Сварные соединения и их расчёт

Соединение деталей при помощи сварки является наиболее совершенной и распространенной в настоящее время разновидностью неразъемных соединений. Классификация сварных соединений представлена на рис.5

Сварные соединения имеют большие преимущества: проще технология подготовительных операций, процесс сварки производителый и экономичный, допускает широкое применение автоматизации, бесшумен, обеспечивает непроницаемость соединения. С помощью сварки возможно создание позволяет добиться заметного снижения веса конструкций и экономии материала почти всегда на 15— 20%, а в некоторых случаях до 30—50% и более.

Это снижение веса обусловлено большим значением коэффициента прочности сварных швов (φ_пр →1) по сравнению с заклепочными (φ_пр ≈ 0,5…0,8), возможностью придания деталям более выгодных по прочности и жесткости форм, устранением сдваивания материала, неизбежного при клепке. [ где - предел прочности образуемого материала.

К недостаткам сварки следует отнести ее чувствительность к вибрационным нагрузкам, высокие коэффициенты концентрации напряжений, особенно для некоторых типов швов, коробление деталей сложной конфигурации, сложность и трудоемкость контроля качества сварных швов.

По мере совершенствования технологии сварки и методов контроля ее качества недостатки этого прогрессивного процесса неуклонно снижаются.

Отмеченные преимущества сварки позволили этому процессу за короткий период занять одно из ведущих мест в технике. В настоящее время свариваются детали, изготовленные из черных металлов, многих цветных металлов и пластмасс.

Применяются следующие типы технологических приемов сварки:

Сварка давлением. Сварка давлением заключается в том, что соединяемые детали тем или иным способом (в горне, печи, трением, при помощи токов высокой частоты, электросопротивлением) получают местный нагрев в зоне сварки до превращения материалов в пластичное тестообразное состояние, а затем подвергаются местному давлению. Сварку давлением подразделяют на: кузнечнопрессовую, трением (рис.6,а), индукционную, электроконтактную (стыковая — рис. 6б, точечная— рис. 6в, ленточная, или роликовая,— рис. 6 г).

К этому же виду сварки относятся диффузионно-вакуумную, а также холодную сварку некоторых цветных металлов (алюминия) и пластмасс, в том числе ультразвуковую.

 

Рис. 5. Классификация сварных соединений.

Рис. 6. Существующие виды сварки.

Сварка плавлением: термитная (рис. 6, д), газовая (рис. 6, е), электродуговая (рис. 6, ж) и ее разновидности. Здесь свариваемые детали нагреваются в зоне сварки (в пламени термита, газа, электрической дуги) до плавления. Одновременно плавится и подводимый присадочный металл, заполняя зазор между соединяемыми деталями.

Наиболее распространенной является злектродуговая сварка (изобретенная русскими инженерами Н. И. Бенардосом и Н. Г. Славяновым в восьмидесятых годах 19 века) неплавящимся угольным или чаще всего плавящимся металлическим электродом. Процесс сварки ведется вручную (при коротких, неудобно расположенных швах) или автоматически (при длинных швах и серийном производстве).

Для предохранения расплавленного металла от вредного воздействия воздуха (окисления и насыщения азотом) используются шлакообразующие флюсы или среда защитного газа (аргона, углекислого газа).

Легко свариваемыми материалами являются низкоуглеродистые стали. Для высоколегированных сталей, чугунов и цветных металлов требуются с целью получения хороших результатов специальные приемы сварки (предварительный подогрев, специальные электроды, защитная среда и др.).

По конструкции различают сварные швы:

Встык (рис.7). Это наиболее распространенная и экономичная конструкция, обеспечивающая наименьшие вес и концентрацию напряжений в зоне шва. Для обеспечения надлежащего провара в зависимости от толщины свариваемых деталей s необходимо применять подготовку кромок под сварку. Швы делаются бесскосными (рис. 7, а) с обратной подваркой или на подкладке (при ручной сварке и s≤8…10 мм), V-образными (рис. 7,б; s=до 20…25 мм), U-образными (рис. 7, в) или Х-образными (рис. 7,г; s>20…25 мм). При автоматической сварке соответствующие толщины s, определяющие способ подготовки кромок, повышаются примерно в 1,5 раза.

Рис. 7. Сварные швы встык

Угол раскрытия шва α = 30…70°; зазор а =1…3 мм, размер u ≈ а при ручной сварке и u = (0,3…0,5)s— при автоматической. Меньшие значения а, а, и относятся к малым s и автоматической сварке, большие —к большим s и ручной сварке.

Повышенную прочность шва, гарантированно не меньшую, чем для целой детали, обеспечивает косой шов встык (рис. 7, д).

Рис. 8. Сварные швы внакрой (внахлёстку).

Внакрой (внахлестку — рис. 8). Конструкция менее выгодная, но нередко применяемая в металлоконструкциях. Осуществляется с помощью так называемых угловых (валиковых) швов нормального (рис. 4, а), облегченного (рис. 8, б) или улучшенного (рис. 8, г) типов. Вогнутые швы облегченного типа получаются механической обработкой нормальных швов глубокого проплавления.

В зависимости от расположения шва относительно направления внешнего усилия F различают швы лобовые (рис. 8, г), фланговые (рис. 8, д) и комбинированные (рис. 8, е).

Втавр (впритык — рис. 9). Очень распространенные виды швов в составных машиностроительных конструкциях. В зависимости от толщины привариваемой детали s их выполняют, как и стыковые, без подготовки кромок (рис. 9, а), с односторонней (рис. 9, б) или двусторонней (рис. 9, в) разделкой кромок. При автоматической сварке во всех случаях могут быть получены швы наилучшего качества с глубоким проплавлением (рис. 9, г). Разновидностью швов втавр является шов с заваркой угла соединения (рис. 9, д). Такие швы дают возможность получить красивую гладкую конструкцию, но малопригодны как силовые. Предпочтительней шов втавр с перепуском одной из деталей

Рис. 9. Сварные швы втавр Рис. 10. Точечная и роликовая (впритык). сварка.

Контактная точечная (рис. 6, а) и ленточная (герметичная— рис. 6, 6) сварка применяются при массовом изготовлении деталей из относительно тонких металлических листов (s<8…10 мм) и пластмасс. Размер d~ (l,5…2,0)s. Остальные размеры (t, e и др.) примерно те же, что и для заклепочных соединении.