Сварные соединения

Сварным - называется неразъемное соединение, выполненное сваркой, т.е. путём установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании или пластическом деформировании.

Основные понятия, термины и определения, относящиеся к сварке металлов стандартизированы. Технология сварочного производства изучается в курсе технологии металлов.

Сварные соединения являются наиболее распространенными и со­вершенными из неразъемных соединений, так как лучше других обеспе­чивают условия равнопрочности, снижения массы и стоимости конструк­ции Замена клепаных конструкций сварными уменьшает их массу до 25% а замена литых конструкций сварными уменьшает расход металла до 30% и более. Трудоемкость сварных конструкций значительно меньше клепаных, а возможности механизации и автоматизации технологическо­го процесса значительно больше. Сварка позволяет соединять детали сложной формы, обеспечивает сравнительно бесшумный технологиче­ский процесс и герметичность соединений. В настоящее время сваривают детали, изготовленные из черных, многих цветных металлов, а также из пластмасс. Свариваемость материалов характеризуется их склонностью к образованию трещин при сварке и механическими свойствами соедине­ния. Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали, пло­хой— высокоуглеродистые стали и чугуны.

Недостатки сварных соединений: недостаточная надежность при ударных и вибрационных нагрузках, коробление деталей в процессе сварки, концентрация напряжений и сложность проверки качества соединений.

Существует много видов сварки, которые можно подразделить на две группы: сварка плавлением и сварка давлением. Часть конструкции, в ко­торой сварены примыкающие друг к другу элементы, называется свар­ным узлом. В машиностроении наибольшее распространение имеют свар­ные узлы, полученные разновидностью сварки плавлением — дуговой «аркой, при которой нагрев осуществляется электрической дугой; мень­шее распространение имеет контактная сварка с применением давления, при которой нагрев производится теплом, выделяемым при прохождении электрического тока в зоне контакта соединяемых деталей. В дальнейшем рассматриваются соединения, полученные дуговой сваркой.

Металл соединяемых сваркой деталей называется основным, а металл предназначенный для введения в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному называется присадочным; переплавленный присадочный металл, введённый в сварочную ванну, называется наплавленным. Участок соединения, образовавшийся в результате кристаллизации металлической сварочной ванны, называется сварным швом. Металл шва является сплавом основного и наплавленного металла, а иногда толь­ко переплавленным основным металлом.

Рисунок 2.6 - Виды сварных соединений:

(а) стыковое, (б) нахлесточное

Рисунок 2.7 - Виды сварных соединений:

(а) угловое, (б) тавровое

Существуют следующие виды сварных соединений рис. 2.6: стыковое (а), нахлесточное (б); рис 2.7: угловое (а), тавровое (б). Шов стыкового сварного соединения называется стыковым, а швы нахлесточного, углового и таврового соединений называют угловыми. Сварные швы мо гут быть непрерывными и прерывистыми; последние имеют промежутки по длине шва. Металл шва, наплавленный за один проход, называется валиком; один или несколько валиков, расположенных на одном уровне поперечного сечения шва, называется слоем.

Сварные швы по форме поперечного сечения могут быть нормаль­ными (рис. 2.6, б), выпуклыми (рис. 2.6, а; 2.7, а) и вогнутыми (рис. 2.7, б). Выпуклость шва обозначается g, а вогнутость — Δ; их величина не должна превышать 3 мм. Выпуклый угловой шов, кажущийся на первый взгляд более прочным, имеет значительную концентрацию напряжений по сравнению с нормальным и особенно вогнутым швами, так как выпук­лый шов образует более резкое изменение сечения детали в месте соеди­нения. Поэтому при действии на конструкцию переменных нагрузок ре­комендуется применять вогнутые угловые швы, хотя вогнутость их обыч­но достигается механической обработкой, которая значительно увеличи­вает стоимость соединения. У стыковых швов со снятыми механическим способом выпуклостями концентрация напряжений практически отсутствует.

Различают швы лобовые и фланговые (см. рис. 2.6), расположенные соответственно пер­пендикулярно и параллельно линии действия нагрузки; крме того, бывают швы косые комбинированные.

Расчет сварных соединений. Основным критерием работоспособ­ности сварных соединений является прочность, причем предполагается, что напряжения в опасных сечениях распределены равномерно.

Расчет стыковых соединений производится по нормальным напряжениям растяжения или сжатия по номинальному сечению соединяемых элементов без учета выпуклости шва: I

,

где δ — толщина соединяемых элементов; L — длина шва; [σ'] — допус­каемое напряжение металла шва для принятой технологии сварки (напряже­ние в металле шва обозначаем соответствующей буквой со штрихом).

Основным геометрическим и расчетным параметром угловых швов является катет К (если катеты сечения шва не равны, то шов характеризуют меньшим катетом). В большинстве случаев катет шва принимают равным толщине соединяемых деталей.

Расчет угловых швов производится по касательным напряжениям сдвига в опасном сечении 7—7, расположенном в биссекторной плоско­сти прямого угла (см. рис. 2.7, а), без учета выпуклости шва:

,

где 0,7К ≈ К∙sin45° — высота опасного сечения шва; L — суммарная длина швов (см. рис. 2.6, б); [τ'] — допускаемое напряжение металла шва для принятой технологии сварки.

В нахлесточном соединении (см. рис. 2.6, б) внешние силы F обра­зуют пару сил, моментом которой ввиду малого плеча пренебрегают. Приведенные расчетные формулы пригодны для швов сварных конструк­ций, нагруженных осевыми силами, но не моментами; последний случай встречается реже, и мы его рассматривать не будем.

Допускаемые напряжения для сварных швов принимают в зависимости от допускаемых напряжений на растяжение для основного металла с учетом характера действующих нагрузок и принятой технологии сварки.

Ориентировочно для стальных конструкций при статической нагрузке:

[σ'_p] = (0,9...1)[σ_p];.[ σ'_c] = [σ_p];

[τ'_p]= (0,6...0,65)[ σ_p].

Здесь [σp] = σт /[s], где σ_т —предел текучести основного материала; [s] — допускаемый коэффициент запаса прочности ([s] = 1,35... 1,7, большие значения для легированных сталей).

Для переменных нагрузок допускаемые напряжения понижают с уче­том характеристики цикла напряжений, эффективного коэффициента концентрации напряжений в сварных швах, числа циклов нагружения и других факторов.

Максимальную длину лобового и косого швов не ограничиваю длину фланговых швов следует принимать не более 60 К, где К — катет шва во избежание значительной неравномерности распределения нагрузки по длине шва. Минимальная длина швов не менее 30 мм, так как иначе неизбежные дефекты (непровар в начале шва и образование кратера в конце шва) будут значительно снижать его прочность. Учитывая дефекты, короткие швы следует увеличить по длине на 5—10 мм против расчетной величины. Величина перекрытия соединяемых элементов в нахлесточных соединениях не должна быть меньше четырехкратной толщины материала.

Швы в конструкциях следует располагать так, чтобы они были нагружены равномерно. Поэтому соединение симметричных элементов следует выполнять симметрично расположенными швами и наоборот; напряжения растяжения или сжатия должны распределяться по сечению соединяемых элементов равномерно, а продольная сила должна проходить через центр тяжести сечения.

Сказанное выше о видах сварных соединений, типах сварных швов, их параметрах и расчетных формулах относится также к сварным соединениям из алюминия, алюминиевых сплавов, винипласта, полиэтилена и других материалов. I

Сварка алюминия производится в среде защитного газа неплавящимся металлическим электродом с подачей в сварочную ванну присадочной проволоки.

Сварка винипласта и полиэтилена производится горячим воздухом с присадочным прутком. Разработаны методы сварки пластмасс нагревательным элементом, токами высокой частоты, ультразвуком.

Рисунок 2.8 – Клепаное соединение

Пример 2.1. Стержень, состоящий из двух равнополочных уголков, соеди­ненных косынкой, нагружен постоянной растягивающей силой F = 200 кН (рис. 2.8).

Определить номер профиля уголков и длину швов сварной конструкции соединения. Сравнить по весу сварную конструкцию узла с клепаной. Материал уголков — сталь с допускаемым напряжением [σ_p] = 140 МПа.

Решение. Из расчета на растяжение определим площадь сечения уголков:

2А = F/[σ_p] = 200∙10³/(140∙10⁶) = 0,00143 м²= 14,3 см².

Для одного уголка А = 7,15 см. По ГОСТу выбираем уголок N6,3, имеющий площадь поперечного сечения 7,28 см², толщину полки d = 6 мм и координату центра тяжести z0 = 17,8 мм.

Так как конструкция несимметрична, то длина фланговых швов должна быть различна и пропорциональна силам F₁ и F₂. Разложим силу F на две параллельные составляющие по формулам:

F₁/F = {b-z₀)/b; F₁ + F₂=F.

Решая эти уравнения, получим:

F₁=F(b-z₀)/b = 200∙10³(63-17,8)∙10^-3/(63∙10^-3) = 129∙10³ Н;

F₂=F – F₁=200∙10³ – 129∙10³=71∙10³ Н.

Определим допускаемое напряжение на срез для сварного шва, полагая свар­ку ручной электродами обычного качества:

[τ'] = 0,6[σ_p] = 0,6∙140 = 84 МПа.

Определим длину швов, приняв катет шва K = d = 6 мм:

l₁ = F₁(2∙0,7K[τ']) = 129∙10³/(2∙0,7∙6∙10^-3∙84∙10⁶) = 0,182 м = 182 мм

l₂ = F₂/(2∙0,7 K[τ']) = 71∙10³/(2∙0,7∙610^-3∙84∙10⁶) = 0,1 м=100мм.

Округляя, принимаем l₁ = 185 мм, l₂ = 55 мм, добавив для коротких швов по 5 мм против расчетной длины.

Если для данной конструкции применить клепаное соединение, то уголки будут ослаблены отверстиями под заклепки. Приняв диаметр заклепок равным удвоенной толщине полки уголка, а диаметр отверстий под заклепки d0 = 14 мм из расчета уголков на растяжение, определим площадь А₁ поперечного сечения одного уголка

А₁ = F/(2[σ_p]) + d₀d = 200∙10³/(2∙140∙10⁶) + 14∙10^-3∙6∙10^-3 = 799 10^{-6 м2} = 7,99 см².

В этом случае необходимо принять уголок N7 с площадью поперечного сечения 8,15 см. Сравнивая площади поперечных сечений уголков, делаем вывод, что масса уголков клепаной конструкции на 12% больше, чем сварной.