Сварные соединения, выполненные контактной сваркой

Соединения при стыковой сварке.Контактная стыковая сварка имеет огромное распространение в различных конструкциях. Особенно эффективно ее применение при сварке изделий в массовом производстве, например, арматуры железобетона, типизированных конструкций рам, продольных швов труб. Хорошо свариваются конструкции из низкоуглеродистых, углеродистых, низколегированных и некоторых высоколегированных сталей с площадью поперечного сечения до нескольких сотен квадратных сантиметров.

Контактным способом получают стыковые соединения элементов с круглыми, квадратными, прямоугольными, трубчатыми, профильными (уголки, тавры, рельсы) сечениями. С увеличением периметра детали и уменьшением ее толщины процесс сварки усложняется. Наиболее хорошо соединяются элементы одинакового поперечного сечения (рис. 4.18 а-в), при этом диаметры d1 и d2 соединяемых элементов круглого сечения (рис. 4.18 г), а также толщины труб s₁ и s₂ (рис. 4.18 д) по возможности не должны отличаться друг от друг более чем на 15%. Возможность контактной сварки больших поперечных сечений зависит от оборудования. Институтом электросварки им. Е. О. Патона созданы установки для сварки газопроводных труб диаметров 1420 мм, и это не предел. Площадь поперечных сечений деталей, свариваемых контактным способом, приближается к 1000 см². Специальный расчет прочности стыков, сваренных контактным способом и работающих под статической нагрузкой, не производится.

Рис. 4.18. Соединения при стыковой контактной сварке

Прочность стыка обеспечивается прочностью самого элемента. Стыковой контактной сваркой сваривают не только различные сорта сталей, но и цветные сплавы.

Соединения при точечной сварке. В большинстве случаев точечной сваркой сваривают изделия при условии расположения электродов с двух сторон относительно свариваемых частей. Это предъявляет определенные требования к габариту конструкций. Разработаны установки, позволяющие производить точечную сварку при одностороннем расположении обоих электродов.

Точечной контактной сваркой наиболее часто соединяют элементы, имеющие малые толщины - от долей до нескольких миллиметров (рис. 4.19 а). Хорошо свариваются прочные и высокопрочные углеродистые стали, различные сплавы, в частности алюминиевые и титановые.

Не рекомендуется допускать точечных соединений разнотолщинных элементов, отношение толщин которых ≥ 3. Точечной сваркой можно сваривать также три детали и более. При этом элемент большей толщины следует укладывать между двумя другими (рис. 4.19 б).

Сварными точками соединяют между собой не только плоские, но и цилиндрические детали (рис. 4.19 в), стержни круглого сечения с пластинами (рис. 4.19 г) и т. п. Весьма целесообразны для сварки точками заготовки, имеющие открытые профили или с отбортовкой (рис. 4.19 д). На рис. 4.19 е показан узел менее рациональный, так как в процессе сварки большая масса металла вводится в контур вторичной цепи, вследствие чего увеличивается индуктивное сопротивление машины.

На рис. 4.19 ж показана конструкция, свариваемая изогнутым электродом, трудно выполнимая для сварки на точечной машине; на рис. 4.19 з изображен рациональный узел.

Рис. 4.19. Примеры соединений при точечной сварке:

а, б – плоские заготовки; в, г – цилиндрические заготовки; д, з – рациональное соединение; е, ж – нерациональное соединение

В сварном точечном соединении приняты следующие обозначения (рис. 4.20): d - диаметр точки; t - шаг точек; t1 - расстояние от центра сварной точки до края детали в направлении действия силы Р; t2 - расстояние от центра сварной точки до свободной кромки в направлении, перпендикулярном действию силы Р; t1 и t2 нормируются с учетом технологических и силовых факторов.

Расстояние между центрами точек в соединении должно быть не меньше некоторого предельного размера ввиду шунтирования тока через ранее сваренную точку.

Чем больше расстояние между сварными точками, тем меньше шунтирование тока, следовательно, стабильнее и лучше результаты сварки. Диаметр точки d назначается в зависимости от толщины соединяемых элементов с учетом обеспечения высококачественного технологического процесса. Диаметр электрода dэ контактной машины подбирается исходя из необходимого d. Как правило,

d = (0,8 ─ 1) dэ .

Для стальных деталей рекомендуется и d= 1,2s + 4 мм при s ≤ 1,5 ─ 3 мм;

(d = 1,5s + 5) мм при s≥3 мм,

где s - наименьшая толщина свариваемых частей.

В некоторых случаях строительные конструкции имеют точки диаметром около 3,5s и более. Можно принимать:

t= 3d; t₁ = 2d; t₂= 1,5d.

В практике иногда применяют следующее соотношение между t,s,d:

d= 1,4√(0,01t² +ts-0,1t ). (4.48)

Рис. 4.20. Виды соединений с несколькими точками в зависимости от направления нагрузки σ: а - продольное; б - поперечное; в - смешанное

Для улучшения качества соединений точечную сварку иногда заменяют рельефной, при этом более точно фиксируется зона пропускания тока, уменьшается эффект шунтирования (рис. 4.21).

Точки в сварном соединении следует располагать таким образом, чтобы они воспринимали преимущественно усилия среза, а не отрыва.

Рис. 4.21. Подготовка элементов и схема рельефной сварки

На рис. 4.22 а конструкция нерациональна, точки в ней работают на отрыв; на рис. 4.22 б - рациональна.

Рис.4.22. Нерациональная (а) и рациональная (б) конструкции узлов

с точечным соединением

В соединениях, изображенных на рис. 4.23 а, б, расчет прочности точки производится на срез. Сварные точки могут быть односрезными (рис. 4.23 а) и двусрезными (рис. 4.23 б).

Расчетное напряжение в односрезной точке

τ=4Р/(πd²)≤[τ´₀]; (4.49)

в двусрезной точке

τ=2Р/(πd²)≤[τ´₀], (4.50)

где [τ´₀] - допускаемое напряжение в точке при срезе; d - диаметр точки;

Р- усилие, передаваемое на одну точку.

В действительности в точечном соединении могут иметь место две формы разрушения: срез точек и разрыв основного металла в зоне соединения. Увеличение диаметра точки повышает ее сопротивление срезу; увеличение толщины детали повышает сопротивление основного металла разрыву. При назначении диаметра согласно формуле (4.48) расчет прочности точек можно производить только на срез. При работе сварной точки на отрыв, например в конструкции, изображенной на рис. 4.23 в, расчетное напряжение будет

σ=4P/(πd²)≤ [σ´₀] , (4.51)

где [σ´₀]- допускаемое напряжение в точке при отрыве. Допускаемое напряжение в точке при отрыве [σ´₀] следует принимать еще более низким, нежели [τ´₀]. При этом целесообразно пользоваться данными экспериментов.

Рис.4.23. Точечное соединение, работающее на срез и отрыв:

а - односрезные точки; б - двусрезные точки; в - работа на отрыв

Для легированных сталей и цветных сплавов допускаемое напряжение в точечных соединениях принимают на основе результатов экспериментов с учетом условий нагружения и других факторов.

Например, для алюминиевых сплавов расчетное усилие на срез Р при точечном соединении, выполненном контактной сваркой на машинах с импульсом постоянного тока, можно определять в зависимости от толщины основного металла и вида сплава, пользуясь табл. 4.6.

Практически наиболее часто соединения конструируются смешанными (рис. 4.20 в), так как один поперечный ряд неравнопрочен с соединяемым элементом. Напряжение в точке такого соединения определяется в условном предположении, что все точки работают равномерно:

τ =4Р/(iπd²)[ τ´₀], (4.52)

где i - число односрезных сварных точек в соединении.

Если точки двусрезные, то i - общее число плоскостей среза в соединении. С учетом неравномерного распределения усилий между точками допускаемое напряжение [τ´₀] в смешанном соединении целесообразно снизить на 10-20 %.

Таблица 4.8

Расчетные усилия Р, кН, на срез одной точки точечного

соединения алюминиевых сплавов

Часто в конструкциях сварные точки являются связующими и рабочих напряжений не передают. Например, при формировании профилей элементов конструкций, которые воспринимают продольное усилие, точки служат для связи между отдельными частями. Соединения обшивок с каркасом также часто осуществляют точками. Указанные точки при статических нагрузках в большинстве случаев не оказывают существенного влияния на прочность. Примеры сварки профильных элементов точками приведены на рис. 4.24. В верхнем горизонтальном ряду даны точечные соединения, особенно удобные для сварки, во втором ряду - удобные, в третьем - не вполне удобные, в четвертом - трудные.

Рис. 4.24. Профильные элементы с точечными соединениями

Соединения при шовной сварке. Шовная контактная сварка допускает возможность соединения элементов от весьма малых толщин до суммарной толщины 4-6 мм из сталей и цветных сплавов. Шовной сваркой, как правило, соединяют изделия при расположении роликов с обеих сторон соединяемых частей (рис. 4.25 а, б), но можно производить сварку и на подкладке при расположении роликов с одной стороны (рис. 4.25 в).

При шовной сварке между соединяемыми элементами образуется шов путем постановки ряда точек, перекрывающих друг друга. Нахлесточные соединения образуют в соединениях эксцентриситеты, в результате которых возникают помимо основных продольных сил изгибающие моменты. При этом прямолинейные элементы (рис. 4.25 г) несколько искривляются (рис. 4.25 д).

Рис.4.25. Соединения при шовной сварке:

а - нахлесточное без скоса кромок; б - нахлесточное со скосом кромок (редко применяется); в - стыковое без подготовки кромок (редко применяется); г - сечение шва; д - деформация соединения после приложения растягивающей силы

Поскольку элементы, свариваемые шовной сваркой, имеют малые толщины, влияние изгибающего момента незначительно и его при расчете прочности не учитывают.

Напряжения в швах при шовной сварке определяют по усилию среза

σ=Р/(lа), (4.53)

где Р- действующая в соединении сила; а- ширина шва; l- длина шва.