СВАРНЫЕ, ПАЯНЫЕ И КЛЕЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Сварные, паяные и клеевые соединения являются наиболее распространенными видами неразъемных соединений элемен­тов конструкций, обеспечивающими их высокопроизводитель­ную и экономически целесообразную сборку.

Сварку применяют не только как метод соединения дета­лей, но и как технологический способ их изготовления.

Литые и кованые детали часто успешно заменяют свар­ными деталями, не требующими моделей или форм, штампов, а поэтому имеющими более низкую стоимость в условиях единичного и мелкосерийного производства.

§ I. СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Виды сварки. Сварные соединения образуются за счет местного нагрева до расплавленного или пластического состояния частей деталей (металлических или неметалличе­ских). Разогрев металла производят в струе газового пламени, электрической дугой между электродом и деталью, токами короткого замыкания, трением, электронным лучом, ультра­звуком и т. д. В соответствии со способом разогрева разли­чают виды сварки: газовая, электродуговая, контактная, тре­нием и т. п.

Газовая сварка реализуется за счет оплавления газовым пламенем частей соединяемых деталей и прутка присадоч­ного металла, она используется для соединения деталей из металлов и сплавов с различными температурами плавления при небольшой толщине (до 30 мм), а также для сварки неметаллических деталей. Для ее реализации не требуется источника электроэнергии. Широкое распространение имеет электродуговая сварка, при которой оплавленный (за счет электрической дуги) металл соединяемых элементов вместе с металлом электрода образует прочный шов. Для защиты от окисления шва электрод обмазывают защитным покры­тием; часто сварку производят под слоем флюса или в за­щитной среде инертных газов (аргона, гелия). Электродуговой сваркой на сварочных автоматах, полуавтоматах, а также вруч­ную соединяют детали из конструкционных сталей, чугуна, алюминиевых, медных и титановых сплавов. Последние сва­ривают в среде аргона или гелия.

Контактная сварка (точечная, роликовая и др.) произ­водится за счет разогрева стыка деталей (тонких листов) теп­лотой, выделяемой при прохождении электрического тока че­рез два электрода (в форме стержней или роликов), сжи­мающих детали.

Электронно-лучевая сварка имеет преимущества перед дру­гими видами сварки благодаря высокой проплавляющей спо­собности электронного луча и возможности регулирования его размера. Она дает швы малых габаритов и малое коробление, позволяет сваривать металлы очень малых и очень больших толщин, допускает сварку через щели. Сварка этого вида наиболее эффективна при соединении деталей из тугоплавких металлов.

Сварные соединения являются наиболее прочными среди неразъемных соединений и могут быть получены на автома­тах и автоматических линиях.

Основные недостатки соединений: наличие остаточных на­пряжений из-за неоднородного нагрева и охлаждения и воз­можность коробления деталей при сваривании (особенно тон­костенных), возможность существования скрытых (невидимых) дефектов (трещин, непроваров, шлаковых включений), снижаю­щих прочность соединений.

Для выявления дефектов в машиностроении вводят полный или выборочный контроль сварных соединений с помощью разрушающих и неразрушающих методов (ультразвука, рентге­новских лучей и т. д.).

Виды соединений. В зависимости от расположения свари­ваемых деталей различают следующие виды соединений, полу­чаемых дуговой и газовой сваркой: стыковые (рис. 29.1), на-хлесточные (рис. 29.2), тавровые и угловые (рис. 29.3).

Рис. 29.2. Нахлестанные соединения, выполненные фланговыми швами (в), лобовыми швами (б), комбинированным (фланговыми и лобовым) швом (в) и косыми швами (г)

Рис. 29.4. Формы угловых швов:

о — нормальный; б — вогнутый

Стыковые соединения имеют прочность, близкую к проч­ности основного металла, и применяются в ответственных конструкциях. В зависимости от толщины S деталей сварку выполняют односторонним (рис. 29.1, а) или двухсторонними (рис. 29.1, в) швами, а также производят подготовку кромок

Рис. 29.5. Соединения контактной сваркой:

а - точечной; б — шовной (роликовой)

(прямолинейный скос, рис. 29.1, β-г, или криволинейный, рис. 29.1 д). Если сварку производят лишь с одной стороны, то для предотвращения стекания металла с противополож­ной стороны подкладывают стальные или медные (отъемные) подкладки.

Нахлесточные, тавровые и угловые соединения выполняют угловыми швами (обычно нормального сечения, рис. 29.4). Нахлесточные соединения тонколистовых конструкций выпол­няют с помощью контактной сварки точечной (рис. 29.5, о) или шовной (рис. 29.5,6).

Диаметр сварной точки устанавливают в зависимости от толщины S свариваемых деталей: d = 1,25 + 4 мм.

Рекомендуемое расстояние между точками а = 3d при сварке двух элементов и а = Ad при сварке трех элементов.

§ 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ПОСТОЯННЫХ НАГРУЗКАХ

Проектирование и расчет сварных соединений (кон­струкций) сводится к выбору вида соединения, способа сварки, марки электрода, рациональному размещению сварных швов, определению сечения и длины швов из условия равнопроч-ности наплавленного металла и материала соединяемых дета­лей. Размеры соединяемых деталей обычно известны заранее из условий прочности, жесткости, устойчивости или конструк­тивных соображений.

Концентрация напряжений в соединениях. Концентрация нап­ряжений в соединениях обусловлена как резким изменением формы сечений, так и особенностями совместной работы сва­ренных деталей. Она существенно влияет на прочность соеди­нений.

В стыковом соединении формы и размеры шва характе-

Рис. 29.7. Распределение касательных напряжений вдоль флангового шва в за­висимости от жесткости листов:

а - Е₁А₁ < Е₂А₂; б - Е₁А₁ = Е₂А₂

ризуются высотой «усиления» шва д, его шириной б и углом θ (рис. 29.6, а). Усиление является «источником» концентрации напряжений (рис. 29.6, б). Для ограничения концентрации напря­жений рекомендуется выполнять швы с усилением при θ = = 160-7-170° и отношением b/g = 9 4-11. В ответственных сое­динениях это усиление удаляют механической обработкой, в этом случае получают эффективный коэффициент концентра­ции напряжений к_а =1.

Нахлесточные соединения в отличие от стыковых имеют более высокую концентрацию напряжений. При этом в ло­бовом шве концентрация напряжений вызвана поворотом силового потока (изгибом) (см. рис. 29.6, в), а во фланговом шве — неравномерным распределением нагрузки вдоль шва (рис. 29.7, а). С уменьшением площади А₂ листа (например, за счет его ширины) концентрация нагрузки снижается (рис. 29.7,6), что способствует повышению прочности соеди­нения.

Коэффициенты концентрации напряжений даны ниже в табл. 29.3.

Расчеты на прочность соединений. Стыковые швы (см. рис. 29.1) рассчитывают на прочность по номинальному се­чению соединяемых деталей (без учета утолщения швов) как целые детали.

Напряжения растяжения

(29.1)

где l и S — соответственно длина шва и толщина соединяе-

Таблица 29.1. Допускаемые напряжения для сварных швов пристатической нагрузке

Сварка	Допускаемые напряжения для сварных швов
	при растя­жении	при сжатии [σсж]	при сдвиге [τш]
Автоматическая, ручная электродами Э42А и Э50А, в среде защитного газа, контактная стыковая Ручная электродами обычного качества Контактная точечная	[σρ] 0,9|σз] -	[σз] [σρ] -	0,65 [σρ] 0,6 [σρ] 0,5 [σρ]

Примечание. [σ_ρ] — допускаемое напряжение при растяжении основного металла соединяемых элементов.

мых деталей; F - внешняя нагрузка; [σ'_ρ] - допускаемое нап­ряжение сварного шва при растяжении; [σ_ρ] = (0,9- 1,0) [σ_ρ]; здесь [σ_ρ] — допускаемое напряжение при растяжении основ­ного материала (табл. 29.1).

Допускаемая растягивающая нагрузка

[F] = [σ'_ρ] lS. (29.2)

Напряжения в шве при совместном действии внешней силы и изгибающего момента

здесь W_c — момент сопротивления сечения шва.

Фланговые и лобовые (угловые) швы разрушаются по се­чению, проходящему через биссектрису прямого угла (рис. 29.8, а). Площадь расчетного сечения

где L— общая длина (периметр) сварного шва; к_р - расчетный катет шва, обычно k_p = (0,9 - 1,2) S, где S — наименьшая тол­щина свариваемого элемента; k_pmin=3 мм при S>3 мм. Номинальное напряжение среза в расчетном сечении

(29.3)

здесь [т_ш] — допускаемое напряжение в сварном шве при срезе.

Это соотношение выражает собой условие прочности шва по допускаемым напряжениям.

Требуемая длина шва

F

(29.4)

Наибольшая длина лобового шва не ограничивается, а длину флангового шва не следует выполнять большей 60к_р из-за неравномерного распределения нагрузки по длине (см. рис. 29.7). Минимальная длина флангового шва должна быть не менее 30 мм, так как при меньшей длине дефекты (непровары, шлаковые включения и др.) в начале и в конце шва суще­ственно снижают его прочность.

Допускаемая растягивающая нагрузка

[F]=0,7k_pL[T_ш]. (29.5)

Швы целесообразно располагать так, чтобы они были на­гружены равномерно. Если фланговые швы размещены несим­метрично относительно нагрузки, например, в соединении с уголком (рис. 29.8, б), то, полагая, что напряжения равномерно распределены по длине шва, из уравнений равновесия полу­чим соотношения для нагрузок на фланговые швы в виде

где a₁ и а₂ — расстояния от центра тяжести сечения элемента до центра тяжести сечения швов.

Если длина шва задана или определена, например, из расчета по формуле (29.1), то ее целесообразно разместить пропорционально нагрузкам F₁ и F₂, чтобы выполнялось

Рис. 29.9. К расчету комбинированного при действии изгибающего момента:

а — эскиз; б — расчетная схема

условие τ₁ = τ₂. Тогда

Следовательно, для получения равномерного распределения нагрузки между швами необходимо длину каждого шва при­нимать обратно пропорциональной расстоянию между центра­ми тяжести шва и детали.

Расчет комбинированных угловых швов под действием мо­мента в плоскости стыка (рис. 29.9) выполняют, полагая, что швы работают независимо, а фланговые швы передают только силы вдоль своей оси.

Из условия равновесия одного из листов следует (τ _lmax = τ₂= τ)

M= τA_ch+ τW_c

Где A_c=0.7k_pl; W_c=(0.7k_ph²)/6

Откуда

τ =M/(A_ch+W_c)

В уточненном расчете можно принять, что листы являются абсолютно жесткими (недеформируемыми) и приваренный эле­мент под нагрузкой стремится повернуться вокруг центра тя­жести (ЦТ) сечений швов (рис. 29.10). Тогда

где r_max — расстояние от центра тяжести до наиболее удален­ной точки шва; J_p — полярный момент инерции швов; J_p = J_x + J_y (J_x и J_y — моменты инерции швов относительно осей χ и у).

Тавровые соединения, выполненные угловыми швами, рас­считывают по формулам (29.3) и (29.5). Если такие соединения сварены, как и соединения встык, то расчет выполняют по формулам (29.1) и (29.2).

Угловые соединения (см. рис. 29.3) не используются как силовые, их применяют, как правило, для образования про­филей из отдельных элементов.

Прочность стыка, полученного контактной сваркой, для сое­динений встык принимается равной прочности основного ме­талла.

Точечное соединение, нагруженное в плоскости стыка, рас­считывают на срез, принимая равномерное распределение на­грузки между точками

где –F₁— усилие, приходящееся на одну точку; i — число пло­скостей среза точек.

Швы, получаемые на роликовых машинах, рассчитывают по формуле

здесь а — ширина шва; / — его длина.

Допускаемые напряжения в сварных швах в долях от до­пускаемых напряжений основного металла приведены в табл. 29.1. Допускаемые напряжения для основного металла в металлоконструкциях вычисляют по формуле

где R = (0,85 - 0,9) σ_Τ — расчетное сопротивление с учетом неод­нородности материала (σ_τ - предел текучести материала); т -коэффициент, который принимают в зависимости от типа соединения и условий его работы, обычно т = 0,8-0,9; К — коэффициент перегрузки, обычно К = 1 - 1,2; для резервуаров с внутренним давлением К = 1,2; для подкрановых балок при тяжелом режиме работы К = 1,3 - 1,5.

В строительных конструкциях принимают расчетное сопро­тивление R = 0,9 σ_τ. Значения R, принимаемые в ряде отраслей машиностроения, приведены в табл. 29.2.

Таблица 29.2. Расчетные сопротивления R для нижоуглеродистых сталей *

* В числителе — значения R для швов, контролируемых физическими методами, в знаменателе — обычными методами (визуальными и т. п.).

§ 3. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ

Запас прочности стыковых соединений при пропор­циональном возрастании среднего напряжения цикла а_т и амплитуды переменных напряжений σ _а

(29.6)

где σ_-1 — предел выносливости материала; к _σ— эффективный коэффициент концентрации напряжений (табл. 29.3); ψ_σ — коэф­фициент, учитывающий влияние на сопротивление усталости асимметрии цикла, ψ_σ = 0,1 - 0,2 для стыковых соединений из низкоуглеродистых сталей, ψ_σ = 0,2 - 0,3 то же, для средне и высокоуглеродистых сталей.

При резонансных колебаниях сварных деталей возрастает лишь амплитуда переменных напряжений. Запас прочности по переменным напряжениям

Таблица 29.3. Эффективные коэффициенты концентрация напряжений в сварных соединениях (сварные швы)

(29,7)

Обычно η_σ > 2, η_α > 2,5.

Расчет угловых швов проводят аналогично [в формулах (29.6) и (29.7) σ заменяют на τ].

§ 4. ПАЯНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Паяные соединения получили широкое распростра­нение в различных отраслях машиностроения и в ряде слу­чаев вытесняют сварные соединения.

Пайкой изготовляют не только отдельные детали, но и сложные крупногабаритные узлы. Методами высокотемпера­турной пайки (капиллярной, диффузионной, контактно-реактив­ной, металлокерамическои) получают неразъемные соединения со свойствами, близкими к свойствам основных материалов, и прочностью, превышающей прочность сварных соединений.

Соединения образуются за счет местного нагрева легко­плавкого присадочного материала (припоя), который расте­кается по нагретым поверхностям соединяемых деталей и образует при охлаждении паяный шов, диффузионно и хими­чески связанный с материалом деталей.

Нагрев припоя и деталей при пайке выполняют паяльни­ком, газовой горелкой, в печах и пр. При пайке в печах припой укладывают в виде проволочных и ленточных кон­туров (рис. 29.11).

Для уменьшения вредного влияния окисления поверхностей деталей применяют специальные флюсы (на основе канифоли, буры, хлористого цинка), паяют в среде нейтральных газов или в вакууме. При конструировании паяных изделий наряду с выбором основного металла производят выбор припоя и способа пайки, так как последние существенно влияют на выбор типа соединения, величины зазоров и условий сборки.

Главным условием при назначении основного металла яв­ляется паяемость его припоями, обеспечивающими заданную прочность. Необходимо учиты­вать также чувствительность основного металла к нагреву и склонность его к образо-

Рнс. 29.11.Укладка припоямежду дета­лями

Таблица 29.4. Механические характеристики и области применения распро­страненных припоев

ванию трещин под действием расплавленных припоев, прони­кающих между кристаллами по границам зерен основного металла. В связи с этим, например, пайка сталей латунью применяется ограниченно. Медь является основным компо­нентом, вызывающим охрупчивание соединений.

Припои должны хорошо смачивать обезжиренные поверх­ности деталей, не образуя с ними интерметаллидов. В ка­честве припоев применяют чистые металлы, но в основном сплавы на основе олова, меди, серебра и т. п.

В табл. 29.4 приведены механические характеристики и об­ласти применения некоторых припоев.

При высокой температуре пайки ряда разнородных метал­лов (например, титана с медью и никелем, магния со сталью, алюминия с медью и др.) невозможно получить пластичные и прочные соединения без нанесения на них барьерных пок­рытий, предохраняющих разнородные металлы от активного взаимодействия и, как следствие, возникновения в паяном шве хрупких интерметаллидов.

В качестве барьерного покрытия наносят такой металл, который легко паяется и образует прочные связи с основным конструкционным материалом.

В конструкциях паяных узлов применяют соединения встык, нахлесточные, а также комбинации этих соединений. Соедине­ния стыковые и тавровые следует применять ограниченно, когда нахлесточное соединение нельзя выполнить из-за огра-

Рис. 29.12.Виды паяных соединений

ничейной площади спая, увеличения массы конструкции или трудоемкости изготовления.

Расчет паяных соединений встык и нахлесточных анало­гичен расчету сварных соединений по формулам (29.1) — (29.4). Лишь в нахлесточном соединении площадь расчетного сечения равна площади контакта деталей

А=bl,

где b и l — ширина и длина площади контакта.

С увеличением площади контакта несущая способность соединения возрастает. При этом больший эффект можно по­лучить за счет увеличения ширины деталей и меньший за счет длины нахлестки. Последнее связано с концентрацией напряжений на краях соединения (как и в сварных соеди­нениях, см. рис. 29.7).

Прочность при срезе соединений паяных оловянно-свинцо-вистыми припоями, а также припоями на основе меди и серебра составляет (0,8 - 0,9) σ_ΒΠ, где σ_ΒΠ - предел прочности припоя.

Помимо указанных соединений в паяных конструкциях часто встречаются: телескопическое соединение (рис. 29.12, а), нахлесточное с заклепкой (рис. 29.12, б) или штифтом (рис. 29.12, в), нахлесточное со шпонкой (рис. 29.12, г), фаль-цевый замок (рис. 29.12, д).

При проектировании герметичных узлов следует также при­менять нахлесточные соединения (рис. 29.13).

В конструкциях паяных соединений с глухими отверстиями необходимо предусматривать вентиляционные отверстия для

рис, 29.13.Герметичные соедине­нии

отвода газов, создающих давление при нагреве во время пайки (см. рис. 29.11).

При пайке фланцев к трубам следует предусматривать по­садочный поясок и упор на трубе или фланце (рис. 29.14).

Если пайке подвергается конструкция с плотной посадкой деталей, то необходимо предусматривать канавки для лучшего затекания припоя.

Прочность паяных соединений существенно зависит от прочности припоя и активности взаимодействия расплавлен­ного припоя и основного металла. При активном растворе­нии припоя в металле прочность соединений на 30 — 60 % выше прочности припоя.

На качество соединения существенно влияет величина сое­динительного зазора и условия течения припоя в нем. При пайке углеродистых сталей припоями из меди, латуни и се­ребра зазор устанавливается в пределах 0,05 — 0,15 мм.

§ 5. КЛЕЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Клеевые соединения получили в последние годы широкое распространение во многих отраслях машинострое­ния благодаря появлению клеящих материалов на основе син­тетических полимеров, которые обеспечивают склеивание прак­тически всех материалов промышленного значения (стали, сплавы, медь, серебро, древесина, пластики, фарфор, ткани, кожа и многие другие), а также возможности склеивания металлов и неметаллов. Иногда склеивание представляет собой единственный способ соединения разнородных материалов в ответственных конструкциях.

Применение клеев в металлических конструкциях позволяет надежно и прочно соединять разнородные металлы разной толщины, исключать более дорогие заклепочные, сварные и болтовые соединения. Клеевые швы не ослабляют металл, как при сварке или сверлении отверстий под болты, они не под­вержены коррозии и часто герметичны без дополнительного уплотнения.

Клеевые соединения превосходят заклепочные и сварные соединения при работе на срез.

Основные недостатки соединений:

а) старение со временем, вызывающее существенное сниже­ние прочности;

б)невысокая теплостойкость (рабочая температура обычно не свыше 300 °С);

в)необходимость сложной оснастки для изготовления кон­струкций сложного профиля.

Процесс склеивания обычно состоит из следующих стадий:

1)превращения клеящего вещества в состояние, пригодное пня нанесения на поверхность склеиваемого материала (раст-порение, расплавление, приготовление клеящей пленки и т. д.);

2) подготовки поверхности склеиваемых материалов (увели­чение шероховатости, различные виды химической или физико-химической обработки);

3) нанесения клеящего вещества;

4) превращения клеящего вещества в клеевой слой, соеди­няющий материалы при соответствующей температуре, давле­нии и времени выдержки.

Применение в промышленности получают клеи, обладаю­щие коррозионной неактивностью, нетоксичностью, грибо-, водо- и атмосферостойкие с высоким сопротивлением старению и способностью к длительному хранению.

Наибольшее распространение получили два вида клеевых соединений — нахлесточное и телескопическое, которые разли­чаются по характеру требуемого клея. Для телескопического соединения требуется жидкий клей, возможно холодного от-перждения. Для нахлесточного соединения обычно нужен вы­сокопрочный клей, например, пленочный.

В отличие от сварного клеевое нахлесточное соединение сопряжено по поверхности контакта элементов. Прочность соединения пропорциональна площади склеивания. Большего повышения прочности можно достичь увеличением ширины нахлестки, нежели длины нахлестки (из-за неравномерного распределения нагрузки по длине соединения, см. рис. 29.7).

Конструкции клеевых нахлесточных соединений показаны на рис. 29.15, α —κ.

При проектировании клеевых соединений надо учитывать, что они имеют обычно достаточно большую прочность при

а-сгыковое;б, в — нахлесточное; г — усовое; д — нахлесточное с подсечкой;e-стыковое с накладкой; ж — то же, с двойной накладкой; з — стыковое с утопленой двойной накладкой; и — полушиповое; к — стыковое со скошенными накладками

сдвиге и невысокую прочность при отдире и раскалывании. Простейшие способы устранения отдира показаны на рис. 29.16.

Прочность при сдвиге нахлесточных соединений с различ­ными клеями после двухмесячной выдержки составляет 10 - 33 МПа (табл. 29.5).

Прочность клеевого соединения зависит от толщины кле­евого слоя. Обычно толщина слоя составляет 0,05 — 0,15 мм и зависит от вязкости клея и давления при склеивании.

Условие прочности при срезе нахлесточного соединения обычно имеет вид

где bи l — ширина и длина нахлестки.

Контроль качества соединений осуществляют разрушаю­щими и неразрушающими методами (например, рентгеновским методом, инфракрасными лучами и т. д.).

Пример. Рассчитать сварное соединение уголка и полосы (рис. 29.17) из стали СтЗ при статической нагрузке F = 300 кН. Сварка ручная.

Таблица 29.5. Прочность при сдвиге соединений алюминиевого сплава различ­ными клеями в условиях повышенной влажности

Решение. 1. Из условия прочности уголка по допускаемым нап­ряжениям [σ_ρ] = 160 МПа определяем площадь его сечения

и no ГОСТ 8509 - 77 принимаем уголок 100 * 100 * 10 мм, для кото­рою aι = 28,3 мм, а_г = 71,7 мм.

2. По табл. 29.1 находим допускаемое напряжение среза в шве I τ_ш] =0,6 [σ_ρ] =0,6*160 = 96 МПа и по формуле (29.4) при к_р = s = 10 мм (s - толщина уголка) вычисляем требуемую длину шва

3. Принимая, что соединение уголка с листом может быть выпол­нено лишь фланговыми швами (L < 60/е), по формуле (на с. 476) находим их длину

l₁=L*(a₂/(a₁+a₂))=446*(71.7/(28.3+71.7))=320мм

l1=L(a1/(a1+a2))=446(28.3/(28.3+71.7))=126мм

Если соединение выполнить одним лобовым швом длиной / = ■ 100 мм (см. рис. 29.17), то суммарная длина фланговых швов

L_* = L - l = 446 - 100 = 346 мм

и длина фланговых швов l_1* = 248 мм и l₂, = 98 мм.

Таким образом, за счет лобового шва удается уменьшить метал-иосмкость соединения.

Фактическую длину сварных швов назначают на 10-15 мм боль­ше расчетной для компенсации ослабления швов из-за дефектов (исмровара в начале и кратера в конце).

ГЛАВА 30