Proračun naprezanja u kutnim i sučeonim zavarima

Što je stres?

External forces acting on a welded component cause internal deformations called welding stresses. The stress that acts perpendicular to the surface of the cross-section is called the normal stress, where a distinction should be made between tensile and compressive stress.

grčko slovo Σ (sigma) koristi se za označavanje normalnog naprezanja pri zavarivanju. Naprezanja koja djeluju tangencijalno na promatranu površinu presjeka nazivaju se smični naponi i predstavljaju grčko slovo Τ (Tau).

Smična naprezanja (važna za dizajn kutnog zavara) uvijek se pojavljuju u parovima i usmjerena su prema ili od spojenih rubova okomitih ravnina. Ne postoji stanje jednoosnog posmičnog naprezanja.

Principles of welding joint design

Načela projektiranja zavarenih spojeva temelj su dobrog zavara. Dizajn zavarenih spojeva je kritičan za ukupnu čvrstoću i stabilnost konstrukcije. Postoji nekoliko čimbenika koji se moraju uzeti u obzir prilikom projektiranja zavarenih spojeva.

1. Kutni zavari se uvijek projektiraju na temelju posmičnih naprezanja na grlu (a).
2. Odabrat će se zavareni spoj takve vrste koji će zahtijevati minimalnu količinu zavarenog metala. Koristite manji praktični korijenski otvor i kut utora za dizajn sučeonog zavara.
   • Na primjer, ako se utor od 20 stupnjeva može zadovoljavajuće zavariti, nema razloga za većim kutom utora. Ovo ne samo da će smanjiti izobličenje i zaostala naprezanja, već i potrebu i troškove PWHT-a i bilo kakve ponovne obrade uzrokovane izobličenjem.
3. Sučeoni zavar na debelim komponentama mora biti projektiran korištenjem dvostrukih V ili U žljebova zavara kako bi se smanjila količina zavarenog metala i zaostalih naprezanja te za kontrolu izobličenja.
4. Spojeve treba izraditi s najboljim mogućim prilagodbom jer spojevi s većim razmakom zahtijevaju dodatne troškove i sredstva.

Naprezanje u kutnim zavarima

Ugaoni zavareni spojevi mogu biti opterećeni vlačnim, tlačnim ili smičnim naprezanjem. Ali od ova tri tipa, samo je posmično naprezanje odgovorno za kvar ugaonog zavara pod opterećenjem. Ugaoni zavar uvijek ne uspijeva pri opterećenju na smicanje.

Kritična dimenzija s obzirom na čvrstoću kutnog zavara ili sučeonog zavara je veličina grla (a) za ugao i dimenzija grla (s) za sučeoni zavareni spoj.

Ovo je minimalna debljina zavara na ravnoj liniji koja prolazi kroz njegov korijen. Za izračun naprezanja kutnog zavara od 45° s duljinom kraka (L), teorijska vrijednost debljine grla je 1/√2 ili 0,707L, gdje je L duljina kraka kutnog zavara. U stvarnoj praksi, debljina grla kutnih zavara mora se držati unutar granica od 0,6L i 0,9L.

Naprezanje u kutnim zavarima smatrat će se smicanjem primijenjenim na efektivnu površinu za bilo koji smjer primijenjenog opterećenja. Tok naprezanja odvija se kroz grlo zavara u kutnom zavaru i grlo zavara podnosi najveće naprezanje.

Kada se naprezanje primijeni u kutnom zavarenom spoju, grlo će biti mjesto kvara ako opterećenje premaši maksimalnu nosivost. To je razlog zašto projektni izračuni kutnih zavara uzimaju u obzir izračun veličine grla.

Za laički izračun razine naprezanja u kutu u nastavku, možete koristiti donju jednadžbu/formulu koja će vam pomoći da pronađete vrijednost naprezanja, veličinu grla (a) ili efektivnu duljinu zavara (L) ako znate bilo koju od ove 2 komponente:

Naprezanje (N/mm2) = (opterećenje, P)/ (duljina zavara x grlo zavara, a)

Ovu formulu možete koristiti za izračunavanje razine naprezanja, veličine grla (a) ili efektivne duljine zavara (L) za kutne zavare pod naprezanjem na smicanje, pogledajte donju skicu.

U inženjerskoj praksi, izračuni kutnih zavara provode se uzimajući u obzir njihovu primjenu za posmično opterećenje (jer su kutni zavari uglavnom izloženi posmičnom naprezanju).

Najvažniji čimbenik je saznati dopušteni smični napon ili proračunski smični napon. Kao pravilo, možete smatrati projektirano smično naprezanje jednakim polovici granice razvlačenja osnovnog materijala.

Razlog za razmatranje vrijednosti do polovine granice razvlačenja u dizajnu kutnog zavara je inherentni dizajn spoja. Kutni zavari uvijek imaju manjak korijenskog prodiranja (nisu zavari punim prodiranjem) i veću kombiniranu debljinu u usporedbi sa sučeonim zavarima.

Kao što je gore objašnjeno, ISO standardi koriste veličinu grla (a) za izračun ugaonog zavara, međutim, u našim američkim kodeksima, veličina dužine kraka (z) se uzima u obzir za izračun dizajna.

Ovo je praktički prikladno u slučaju kosog kutnog zavara, gdje možemo dokazati odnos između veličine grla (a) i veličine dužine kraka (z) kao što je navedeno u nastavku:

Veličina grla (a) = 0,7 x veličina duljine noge (z) ili duljina noge (z) = 1,4 x veličina grla (a)

Iako ova jednadžba neće funkcionirati u slučaju konkavnog kutnog zavara ili konveksnog kutnog zavara jer veličina grla neće praktički predstavljati duljinu kraka ili obrnuto.

Kako izračunati smično naprezanje u kutnom zavarivanju

Kutni zavari dizajnirani su za opterećenje posmičnim naprezanjem. U slučajevima kada primijenjeno opterećenje nije okomito na kutni zavar, tada će zavar biti pod naprezanjem na smicanje.

To će znatno smanjiti nosivost zavara. Zbog ovog problema, u fazi projektiranja zavarenog spoja, pretpostavlja se da će se posmično opterećenje (naprezanje) primijeniti na zavare kao što je prikazano na donjoj skici.

Ovdje je zavar paralelan s primijenjenim opterećenjem. Sile zatezanja vuku ploče koje se spajaju u suprotnim smjerovima, a rezultirajuće područje zavara je pod opterećenjem posmičnih naprezanja slično preklopnom spoju.

U zavarenoj komponenti koja nosi posmično opterećenje, vlačna svojstva žice ili elektrode za zavarivanje ne mogu se uzeti u obzir. jer je vlačna čvrstoća smanjena za faktor (obično smanjena za 70%) kako bi se osigurala sigurnost.

Kao što je navedeno u AWS D1.1, minimalna vlačna čvrstoća metala zavara množi se s faktorom 0,30 da bi se dobio dopušteni smični napon na zavaru kako je navedeno u donjoj jednadžbi:

dopušteno naprezanje, Fv = 0,30 FEXX (1,0 + 0,50 sin1,5 θ)
gdje
Fv = dopušteno jedinično naprezanje
FExx = klasifikacijski broj elektrode, tj. klasifikacija čvrstoće elektrode
θ = kut između smjera sile i osi elementa za zavarivanje, stupnjevi

Uzimajući u obzir gornji faktor sigurnosti u našem izračunu naprezanja gdje su naprezanja posmično naprezanje, τ ne vlačno naprezanje, možemo vidjeti:

Gdje,

τ: Maksimalno dopušteno smično naprezanje u zavaru,

F: nosivost zavara

A: učinkovito područje zavarivanja.

Pretpostavimo da je zavar duljine 10 inča na dva mjesta s obje strane napravljen elektrodama za zavarivanje E7018 koje imaju minimalnu vlačnu čvrstoću od 70 000 psi kao što je prikazano u nastavku.

Dakle, dopušteni smični napon za zavare bit će = 70 000 psi x 0,30 = 21 000 psi. (sniženje od 70%)

Ako je veličina zavara 1/2-inča kao što je prikazano na gornjoj slici uglova duljine kraka, tada će čvrstoća na smicanje (kapacitet opterećenja) zavara biti:

kao što je ranije izračunato, dopušteni smični napon je 70 000 x 0,30 = 21 000 psi.

Da bismo dobili A (efektivna površina zavara), prvo trebamo pretvoriti duljinu kraka u veličinu grla. kao što znamo a= zx 0,707 pa moramo pomnožiti duljinu kraka kao (1/2 x 0,707 = 0,3535 inča) puta duljina (10 inča) puta 2 zavara.

Efektivna površina ukupnog zavara bit će: 10 in x 0,3535 in x 2 = 7,07 sq-in.

Sada možemo riješiti F.

F = 21 000 x 7,07 = 148 470 lbf

Ovdje kako se zavarivanje izvodi paralelno s opterećenjem, naprezanje je sedamdeset posto manje u usporedbi sa zavarivanjem koje se izvodi u okomitom smjeru na primijenjeno opterećenje.

Calculation of the alternative allowable stress of the fillet weld

U slučaju jednog linearnog kutnog spoja ili zavara s više kutnih zavara koji se sastoje od paralelnih linearnih kutnih zavara, svi opterećeni pod istim kutom i opterećeni u ravnini kroz središte skupine zavara,
dopušteno naprezanje može se odrediti formulom:
Fv = 0,30 FEXX (1,0 + 0,50 sin1,5 θ)
gdje
Fv = dopušteno jedinično naprezanje
FExx = klasifikacijski broj elektrode, tj. klasifikacija čvrstoće elektrode
θ = kut između smjera sile i osi elementa za zavarivanje, stupnjevi

Odnos između duljine noge z i veličine grla a

Veličina ‘a’ izračunava se od prethodnog kuta izratka prije zavarivanja do 45° stvorene sredine zavarenog šava.

Bočna stijenka – spoj između zavarenog šava i osnovnog materijala naziva se – ‘z’. Veličina ‘a’ nije ništa više od hipotenuze jednakokračnog trokuta.

Za kutni zavar s jednakim duljinama krakova, trokut poprečnog presjeka je pravokutni trokut s kutovima od 45 stupnjeva u svakom kutu. Odnos između grla zavara, a, i dužine kraka z dan je sa:
a ≈ 0,7z i z ≈ 1,4 a
(Za matematičare, 0,7 je 1/√2, a 1,4 je √2).

Donja skica daje izračun za različita naprezanja u zavarima.

Slični postovi

Open this in UX Builder to add and edit content