 |
|
Сварные соединения. Назначение,области применения, классификация, конструкция. Расчет сварных соединений «встык».
Сварные соединения
Сварка — это технологический процесс получения неразъемного соединения металлических или неметаллических деталей с применением нагрева (до пластического или расплавленного состояния), выполненного таким образом, чтобы место соединения по механическим свойствам и своему составу по возможности не отличалось от основного материала детали.
Основные виды электросварки — дуговая, газовая и контактная.
Дуговая сварка - наиболее распространенный вид. Применяется везде, где есть источники электроэнергии.
Разновидности дуговой сварки:
- ручная сварка; этот метод сварки отличается низкой производительностью, но легко доступен для применения;
- полуавтоматическая сварка под слоем флюса; применяется для конструкций с короткими прерывистыми швами;
- автоматическая сварка под слоем флюса; этот метод сварки высокопроизводителен и экономичен, дает хорошее качество шва, применяется в крупносерийном и массовом производстве.
Газовая сварка применяется в основном там, где нет источников электроэнергии, например, при ремонте в полевых условиях.
Контактная сварка применяется в серийном и массовом производстве при нахлесточном соединении тонкого листового металла (точечная, роликовая) или при стыковом соединении круглого и полосового (стыковая сварка).
При соединении деталей с помощью сварки плавлением к расплавляемой области подводят присадочный материал, который заполняет свариваемое место (рис. 1). Затвердевший после сварки металл, соединяющий сваренные детали, называют сварным швом.
При контактной сварке (сварка давлением) присадочный материал не применяют. Контактная сварка основана на использовании тепла, выделяющегося в месте соприкосновения свариваемых деталей (например, при прохождении через них электрического тока). Сварка производится с применением механического давления, под действием которого детали, предварительно нагретые в месте соединения (контакта) до пластического состояния или оплавления, образуют сварной шов.
Достоинства и недостатки сварных соединений по сравнению с заклепочными (или литыми деталями).
Достоинства:
- простота конструкции сварного шва и меньшая трудоемкость в изготовлении, обусловленной сравнительной простотой технологического процесса сварки.
- значительное снижение массы конструкции при тех же габаритах. При замене заклепочных соединении сварными экономия в весе получается за счет отказа от применения различных накладок, необходимых в заклепочных соединениях, а также части веса самих заклепок; при замене литых деталей сварными конструкциями вес их уменьшается за счет более высоких механических свойств прокатного металла.
- возможность соединения деталей любых форм;
- герметичность и плотность соединения;
- бесшумность технологического процесса сварки;
- возможность автоматизации сварочного процесса;
- сварное соединение дешевле заклепочного.
- соединение деталей может выполняться встык без накладок.
- возможность сварки толстых профилей.
Недостатки:
- возникновение остаточных напряжений в свариваемых элементах;
- коробление деталей из-за неравномерного нагрева в процессе сварки;
- зависимость качества шва от исполнителя и трудность контроля; применение автоматической сварки устраняет этот недостаток.
- склонность к образованию трещин в местах перехода от шва к цельному металлу вследствие термических напряжений, возникающих при остывании. Трещины особенно опасны при динамических нагрузках (вибрационных и ударных), поэтому в таких случаях сварные швы стараются не применять, заменяя их заклепочными соединениями. Термические напряжения могут быть частично или полностью устранены термообработкой сварного соединения (низкотемпературным отжигом). Термическая обработка исключает также последующее коробление сварных конструкций.
Область применения. В настоящее время сварные соединения почти полностью вытеснили заклепочные соединения. Сварка применяется для соединения элементов сосудов, испытывающих давление (резервуары, котлы); для изготовления турбин, доменных печей, мостов, химической аппаратуры; с помощью сварки изготовляют станины, рамы и основания машин, корпуса редукторов, зубчатые колеса (рис.2), шкивы, звездочки, маховики, барабаны и т. д. Сварку широко применяют как способ получения заготовок деталей из проката в мелкосерийном и единичном производстве, а также в ремонтном деле.
Классификация и разновидности сварных соединений (швов)
Классификация.
Сварные швы классифицируют по следующим признакам:
- по назначению — прочные (обеспечивают передачу нагрузки с одного элемента на другой); прочно-плотные (обеспечивают передачу нагрузки герметичность соединения — непроницаемость для жидкостей и газов);
- по расположению сварного шва в пространстве (рис. 3) — нижнее (а); вертикальное (в), горизонтальное (б); потолочное (г). При всех прочих равных условиях нижний шов самый прочный, потолочный — наименее прочный (значения прочности указанных выше швов относятся как 1:0,85; 0,9:0,8).
По взаимному расположению свариваемых элементов различают следующие виды соединений
- стыковые (рис.4);
- нахлесточные, лобовые (рис. 5, а); фланговые (рис. 5, б);
- с накладками (рис. 6);
- тавровые (рис. 7, а, б). Свариваемые элементы располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Соединение может быть выполнено угловыми (рис.7, а) или стыковыми (рис. 7, б) швами.
- угловые (рис. 7 в, г). Применяются для изготовления тары из листовой стали, ограждений и др. Выполняются угловыми швами. Эти соединения передают малые нагрузки и поэтому не рассчитываются на прочность.
Конструкции стыковых швов.
Стыковые швы имеют преимущественное распространение вследствие простоты конструкции. В зависимости от толщины свариваемых деталей и обработки кромок стыковые швы делят на следующие типы:
- шов с отбортовкой кромок (рис. 8, а) — рекомендуется для тонколистовых материалов (8 < 2 мм); одна или две кромки деталей отбортовываются;
- односторонний без скоса кромок (рис. 8, б) — шов сваривается без обработки кромок листов при их толщине 8 < 8 мм;
- односторонний со скосом одной кромки (рис. 8, в) — обрабатывается только одна кромка деталей толщиной 8 < 12 мм;
- односторонний со скосом двух кромок (рис. 8, г) — применяется при толщине деталей 8 < 25 мм;
- двусторонний с двумя симметричными скосами одной кромки (рис. 8, д) — кромки обрабатываются у одной детали с двух сторон, толщиной 8 до 40 мм;
- двусторонний с двумя симметричными скосами двух кромок (рис. 8, е) — толщина свариваемых деталей 8 >> 60 мм.
Рис. 8. Соединения стыковые: а — с отбортовкой;б — без скоса кромок; в, г, д, е — швы со скосом кромок
Стыковые швы, показанные на рис.9, а, называют прямыми, на рис.9, б — косыми. Косые стыковые швы применяют для увеличения рабочей длины шва.
Конструкция угловых (валиковых) швов.
Угловые швы применяют в нахлесточных соединениях, в соединениях с накладками, в тавровых и угловых соединениях. По своей прочности они уступают стыковым швам.
По профилю поперечного сечения угловые швы могут быть:
- нормальные (рис.10, а); катет шва принимается равным толщине листа (К= 5);
- вогнутые (рис.10, б) с катетом шва К= 0,85;
- выпуклые (рис.10, в);
- специальные (рис.10, г); их профиль представляет неравнобедренный прямоугольный треугольник (один из катетов K=δ).
Рис.10. Типы угловых швов: а — нормальный;б — вогнутый; в — выпуклый; г — специальный
Вогнутые швы применяют в особо ответственных конструкциях при переменных нагрузках, так как вогнутость обеспечивает плавный переход шва в основной металл детали, благодаря чему снижается концентрация напряжений. Вогнутый шов повышает стоимость соединения, так как требует глубокого провара и последующей механической обработки для получения вогнутости, выпуклые - вызывают повышенную концентрацию напряжений. Наиболее приемлем нормальный профиль углового шва. Специальные швы применяют при переменных нагрузках, так как значительно снижает концентрацию напряжений.
По расположению шва относительно действующей нагрузки угловые швы конструктивно разделяют на:
- лобовые, расположенные перпендикулярно к линии действия нагрузки F (см. рис.5, а); длина лобовых швов не ограничивается;
- фланговые, расположенные параллельно линии действия нагрузки F (см. рис.5, б); максимальная длина флангового шва принимается lш = (50...60)К;
- комбинированные, состоящие из лобовых и фланговых швов.
Нахлесточные соединения и соединения с накладками сваривают угловыми швами.
По своей прочности нахлесточные соединения уступают стыковым. Их применяют, когда по конструктивным соображениям стыковые швы применить невозможно. Соединения с накладками применяют, когда сварные швы не обеспечивают необходимой равнопрочности. В конструкциях, подверженных действию вибрационных и знакопеременных нагрузок, нахлесточные соединения и соединения с накладками применять не рекомендуется (создается значительная концентрация напряжений).
Для обеспечения нормальных условий работы нахлесточных соединений размер перекрытия шва (нахлестку) принимают lп < 48 (см. рис. 5, а). Длину накладок принимают конструктивно.
Соединение встык наиболее рационально применять для соединения листов. Однако не исключена возможность его применения и при стыковании двутавровых балок, швеллеров и уголков.
При конструировании соединений встык необходимо заботиться как о возможности хорошего провара стыка, так и о создании условий, обеспечивающих свободу сварочных деформаций («усадки»), которые развиваются в процессе остывания сварных швов.
что для этого необходимо: во-первых, в листах толще 10 мм производить одностороннюю или двустороннюю обработку кромок, позволяющую глубже вводить электрод и тем самым обеспечить провар; во-вторых, оставлять между стыкуемыми элементами зазор, размеры которого также указаны в таблице Классификация швов по типу обработки кромок.
Зазор в процессе сварки исчезает совсем, что указывает на значительную поперечную усадку. Отсутствие зазора ведет к короблению листов и большим сварочным деформациям. При сварке закрепленных листов, не имеющих свободы перемещения, в шве после остывания возникают большие растягивающие напряжения, которые могут привести к образованию трещин и разрушению. Существенное значение имеет обеспечение в стыках постоянства зазора.
При автоматической сварке вследствие большой силы тока и глубокого провара кромки можно обрабатывать на значительно меньшую глубину, а иногда и вовсе не обрабатывать, что уменьшает объем наплавленного металла.
При толщине металла до 14 — 16 мм автоматическая сварка ведется односторонне и в один проход, без разделки кромок, но с зазором. При толщине больше 16 мм делают скос кромок под углом около 40 — 60°. Этот скос нужен не для про вара, как при ручной сварке, а для размещения наплавленного металла; провар же от разделки почти не зависит.
Автоматическую сварку ведут на временных (медных) или постоянных (стальных) подкладках, на флюсовой подушке или с предвари тельной подваркой. Автоматическая сварка двусторонними швами, применяемая при толщине более 20 мм, дает швы отличного качества. Для ведения двусторонней сварки применяется Х-образная разделка с величиной притупления около 1/3 толщины свариваемых элементов.
Стыковые швы:
а — прямой стык;
б — прямой дефектный стык;
в — косой стык;
г — клиновой стык
Расчет прочности стыкового шва при работе его на осевые усилия производится в предположении равномерного распределения напряжений по поперечному сечению шва. Это предположение более или менее справедливо, если шов не дефектный.
В дефектном шве, как, например, показано нафигуре, б, поток силовых линий, проходящих внутри листа, не равномерен и, отклоняясь от оси, создает опасный дополнительней изгибающий момент. Для устранения этого необходимо про изводить подварку, которая делается после тщательной вырубки грата (шлаковин), скопляющегося в корне шва.
За расчетное сечение стыкового шва при расположении стыка перпендикулярно оси элемента (прямой стык) принимается площадь сечения по линии II — II, но без учета усиления подваркой и наплавленного валика сверху, т. е. 
где δ — толщина свариваемых элементов;
lш — расчетная длина шва, равная фактической длине за вы четом 10 мм (учитывающих образование кратера и непровары у краев листа). Напряжение в шве проверяется по формуле 
где RCB — расчетное сопротивление сварного шва встык растяжению или сжатию, принимаемое по таблице.