Выбор сварочных материалов

Свариваемость конструкционных углеродистых, легированных и низколегированных сталей определяется приближенно по эквиваленту углерода С_Э по формуле

C_Э=C+0,05Mn+0,067Ni+0,1(Cr+Mo+V),

где C - содержание углерода, %;

Mn - содержание марганца, %;

Ni - содержание никеля, %;

Сг - содержание хрома, %;

Мо - содержание молибдена, %;

V - содержание ванадия.

В зависимости от величины С сталь по свариваемости подразделяется на четыре группы:

I - хорошая свариваемость, С_Э<0,25 %;

II - удовлетворительная свариваемость, С_Э=(0,25-0,39) %;

III - ограниченная свариваемость, С_Э=(0,39-0,5) %;

IV - плохая свариваемость, С_Э>0,5 %.

При выборе марок сталей для сварных конструкций следует применять марки сталей, отнесенных к группам свариваемости I, II, III. Применение марок сталей группы IV следует ограничивать.

К сварочным материалам относятся сварочная проволока, флюсы, электроды для ручной электродуговой сварки, защитные и горючие газы.

При назначении сварочных материалов необходимо учитывать их технико-экономические характеристики: марку свариваемого материала, обеспечение требуемой формы и размеров швов, обеспечение необходимых механических свойств сварных соединений и коррозионной стойкости, возможность сварки в различных пространственных положениях, предупреждение появления трещин в металле шва и зоне термического влияния, способ сварки, стоимость, коэффициент полезного действия.

Для обеспечения эксплуатационной надежности сварных соединений необходимо обеспечивать не только равнопрочность шва с основным металлом, но и высокую пластичность металла шва. Практически это сравнительно легко достигается при сварке малоуглеродистых сталей. При сварке высокопрочных и легированных сталей, когда не представляется возможным подобрать электроды, обеспечивающие сочетание этих условий, следует предпочитать электроды с несколько меньшей прочностью наплавленного металла, но с более высокой пластичностью.

При сварке алюминия и его сплавов допускается применение сварки в среде инертных газов, контактной, газовой, ручной электродуговой, под флюсом.

Выбор состава проволоки для сварки обусловливается требованиями, предъявляемыми к металлу шва и соединениям. Обычно требования предусматривают стойкость против образования трещин, прочность, пластичность, коррозионную стойкость.

Расчет сварных соединений на прочность

Прочность сварного соединения зависит от качества основного материала, определяющего его способность к свариванию, от совершенства технологического процесса сварки и от характера действующих нагрузок (постоянные и переменные). Все принятые в инженерной практике методы расчета сварных соединений являются приближенными, дающими возможность получить решение с меньшей затратой времени.

Сварные швы разделяют на рабочие и связующие. На прочность рассчитывают только рабочие швы, которые воспринимают и передают рабочую нагрузку между соединяемыми деталями. Связующие швы служат только для связи элементов в неразъемную конструкцию. Они мало нагружены и их не рассчитывают.

Например, на рис.17.1 рабочими являются швы (№1) крепления консоли 2 к колонне 1; связующими – швы (№2) соединения полок и стойки консоли, швы (№3) соединения стенки 3 и консоли, швы (№4) сварки площадки 4 с полкой консоли.

Рис.17.1

Наиболее трудной и ответственной частью расчета является правильный выбор допускаемых напряжений, или запасов прочности с учетом всех особенностей рассчитываемой конструкции, технологии ее изготовления и условий эксплуатации.

Допускаемые напряжения в сварных швах при статической нагрузке определяют в зависимости от допускаемых напряжений на растяжение σ_p для основного металла:

- при растяжении

σ _p =σ_т/ k,

где k - коэффициент запаса прочности, принимаемый обычно равным 1,4-1,6 к допускаемым напряжениям на основной металл;

- при сжатии

σ_cp=σ_p

- при срезе

τ_p=(0,5-0,6)σ_p

В зависимости от вида сварного соединения и сварки принятые допускаемые напряжения для сварных швов понижаются путем умножения их на коэффициент φ (таблица 3).

Таблица 3. Значения коэффициента φ в зависимости от вида сварного соединения и сварки

Вид сварного соединения	Вид дуговой сварки	φ
Стыковое с двусторонним проваром	Автоматическая под флюсом	1,00
Ручная, выполненная качественным электродом	0,95
Ручная с повышенными требованиями контроля	1,00
Стыковое на подкладке	Ручная	0,90
Стыковое при одностороннем шве	Автоматическая под флюсом	0,80
Ручная	0,70
Тавровое со сплошным проваром	Автоматическая под флюсом	1,00
Ручная	0,70
Тавровое с угловыми швами без сплошного провара Внахлестку с двумя швами	Автоматическая под флюсом или ручная	0,80

Таблица 4. Значения эффективных коэффициентов концентрации напряжений для сварных швов

Сварной шов	Коэффициент k σ(k τ) для стали
углеродистой	низколегированной
Стыковой с полным проваром корня шва	при автоматической и ручной сварке и контроле швов
при ручной сварке без контроля качества шва		1,4
при автоматической сварке без контроля качества шва	1,1	1,2
Угловой лобовой	при ручной сварке	2,3	3,2
при автоматической сварке	1,7	2,4
Угловой фланговый шов, работающий на срез от осевой силы	3,4	4,4

Допускаемые напряжения при периодическом нагружении

σ _Rp =γσ _p,

τ _Rp =γτ _{p ,}

где γ - коэффициент понижения допускаемых напряжений,

γ=1/[(ak _σ+ b)-(ak _σ- b) R ]≤1,

где k _σ(k _τ) - эффективный коэффициент концентрации нормальных (касательных) напряжений (см. таблицу 4);

а, b - коэффициенты (для углеродистых сталей а =0,58, b =0,26; для низколегированных а =0,65, b =0,3).

Коэффициент асимметрии цикла R определяют как отношение наименьшего и наибольшего по абсолютному значению напряжений и сил, взятых со своими знаками:

R = R _σ=σ_min/σ_max= F _min/ F _max,

R = R _τ=τ_min/τ_max= F _min/ F _max.