Спосіб контролю міцності поясних швів зварних профілів

Реферат: Винахід належить до будівництва, а саме до способів контролю міцності поясних швів складених зварних профілів для виготовлення металевих конструкцій. Спосіб заснований на випробуванні зразків зварного двотавра у формі коротких відрізків , виготовленого на тому ж обладнанні та в тому ж технологічному режимі, що й при серійному виготовленні складених зварних профілів. Розміри зразків відповідають вимогам норм проектування і конструкторської документації, забезпечують можливість їх виготовлення у звичайному технологічному режимі роботи зварювального обладнання, закріплення у захватах розривної випробувальної машини, а також забезпечують запаси міцності полички та стінки, що призводять до руйнування практично всіх зразків по зварних швах. Запропонований спосіб забезпечує достовірність контролю міцності поясних швів за рахунок випробування поясних швів натурних розмірів у відрізках зварних двотаврів, виготовлених серійним способом, з розмірами поперечних перерізів, що гарантують руйнування практично усіх зразків по зварних швах. Забезпечується достовірність контролю якості поясних зварних швів. UA 99006 C2 (12) UA 99006 C2 UA 99006 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до будівництва, а саме до способів контролю міцності поясних швів складених зварних профілів для виготовлення металевих конструкцій і може бути використаний для контролю якості зварних двотаврів та інших профілів, у тому числі при проведенні сертифікаційних, періодичних кваліфікаційних випробувань. Відомі способи контролю якості кутових зварних з'єднань [5, 6] базуються на контролі форми та розмірів шва, візуальному виявленні дефектів зварювання, застосуванні ультразвуку, рентгенівських променів чи радіаційного випромінювання для виявлення прихованих дефектів, оцінюванні твердості наплавленого металу, випробуванні на розтяг малих зразків, виготовлених із наплавленого металу або випробуванні спеціально зварених зразків установленої конструкції. Найближчим способом, прийнятим як прототип, є випробування спеціально виготовлених зразків кутових зварних з'єднань, конструкція яких регламентована стандартом [1]. Перевага цього способу полягає в тому, що замість опосередкованого контролю шляхом вимірювання твердості чи міцності наплавленого металу проводиться безпосереднє випробування зварного шва в цілому. Це забезпечує контроль міцності обох встановлених нормами проектування [2] розрахункових перерізів кутового шва: по металу шва й по межі сплавлення з основним металом. Тим самим досягається достовірність результатів випробувань швів, зварених ручним або напівавтоматичним способом, які дозволяють виконувати короткі зварні шви. Недоліками прототипу є відмінність зразків установленої конструкції [1] від реальних конструкцій, а також трудність виготовлення таких зразків із використанням обладнання для автоматичного зварювання, яке не дозволяє виконувати короткі зварні шви. Таким чином, метод-прототип [1] не забезпечує достовірного контролю міцності швів, особливо тих, що виконані автоматичним зварюванням. Спільною з прототипом ознакою є механічне випробування несучої здатності кутових зварних швів натурних розмірів. В основу винаходу поставлена задача забезпечення достовірності контролю якості поясних зварних швів, що з'єднують полички зі стінкою складених двотаврових профілів, за рахунок випробувань зразків, виготовлених на тому ж обладнанні та в тому ж технологічному режимі, що й при серійному виготовленні складених зварних профілів. Поставлена задача вирішується шляхом використання .для випробувань зразків у формі коротких відрізків зварного двотавра, виготовленого серійним способом. Суть винаходу полягає у тому, що випробування проводяться на зразках у формі коротких відрізків зварного двотавра, спеціально вибрані розміри яких забезпечують: • відповідність профілів, з яких відбираються зразки для випробувань, вимогам норм проектування та конструкторської документації; • можливість виготовлення зразків у звичайному технологічному режимі, роботи обладнання, що використовується при серійному виготовленні, зварних профілів; • запаси міцності полички та стінки, що забезпечують руйнування зразка по зварних швах; • можливість закріплення в захватах розривної випробувальної машини; • достатню потужність випробувальної машини. Схема виготовлення зразків для випробувань поясних швів зображена на фігурі 1. Довжина зразка (вздовж осі двотавра) приймається рівною 40-80 мм відповідно до вимоги СНиП [2] щодо мінімальної довжини кутового шва, рівної чотирьом його катетам: lw 4 k f . Висота стінки та ширина полички двотавра, який є заготовкою для відрізання зразків, визначається з умови розміщення зразка в захватах випробувальної машини. Інші розміри поперечного перерізу цього двотавра розраховуються залежно від заданого для випробувань катета поясного шва таким чином, щоб руйнування зразка відбувалося по швах. Для забезпечення випробувань поясних швів з найпоширенішими катетами в межах від 4 мм до 14 мм виконані розрахунки елементів поперечного перерізу двотаврів за таким алгоритмом (числові дані наведені для зразка зі сталі С 235, звареного двосторонніми швами з катетом k f 6 мм, які виконані автоматичним зварюванням під флюсом із використанням зварювального дроту Св 08А): 1. Виходячи із заданого катета шва k f , який необхідно випробувати, за розрахунковими формулами й таблицями СНиП [2], з урахуванням коефіцієнта рівня контролю (коефіцієнта запасу міцності) 1,263 за ДСТУ Б В.2.6-10-96 [3] (при випробуванні трьох зразків конструкцій І класу відповідальності) визначається контрольне навантаження на 1 погонний сантиметр двосторонніх поясних швів: Nf 2 k f 2 0,6 110 18,0 23,8 кН; , f Rwf Nz 2 kz NC 1263 min(Nf ,Nz ) 1263 22,4 , , z Rwz 2 0,6 115 16,2 , 22,4 кН; 28,2 кН. 1 UA 99006 C2 5 У випадку випробування іншої кількості зразків значення коефіцієнта запасу міцності встановлюється за ДСТУ Б В.2.6-10-96 [3]. 2. Товщина стінки t w , необхідна для сприйняття контрольного навантаження, розраховується за СНиП [2] з умови роботи на розтяг: t w NC / Ry 28,2 / 23,0 123 см 12мм . , 3. Виходячи з конструкції захватів випробувальної машини, встановлюється висота стінки h w , ширина полички b f та відстань між точками її обпирання на захвати lf . Як приклад, для 10 випробувальної машини УИМ-50, захвати якої зображені на фігурі 4, прийнято hw 350 мм , bf 80 мм мм, lf 50 мм мм. 4. Товщина полички розраховується за СНиП [2] з умови роботи на згин між • точками обпирання на захвати випробувальної машини: Ь tr 15 20 NС lf 4 Ry w 15 Nc lf , Ry Ry 2 1 tr 6 15 28,2 5 , 23,0 3,03 см 30 мм . Результати аналогічних розрахунків для інших катетів зварного шва наведені в таблиці 1. Заміна марки сталі поличок і стінки призведе до відповідного вибору марки зварювального дроту, у результаті чого співвідношення між катетом шва, товщиною стінки й полички зразка залишиться практично незмінним. Таким чином, вказані в таблиці 1 розміри поперечного перерізу зразків можна використовувати для усіх марок сталей. Розміри зразків для випробувань можуть коригуватися з урахуванням конструкції випробувальної машини та її захватів, але при цьому несуча здатність стінки на розтяг та несуча здатність полиці на згин повинні перевищувати розрахункову несучу здатність кутових поясних швів, що випробуються, не менше ніж на встановлений ДСТУ Б В.2.6-10-96 [3] коефіцієнт рівня контролю 1,263 для випробування трьох зразків. Таблиця 1 Рекомендовані розміри зразків k f , mm Nf ,KH Nz ,кH NC , кH t w , мм t f , мм 4 5 6 7 8 9 10 12 14 15,8 19,8 23,8 27,7 31,7 35,6 39,6 47,5 55,4 14,9 18,6 22,4 26,1 29,8 33,5 37,3 44,7 52,2 18,8 23,5 28,2 32,9 37,6 42,4 47,1 56,5 65,9 8 10 1214 16 18 20 24 28 25 28 30 32 36 40 40 42 50 25 30 35 При проведенні випробувань, полички зразка закріпляються в захватах випробувальної машини таким чином (фігура 2), щоб у стінці створювалося зусилля розтягу, а поясні шви працювали на зріз упоперек шва. Згідно зі СНиП [2], міцність кутових зварних швів при навантаженні упоперек шва не відрізняється від їх міцності при навантаженні вздовж шва. Тому прийнята схема випробувань (при зрізі впоперек шва) з точки зору роботи поясних швів є еквівалентною до їх реальної роботи на зріз уздовж шва. Процедура випробувань зварного з'єднання полиць зі стінкою (поясних швів) для кожного катета шва зводиться до такої послідовності операцій: • на працюючій в нормальному технологічному режимі автоматизованій лінії зварюється двотавр мінімально можливої довжини, конструкція якого наведена на фігурі 1, а розміри визначені за таблицею 1 залежно від катета шва k f , котрий необхідно випробувати; • із звареного двотавра згідно з вказівками фігури 1 абразивом відрізаються 3 зразки довжиною не менше ніж 4 k f ; 2 UA 99006 C2 5 10 15 • кожен із трьох зразків закріпляється поличками в захватах випробувальної машини, як показано на фігурах 3, 4, і випробовується на розтяг до руйнування зварних швів; • у випадку руйнування зразка від розриву стінки отримане руйнівне навантаження враховується як результат випробування, якщо воно перевищує розрахункову несучу здатність швів не менше ніж - на 26,3 %, інакше випробується додатковий зразок; • мінімальне руйнуюче навантаження, отримане за результатами випробувань 3-ох зразків, порівнюється з розрахунковою несучою здатністю двостороннього кутового зварного шва відповідного катета, обчисленою за СНиП Н-23-81* [2]; • відповідно до вимог ДСТУ Б В.2.6-10-96 [3] щодо конструкцій І класу відповідальності,, міцність зварного > з'єднання вважається задовільною, якщо отримано коефіцієнт запасу, міцності не менший за коефіцієнт рівня контролю 1,263. У випадку випробування іншої кількості зразків коефіцієнт запасу міцності визначається за ДСТУ Б В.2.6-10-96 [3}. Можливість руйнування зразків від розриву стінки або від згину полички перевірена імовірнісним розрахунком за методикою [4]. Виходячи із характерного для границі текучості сталі коефіцієнта варіації V 0,1 та тристандартної забезпеченості розрахункових значень, середнє значення й стандарт границі текучості основного й наплавленого металу визначаються за формулами: MR R / 0,7 23 / 0,7 32,9 кН / см2 ; SR 20 25 30 0,1 MR 3,29 кН / см2 . 0,1 32,9 За тими ж формулами можна визначити середнє значення й стандарт несучої здатності через відповідне розрахункове значення. Оскільки конструкція зразка передбачає руйнування від зрізу зварних швів, руйнуюче навантаження можна вважати нормально розподіленою випадковою величиною, рівною несучій здатності швів. Тоді за наведеними формулами через розрахункову несучу здатність по межі сплавлення основним металом 1 см двостороннього шва катета 6 мм отримуємо статистичні характеристики (середнє значення й стандарт) руйнуючого навантаження: MN = 31,94 кН, SN = 3,19 кH. Статистичні характеристики несучої здатності стінки при розтягу, дорівнюють Mw MR t w 1см 32,9 12 1 39,43 кН; , Sw 0,1 Mw 0,1 39,43 3,94 кН. Статистичні характеристики несучої здатності полички при згині дорівнюють Mf Sr 35 MR t 2 1 15 lr , 0,1 Mf 45 0,1 39,4 39,4 3,94 кН. Згідно з методикою [4] визначаються статистичні характеристики (середнє значення й стандарт) резерву міцності стінки M Mw MN 39,43 3194 7,49 кН; : , S 40 32,9 32 1 15 5 , S2 w 2 SN 3,942 3,192 5,07 кН. Імовірність руйнування від розриву стінки, рівна імовірності появи від'ємних значень резерву міцності, визначається через функцію нормального розподілу P F(M, S 0) 0,070 . Імовірність руйнування від згину полички визначається аналогічним чином і при вибраній конструкції зразка також дорівнює 0,07. Результати розрахунків для усіх зразків, призначених для випробувань зварних швів катетом від 4 мм до 14 мм, наведені в таблиці 2. Розміри зразків прийняті за таблицею 1. Таблиця 2 Імовірності руйнування зразків від розриву стінки та від згину полички Розміри зразка, мм kf tw ft 4 5 8 0 25 28 Характеристики навантаження MN , кН Sn , кН Характеристики міцності стінки Mw , кН Sw , кН Характеристики міцності стінки Mf , кН Sf , кН 21,29 26,61 26,29 32,86 27,38 34,35 2,129 2,661 2,629 3,286 3 2,738 3,435 Імовірність руйнування Pw Pf 0,070 0,070 0,040 0,038 UA 99006 C2 Продовження таблиці 2 6 7 8 9 10 1-2 14 5 10 15 20 25 12 14 16 18 20 24 28 30 32 36 40 40 42 50 31,94 37,26 42,58 47,91 53,23 63,87 74,52 3,194 3,726 4,258 4,791 5,323 6,387 7,452 39,43 46,00 52,57 59,14 65,71 78,86 92,00 3,943 4,600 5,257 5,914 6,571 7,886 9,200 39,43 44,86 56,78 70,10 70,10 77,28 109,5 3,943 4,486 5,678 7,010 7,010 7,728 10,95 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 0,070 0;070 0,070 0,096 0,023 0,004 0,028 0,091 0,004 Із таблиці видно, що ймовірність руйнування усіх зразків від розриву стінки дорівнює 0,07, а від згину полички - змінюється від 0,004 до 0,096. Оскільки кожен зразок точно буде зруйнований, наведені дані свідчать, що від розриву стінки зруйнується лише один зразок із 1/0,07 =14 випробуваних зразків. Від згину полички може зруйнуватися, залежно від конструкції зразків, від одного з 11-ти до одного з 250 зразків. Досить мала імовірність руйнування зразків від розриву стінки чи згину полички свідчить про достатні запаси міцності цих елементів порівняно з міцністю швів, що випробуються. Переважна більшість зразків буде руйнуватися від зрізу зварних швів, що й необхідно забезпечити для успішних випробувань. Таким чином, використання як зразки для випробувань відрізків зварних двотаврів, виготовлених серійним способом, забезпечує випробування на зріз поясних швів, зварених у нормальному технологічному режимі роботи зварювального автомата, а обґрунтований вибір розмірів поперечних перерізів цих двотаврів за таблицею 1 гарантує руйнування практично всіх зразків по зварних швах. Тим самим запропонований спосіб забезпечує достовірність контролю міцності поясних швів. Джерела інформації, на які є посилання в описі 1.ГОСТ 6996-66 (СТ СЭВ 3521-82 - СТ СЭВ 3524-82, СТ СЭВ 6732-89) Сварные соединения. Методы определения механических свойств. 2. СНиП П-23-81*. Нормы проектирования. Стальные конструкции. 3. ДСТУ Б В.2.6-10-96 «Конструкції сталеві будівельні. Методи випробування навантаженням». 4. Ржаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. - (М.: Стройиздат, 1978.)- 240 с. 5. ГОСТ 14782-86 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые. 6. ГОСТ 7512-82 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Радиографический метод. 30 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 Спосіб контролю міцності поясних швів зварних профілів, який полягає в механічному випробуванні на зріз зразків поясних кутових швів, який відрізняється тим, що для випробувань використовують зразки у формі коротких відрізків зварного двотавра, які мають поперечний переріз натурних розмірів, товщину полички та стінки, достатню для руйнування зразків по зварних швах, і довжину менше від чотирьох катетів шва й виготовлені у звичайному технологічному режимі роботи зварювального обладнання. 4 UA 99006 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5