СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Сварное соединение образуется путем сваривания материалов деталей в зоне стыка. Наиболее распространена электрическая сварка. Различают электросварку: дуговую и контактную.

Электродуговая сварка основана на использовании теплоты электрической дуги силой тока 200...500 А образующаяся между электродом и кромками свариваемых деталей для расплавления металла. Оплавленные кромки деталей и расплавившийся электрод образуют материал сварного шва. Обмазка электродов выделяет шлак и газ, образуя изолирующую среду, обеспечивающую устойчивое горение дуги и защиту материала шва от вредного воздействия окружающей среды. При сварке углеродистых и низколегированных сталей применяют электроды ГОСТ 9467-73 марки: Э38; Э42; Э46; Э50 или Э42А; Э46А; Э50 или Э42А; Э46А; Э50А. Число после буквы Э умноженное на 10 обозначает временное сопротивление металла шва, измеренную в мегапаскалях.

Автоматическая сварка обеспечивает высокое качество. Производительность автоматической сварки под флюсом в 10...20 раз выше ручной. Повышение производительности достигают путем применения тока 1000...3000 А. В качестве электрода используют стальную омедненную проволоку. Подача и перемещение проволоки при сварке обеспечивается автоматическим устройством. Автоматическую сварку производят сварочными роботами в массовом производстве.

Сварка под флюсом основной вид автоматической сварки. Автоматическая сварка под слоем флюса обеспечивает высокие, однородные, механические свойства соединений. При ручной сварке образование шва достигается за счет металла электрода (рис. 6.6,а), при автоматической сварке шов формируется за счет расплавленного основного металла (рис. 6.6,б). При этом сокращается время и снижается расход электродного материала.

Электроконтактная сварка использует теплоту, выделяемую в зоне контакта свариваемых деталей при пропускании через него импульсов электрического тока. Применяют для соединения деталей из углеродистых и легированных сталей, алюминия и других сплавов.

Для сварки высоколегированных сталей и сплавов, например алюминиевых и титановых, применяют аргонодуговую или электронно-лучевую сварку в вакуумной камере или с применением защитной атмосферы.

Достоинства сварных соединений: изготовление изделий больших размеров; уменьшение материалоемкости деталей; низкая стоимость изготовления сложных деталей и оборудования в условиях единичного или мелкосерийного производства; малая трудоемкость и возможность автоматизации процесса изготовления деталей.

Недостатки сварных соединений: дефекты швов, снижающие прочность соединений; необходимость контроля сварных швов; остаточные напряжений снижающие прочность; необходимость механической обработки после старения; изменение механических свойств в зоне термического влияния вблизи шва. Наличие вышеуказанных дефектов и зоны влияния, остаточные напряжения и возможное изменение геометрической формы (рис.6.7,г) обуславливают концентрацию напряжений при нагружении и вызывают снижение циклической прочности сварного соединения, оцениваемое эффективным коэффициентом концентрации напряжений

(6.2)

где - предел выносливости образца без концентрации напряжений, площадь поперечного сечения которого совпадает с площадью поперечного сечения сварной детали; - предел выносливости сварной детали натуральных размеров.

Сварку применяют как технологический способ изготовления деталей. Сварные детали заменяют литые и кованые (рис.6.8). Распространение получили штампосварные конструкции (рис.6.8,б), заменяющие фасонное литье, клепаные и другие изделия. Применение сварных и штампосварных конструкций позволяет снизить расход материала или массу конструкции на 30...50%, уменьшить стоимость изделий в 1,5....2 раза при единичном и мелкосерийном производстве.

Сварные соединения стыковыми швами(рис.6.9) приближают по форме и прочности составные детали к целому изделию. Образуются при полной проварке стыка торцов соединяемых деталей с помощью сварки. Для этого кромки деталей, соединяемых сваркой механически обрабатывают: при толщине δ≤1 мм выполняют отбортовку (рис.6.9,а); при δ=1…6 мм - без скоса кромок (рис.6.9,б); при δ≤4 – со скосом различной формы (рис.6.9,в,г); кромку детали таврового соединения с полным проваром также разделывают со скосом (рис.6.9,д). Торцы деталей под стыковую электроконтактную сварку выполняют плоскими (рис.6.9,е). Стыковые сварные соединения (рис.6.10) при статическом нагружении разрушаются по шву или зоне термического влияния, которая снижает как статическую, так и циклическую прочность соединения. Расчет сварных стыковых швов на статическую прочность производят по эквивалентным напряжениям σ_Е в опасном сечении, испытывающем сложное напряженное состояние.

Для определения σ_Е используют четвертую теорию прочности:

, (6.3)

где - нормальные напряжения растяжения (или сжатия);

- нормальные наибольшие напряжения изгиба (в зоне А);

- наибольшие касательные напряжения кручения (в зоне А).

Если , то выражение упрощается:

; ;

- допускаемое напряжение для сварного шва.

Эффективный коэффициент концентрации напряжений для необработанных механическим путем стыковых швов при ручной сварке углеродистых сталей в среднем составляет К_σ=1,2.

Сварные соединения угловыми швамиобразуются при сваривании деталей нахлесточных (рис.6.11,а), тавровых (рис.6.11,б) и угловых (рис.6.11,в) соединений, кромки которых не имеют скосов. При статическом нагружении применяют нормальные угловые швы, имеющие в поперечном сечении прямоугольный треугольник с соотношением катетов 1:1 (рис.6.14,а, сечение А-А), как более простые в изготовлении. Для таких швов расчетная высота при ручной сварке составляет . Катет нормального углового шва принимают из соотношения

мм, (6.4)

где δ_min – минимальная толщина свариваемых деталей.

Эффективный коэффициент концентрации напряжений для угловых швов при сварке углеродистых сталей составляет К_δ=2,5…4,5 в зависимости от конструкции сварного соединения и величины остаточных напряжений. При переменном нагружении для снижения величины К_δ применяют швы с соотношением катетов 1:2 или вогнутые (рис.6.11,г), получаемые после механической обработки.

Деформация сварных деталей под нагрузкой приводит к неравномерности нагружения швов. Особенно ощутима концентрация напряжения, в продольных (фланговых) швах (рис.6.12,а), расположенных вдоль действующей силы F, причем, чем длине швы, тем значительнее неравномерность. По концам швов вследствие нестабильности горения дуги не следует делать фланговые швы короче 30 мм, т.е.

мм. (6.5)

Сварные швы делают симметричными относительно действующей силы, что исключает появление внешних моментов. Деталь несимметричного профиля приваривают фланговыми швами разной длины, обратно пропорциональной расстоянию от центра масс сечения уголка( );это обеспечивает одинаковое нагружение швов.

При сварке встык деталей разной толщины следует предусматривать плавный переход (рис.6.13,б); использовать штампованные и гнутые детали (рис.6.13,в); обеспечивать свободный доступ к месту сварки (рис.6.13,г); предусматривать фиксацию деталей (рис.6.13,д).

Разрушение угловых швов при статическом нагружении происходить по опасному сечению проходящей по биссектрисе прямого угла поперечного сечения шва (рис.4,а, сечение А-А). Расчет угловых швов при любом способе нагружения ведут по касательному напряжению, равномерно распределенному по высоте опасного сечения. При центральном нагружении, когда линия действия силы проходит через центр тяжести (рис.6.136), условие статической прочности имеет вид

, (6.6)

где - допускаемое касательное напряжение для угловых швов, принимаем по таблице 1; - площадь опасного сечения; - расчетная высота поперечного сечения углового шва; - суммарная длина швов.

Для сварных соединений фланговыми (рис.6.13,а) и косыми швами (рис.6.13,б) ; для комбинированных швов, состоящих из двух фланговых и лобового (рис.6.16,в) , полагая их равномерное нагружение при совместной работе.

Исходя из условия равнопрочности основного металла и сварных швов, определяют оптимальные размеры сварных швов соединения (при центральном нагружении и ручной сварке электродом Э42);

а) для соединения фланговыми швами (рис.6.16,а) условие равнопрочности: или ; учитывая, что (табл.1)p=,0,7k;k=δ_min;L=2l, можно записать ; после преобразований (при этом необходимо соблюдать условие ;

б) аналогично для соединений косыми швами (рис.6.16,б) или , после подстановки , =0,84, =36,5˚;

в) аналогично для соединений с комбинированными швами (рис.6.13,в) можно определить размер

При статическом нагружении нахлесточных сварных соединений моментом Т (рис.6.14,а), действующим в плоскости стыка деталей, напряженное состояние комбинированных угловых швов приближенно оценивают величиной касательного напряжения τ в опасном сечении шва. Приближенное решение этой задачи получено при допущениях;

1. свариваемые детали считают абсолютно жесткими, а деформируются под нагрузкой только швы;

2. под действием момента Т пластина поворачивается вокруг центра тяжести площади опасного сечения швов в пределах упругих деформаций на угол dφ.

Поверхность разрушения швов условно разворачивают на плоскость стыка и составляют расчетную схему (рис.6.14,б). Рассматривают текущую площадку dA с напряжением τ_Т, расположенную на радиусе ρ, и фиксированное положение площадки dA с τ_Тmax на радиусе ρ_max. Перемещение выделенных зон на величину ρdφ характеризует (согласно закону Гука) величину напряжений, которые пропорциональны своим радиусам;

τ_Тmax/ τ_Т= ρ_max/ ρ, откуда τ_Т=(τ_Тmax/ ρ_max) ρ (6.7)

Элементарная сила dF, действующая на элементарной площадке dA, перпендикулярна радиусу ρ и составляет величину dF=τ_Т dA, элементарный момент dТ= ρ τ_Т dA

Условиеравновесия пластины

С учетом того, что τ_Тmax, ρ_max величина постоянная, после подстановки выражения (6) под знак интеграла имеем

или , (6.8)

где - полярный момент инерции повернутый на плоскость стыка поверхности разрушения относительно центра тяжести, (здесь и - главные моменты инерции относительно соответствующих осей).

Величина касательного напряжения в наиболее нагруженной зоне сварного шва:

. (6.9)

На рис.6.14,в изображено сварное нахлесточное соединение с комбинированными швами при нагружении постоянной силой действующей в плоскости стыка. Силу F заменяют ее составляющими и , которые переносят в центр тяжести сварного шва. При переносе сил в плоскости стыка возникает вращающий момент .

Любую комбинацию нагрузки в плоскости стыка можно свести к действию центральных сил и крутящего момента. Напряженное состояние приближенно оценивают величиной суммарного касательного напряжения , возникающего в наиболее нагруженной зоне опасного сечения

, (6.10)

где и - модули векторов касательных напряжений от центральных сил и , соответственно определяют по зависимости (5) в предположении их равномерного распределения по швам; - модуль вектора касательного напряжения от момента Т определяют по зависимости (8).

Поверхность разрушения швов разворачивают на плоскость стыка и составляют расчетную схему (7,г).

В наиболее опасных зонах швов (в вершинах углов) определяют векторы напряжений и суммируют составляющие векторы. В наиболее нагруженной области (в данном случае зона 1)

, (6.11)

где ; - угол между и ; - допускаемое напряжение для угловых швов, определяют по таблице 1.

Порядок расчета сварного таврового соединения с угловыми швами (рис.6.15) при нагружении постоянной силой F в центр тяжести швов (рис.6.15,в,г,д); при этом возникают моменты T=FR и M=FL. Таким образом, действует центральная сдвигающая сила F и моменты T и М. Для улучшения центрирования свариваемых деталей и разгрузки шва от сдвигающей силы, обычно делают центрирующий поясок (рис.6.15,е). Повернутое опасное сечение может представлять собой круглое кольцо (рис. 6.15,в), прямоугольное кольцо (рис.6.15,г) или два узких прямоугольника (рис.6.15,д) и др.

В приближенном расчете угловых швов сварного таврового соединения определяют суммарное касательное напряжение , возникающее в наиболее напряженной зоне С, и сравнивают его с допускаемым напряжением для шва . Составляющие векторы напряжений направлены по трем осям. Условие прочности имеет вид

, (6.12)

где - касательное напряжение от центральной силы F, определяют по зависимости (5), причем площадь опасного сечения приближенно вычисляют: для круглого кольца , для прямоугольного кольца , для двух прямоугольников :

наибольшее напряжение от момента М, ,

здесь - момент сопротивления повернутого опасного сечения: для круглого кольца , для прямоугольного кольца , для двух прямоугольников ;

- наибольшее касательное напряжение от момента Т, , здесь - полярный момент сопротивления повернутого опасного сечения: для круглого кольца , для прямоугольного кольца и прямоугольника , здесь - полярный момент инерции рассматриваемой фигуры относительно центра тяжести швов ( и - главные моменты инерции); ρ – расстояние рассматриваемой зоны от центра тяжести сварных швов.

Швы контактной сваркивыполняют по торцам деталей или по боковой поверхности тонкостенных конструкций - точечная и шовная сварка. С помощью контактной стыковой сварки можно соединять детали с высокой точностью и обеспечивают равнопрочность деталей и стыкового шва. Точечную сварку широко применяют при изготовлении тонкостенных корпусных конструкций (кузова автомобилей, цельнометаллические железнодорожные вагоны ) из углеродистых и низколегированных сталей, алюминиевых и других сплавов. Суммарная толщина стальных соединяемых деталей не превышает 10мм (рис.6.16,а). Преимущественно соединяют две детали одинаковой толщины; при разной толщине деталей соотношение толщин не должно превышать трех. Диаметр сварной точки (мм) в зависимости от наименьшей толщины соединяемых стальных деталей из соображения

. (6.13)

Величину определяют из условия статической прочности сварного точечного шва, а по ней принимают диаметр электрода (для стальных деталей ) и все параметры сварочного процесса.

Шаг сварных точек (рис.6.17) при отсутствии шунтирования тока при сварке двух деталей ; расстояние от кромки в направлении действия сдвигающей силы , а в направлении, перпендикулярном к линии действия силы, ; расстояние до перпендикулярной стенки (рис.6.17,б).

Соединение точечной сваркой нагружено центральной сдвигающей силой ; при этом полагают ее равномерное распределение между всеми точками, число которых по линии действия силы не должно превышать пяти. Условие статической прочности на срез для сварной точки имеет вид

, (6.14)

где i- число плоскостей среза (на рис.6.17,а, i =2); - число точек; - допускаемое напряжение для контактной электросварки (табл.6.3)

При нагружении сварного точечного шва моментом, действующим в плоскости стыка, расчетные силы определяют так же, как для группового резьбового соединения. Эффективный коэффициент концентрации напряжений для точечных швов низкоуглеродистых сталей составляет в среднем .

Шовную сварку применяют для герметичного соединения тонкостенных деталей . Условие статической прочности шва на срез имеет вид

. (6.15)

где -длина шва; -ширина шва, обычно принимают .

Эффективный коэффициент концентрации напряжений для шовной сварки низкоуглеродистых сталей в среднем составляет .

Допускаемые напряжения сварных соединений при статическом нагружении сварных швов определяют на основании опытных данных в долях от допускаемых напряжений основного металла.