тавровых соединениях позволяет существенно повысить расчетную прочность и глубину провара стенки. Последнее имеет важное практическое значение при производстве тавровых стержней,

Рис. 4. Фото шлифа поперечного сечения таврового соединения

выполняемых с полным проваром вертикального листа. Так, расчеты показывают, что на типовом оборудовании можно без разделки кромок обеспечить за один проход с двух сторон сквозной провар стенки тавра толщиной до 30 мм.

Наглядно преимущества сварки угловых швов в оптимальном положении иллюстрирует рис. 4. Швы 1 и 2 выполнены на одинаковом режиме. Шов 1 выполнен в «симметричную лодочку», шов 2 – в «оптимальном положении». Толщина свариваемых пластин S = 20 мм .