Сварные соединения выполненные дуговой сваркой. Сварные соединения общие сведения и применение

Сварка – это процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями путем местного или общего нагрева либо методом пластической деформации.

Сварные соединения в настоящее время представляют собой основной тип неразъемных соединений. Они образуются путем местного нагрева деталей в зоне их соединения. В современном машиностроении применяют различные способы сварки, из которых наибольшее распространение получила электрическая сварка. Технологические процессы различных способов сварки и области их применения рассматриваются в курсе «Технология металлов и конструкционные материалы».

Основные виды электросварки-дуговая и контактная. Различают три разновидности дуговой сварки:

1. Автоматическая сварка под слоем флюса. Этот метод сварки высокопроизводителен и экономичен, дает хорошее качество шва. Применяется в крупносерийном и массовом производстве для конструкций с длинными швами.

2. Полуавтоматическая сварка под слоем флюса. Применяется для конструкций с короткими прерывистыми швами.

3. Ручная сварка. Применяется в тех случаях, когда другие способы дуговой сварки нерациональны. Этот метод сварки малопроизводителен. Качество шва зависит от квалификации сварщика.

Для дуговой сварки применяют электроды с различной обмазкой, которые маркируют по ГОСТ 9467-60. Для сварки конструкционных сталей рекомендуются электроды: Э34, Э42, Э42А, Э46, Э46А, 350, Э50А, Э55 и др. Число после буквы Э обозначает минимальный гарантируемый предел прочности металла шва в кГ/мм2. Буква А обозначает гарантируемое получение повышенных пластических свойств металла шва.

Контактная сварка применяется в серийном и массовом производстве при соединении внахлестку тонкого листового металла (точечная, роликовая сварки) или при соединении встык круглого и полосового металла (стыковая сварка).

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПО СРАВНЕНИЮ С ЗАКЛЕПОЧНЫМИ

Достоинства:

1. Невысокая стоимость соединения благодаря малой трудоемкости процесса сварки простоты конструкции сварного шва.

2. Сравнительно небольшая масса конструкции (на 20/25 % меньше массы клепаной), так как:

а) поскольку отсутствуют отверстия под заклепки, требуется меньшая площадь сечений свариваемых деталей;

б) соединение деталей может выполняться встык без накладок (рис.2.1.б)

в) отсутствуют выступающие массивные головки заклепок (ср. рис. 2.1, а и 2.1, б).

3. Герметичность и плотность соединения.

4. Возможность автоматизации процесса сварки,

5. Возможность сварки толстых профилей.

Недостатки:

1. Прочность сварного соединения зависит от квалификации сварщика. Применение автоматической сварки устраняет этот недостаток.

2. Коробление деталей из-за неравномерности нагрева в процессе сварки.

3. Недостаточная надежность при значительных вибрационных и ударных нагрузках. По мере совершенствования процесса сварки этот недостаток проявляется в меньшей степени.

Рис. 2.1. Конструктивное оформление клепаного и сварного соединений.

ПРИМЕНЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В современном машиностроении, в строительных конструкциях и в других отраслях промышленности сварные соединения вытеснили заклепочные, за исключением особых случаев, оговоренных выше. В настоящее время сварку широко применяют как способ получения заготовок деталей из проката в мелкосерийном и единичном производстве, а также в ремонтном деле. Сварными выполняют станины, рамы, корпусы редукторов, шкивы, зубчатые колеса (рис. 2.2), коленчатые валы и другие детали.

Рис. 2.2 Пример сварного зубчатого колеса

В массовом производстве применяют штампосварные детали, полученные дуговой автоматической или контактной сваркой.

Сварное соединение - неразъемное. Оно образуется путем сва­ривания материалов деталей в зоне стыка и не требует никаких вспомогательных элементов. Прочность соединения зависит от од­нородности и непрерывности материала сварного шва и окружа­ющей его зоны.

Применяемые в современном машиностроении виды сварки ве­сьма разнообразны. Каждый из них имеет свои конкретные области применения . Из всех видов сварки наиболее широко распрост­ранена электрическая. Различают два основных вида электросварки: дуговую и контактную.

Электродуговая сварка основана на использовании теплоты эле­ктрической дуги для расплавления металла. Для защиты расплав­ленного металла от вредного действия окружающего воздуха на поверхность электрода наносят толстую защитную обмазку, кото­рая выделяет большое количество шлака и газа, образуя изолиру­ющую среду. Этим обеспечивают повышение качества металла сварного шва, механические свойства которого могут резко ухуд­шиться под влиянием кислорода и азота воздуха.

С той же целью производят сварку под флюсом. Этот вид сварки в настоящее время является основным видом автоматической свар­ки. Производительность автоматической сварки под флюсом в 10...20 раз и более выше ручной. Повышения производительности достигают путем применения тока 1000...3000 А вместо 200...500 А при ручной сварке. Это обеспечивает более рациональное форми­рование шва и повышает скорость сварки.

В то время как при ручной сварке образование шва достигается в основном за счет металла электрода (рис. 3.1, а), при автоматичес­кой сварке шов формируется в значительной степени за счет рас­плавленного основного металла (рис. 3.1, б), что не только сокраща­ет время, но и значительно снижает расход электродного матери­ала. Автоматическая сварка под слоем флюса обеспечивает высокие и, что особенно важно, однородные, не зависящие от индивидуаль­ных качеств сварщика механические свойства соединений.

В электрошлаковой сварке источником нагрева служит теплота, выделяющаяся при прохождении тока от электрода к изделию через шлаковую ванну. Электрошлаковая сварка предназначена для со­единения деталей большой толщины. Толщина свариваемых дета­лей практически не ограничивается. Электрошлаковая сварка позво­ляет заменять сложные и тяжелые цельнолитые и цельнокованые конструкции сварными из отдельных простых отливок, поковок и листов, что значительно облегчает и снижает стоимость производ­ства. Эта сварка применима и для чугунных отливок.

Контактная сварка основана на использовании повышенного омического сопротивления в стыке деталей и осуществляется не­сколькими способами.

При стыковой контактной сварке через детали пропускают ток, сила которого достигает нескольких тысяч ампер. Основное количе­ство теплоты выделяется в месте стыка, где имеется наибольшее
сопротивление; металл в этой зоне разо­гревается до пластического состояния или даже до поверхностного оплавления. За­тем ток выключают, а разогретые детали сдавливают с некоторой силой - проис­ходит сварка металла деталей по всей поверхности стыка. Этот вид сварки реко­мендуют применять для стыковых соединений деталей, площадь поперечного сечения которых сравнительно невелика.

При точечной контактной сварке соединение образуется не по всей поверхности стыка, а лишь в отдельных точках, к которым подводят электроды сварочной машины.

При шовной контактной сварке узкий непрерывный или преры­вистый шов расположен вдоль стыка деталей. Эту сварку выполня­ют с помощью электродов, имеющих форму дисков, которые катят­ся в направлении сварки. Точечную и шовную сварку применяют в нахлесточных соединениях преимущественно для листовых дета­лей толщиной не более 3...4 мм и тонких стержней арматурных сеток. В отличие от точечной шовная сварка образует герметичное соединение.

Все рассмотренные виды контактной сварки высокопроизводи­тельны, их широко применяют в массовом производстве для сварки труб, арматуры, кузовов автомобилей, металлической обшивки же­лезнодорожных вагонов, корпусов самолетов, тонкостенных резер­вуаров и т. п.

Сварное соединение является наиболее совершенным из неразъем­ных соединений, так как лучше других приближает составные дета­ли к цельным. При сварном соединении проще обеспечивают усло­вия равнопрочности, снижения массы и стоимости изделия.

Сварку применяют не только как способ соединения деталей, но и как технологический способ изготовления самих деталей. Сварные детали во многих случаях с успехом заменяют литые и кованые (рис. 3.2, где а - зубчатое колесо; б - кронштейн; в - корпус). Для изготовления сварных деталей не требуется моделей, форм или штампов. Это значительно снижает их стоимость при единичном и мелкосерийном производстве. Сварка таких изделий, как зубчатые колеса или коленчатые валы, позволяет изготовлять их более ответ-

Ezzzzzzz &4

Ственные части (зубчатый венец, шейка) из высокопрочных сталей, а менее ответственные (диск и ступица колеса, щека коленчатого вала) - из менее прочных и дешевых материалов. По сравнению с литыми деталями сварные допускают меньшую толщину стенок, что позволяет снизить массу деталей и сократить расход материала. Большое распространение получили штампосварные конструкции (рис. 3.2, в), заменяющие фасонное литье, клепаные и другие изде­лия. Применение сварных и штампосварных конструкций позволяет во многих случаях снизить расход материала или массу конструк­ции на 30...50%, уменьшить стоимость изделий в 1,5...2 раза.

Сварные соединения – неразъёмные соединения, образованные посредством установления между деталями межатомных связей, при помощи расплавления соединяемых кромок, их пластического деформирования или совместным действием того и другого.

Сварные соединения нашли самое широкое применение в промышленности. Без применения сварки в настоящее время не выпускается практически ни одна машина. Многие автомобили имеют сварные рамы, корпус заднего моста, диски колёс, кузова.

Широкому распространению сварных соединений способствовало наличие у них большого числа преимуществ перед клёпаными соединениями.

Достоинства сварных соединений:

1. высокая технологичность сварки, обусловливающая низкую стоимость сварного соединения;

2. снижение массы сварных деталей по сравнению с литыми и клёпаными на 25…30%;

3. возможность получения сварного шва, равнопрочного основному металлу (при правильном конструировании и изготовлении);

4. возможность получения деталей сложной формы из простых заготовок;

5. возможность получения герметичных соединений;

6. высокая ремонтопригодность сварных изделий.

Недостатки сварных соединений:

1. коробление (самопроизвольная деформация) изделий в процессе сварки и при старении;

2. возможность создания в процессе сварки сильных концентраторов напряжений;

3. сложность контроля качества сварных соединений без их разрушения;

4. сложность обеспечения высокой надежности при действии ударных и циклических, в том числе и вибрационных, нагрузок.

По способу образования сварного шва сварные соединения можно разделить на образованные с расплавлением соединяемых кромок (сварка плавлением) и без расплавления кромок соединяемых деталей. Из наиболее распространённых способов к сварке плавлением относятся соединения, выполненные электродуговой сваркой с различными её модификациями (ручная дуговая плавящимся и неплавящимся электродом, сварка под слоем флюса, сварка в среде защитных газов и пр.), газовой сваркой (при нагреве свариваемых кромок теплом газового пламени), электрошлаковой сваркой, сваркой лазерным лучом, электронным пучком и некоторые другие виды сварных соединений.

В группу соединений без расплавления кромок входят соединения, выполненные кузнечной сваркой, всеми видами контактной сварки (стыковой, точечной, шовной), сваркой посредством пластического холодного деформирования, сваркой взрывом, диффузионной сваркой в вакууме, сваркой трением и другие виды соединений.

В настоящее время основная масса сварных соединений, выполненных электродуговой сваркой стандартизованы. По взаимному расположению частей сварного соединения последние можно разделить на 5 основных типов: стыковое , угловое , тавровое , нахлёсточное и торцовое .

Металл, затвердевший после расплавления и соединяющий сваренные детали соединения, называют сварочным швом . Формирование сварочного шва сопровождается частичным оплавлением поверхностей деталей, участвующих в образовании сварного соединения. Поверхности свариваемых деталей, подвергающиеся частичному оплавлению при формировании свар­чного шва и участвующие в образовании соединения, называются свариваемыми кромками .

По аналогии с заклёпочными швами сварные швы по функциональному назначению делят на прочные , от которых не требуется обеспечение герметичности, плотные , главное требование к которым герметичность, и прочноплотные , у которых требование прочности сочетается с требованием герметичности разделяемых пространств.

По форме поперечного сечения сварные швы делятся на стыковые (рис. 35, I) и угловые (рис. 35, II). Кроме того, поперечное сечение шва зависит от формы подготовки кромок под сварку. Так, например, в стыковых соединениях применяются швы сотбортовкой кромок, без скоса кромок (рис. 35, Iа), с V -образной разделкой кромок (рис. 35, Iб) с K -образной разделкой кромок (рис. 35, Iв) X -образной разделкой кромок (рис. 35, Iг). Швы с разделкой кромок применяются и в других видах соединений. Форма разделки кромок зависит от толщины свариваемого металла, от вида сварки (ручная или автоматическая), от способа защиты расплавленного металла от окисления (сварка под слоем флюса, сварка в среде защитных газов и т.п.) и некоторых других факторов. Для наиболее распространённых видов сварки (ручная плавящимся электродом, полуавтоматическая и автоматическая под слоем флюса и др.) разделка кромок стандартизована.

По форме наружной поверхности швы могут быть плоские (рис. 35, IIа), вогнутые (рис. 35, IIб), выпуклые (рис. 25, IIв). Иногда выпуклые швы необоснованно называют усиленными, а вогнутые – ослабленными. Однако усиление сварочного шва способствует концентрации напряжений в околошовной зоне металла, что отрицательно сказывается на работоспособности соединения при переменных нагрузках, а вогнутость уменьшает рабочее сечение шва, увеличивая тем самым напряжения в нём.

По расположению швов относительно действующей нагрузки сварные швы разделяют на: лобовые (рис. 36, а), продольная ось которых перпендикулярна действующим усилиям, фланговые (рис. 36, б) или боковые, продольная ось которых по направлению совпадает с направлением действующих усилий, и косые (рис. 36, в), продольная ось которых направлена под некоторым углом к направлению действующей нагрузки. Швы, участки которых имеют различное направление по отношению к действующим усилиям, называют комбинированными (рис. 36, г).

Для сварных конструкций наиболее существенным является различие швов по условиям работы. По этому признаку все швы можно разделить на рабочие , предназначенные для восприятия основных нагрузок, и соединительные или связующие, назначением которых является только скрепление отдельных элементов конструкции в единое целое.

Известны и некоторые другие признаки деления сварочных швов, не представленные в данной лекции.

Критерием работоспособности большинства сварных соединений можно считать прочность шва и околошовной зоны при действующих в соединении нагрузках, которые могут иметь самый различный характер.

6.3. Паяные соединения

Паяные соединения - это соединения, образованные за счет химического или физического (адгезия, растворение, образование эвтектик) взаимодействия расплавляемого материала - припоя с соединяемыми кромками деталей.

Применение расплавляемого припоя обусловливает нагревание соединяемых деталей. Тем не менее, существенным отличием пайки является отсутствие оплавления соединяемых поверхностей.

Паяные соединения широко применяются в транспортном машиностроении (паяные радиаторы охлаждающих систем), в приборостроении и электронике (монтаж печатных плат и навесных элементов), а также в некоторых других отраслях производства. Некоторые типы паяных соединений представлены на рис. 37.

Достоинства паяных соединений:

1. возможность соединения разнородных материалов;

2. возможность соединения тонкостенных деталей;

3. возможность получения соединения в труднодоступных местах;

4. коррозионная стойкость;

5. малая концентрация напряжений вследствие пластичности припоя;

6. герметичность паяного шва.

Недостатки паяных соединений:

1. пониженная прочность шва в сравнении с основным металлом;

2. требования высокой точности обработки поверхностей, сборки и фиксации деталей под пайку.

В качестве припоев для пайки соединений чаще всего применяются различные металлы и некоторые сплавы, температура плавления которых существенно ниже, температуры плавления материала соединяемых деталей.

6.4. Клеевые соединения

Клеевые соединения образуются посредством адгезионных сил, возникающих при затвердевании или полимеризации клеевого слоя, наносимого на соединяемые поверхности.

Отличие клеевого соединения от паяного заключается в том, что клеи не являются металлами, в то время как припои – это либо металлы, либо их сплавы. В зависимости от состава и свойств клеев их полемирезация может происходить как при комнатной температуре, так и при нагревании.

Все клеи можно разделить на конструкционные - такие которые способны выдерживать после затвердевания нагрузку на отрыв и сдвиг, и неконструкционные - соединения с применением которых не способны длительное время выдерживать нагрузки.

К конструкционным можно отнести клеи БФ, эпоксидные, циакрин и др. К неконструкционным - клей 88Н, иногда резиновый и др.

Большинство клеев требует выдержки клеевого соединения под нагрузкой до образования схватывания и последующей досушки в свободном состоянии. Некоторые клеи требуют нагрева для выпаривания растворителя и последующей полимеризации. Клеевые соединения часто применяют в качестве контровочных для резьбовых соединений. Как правило, клеевые соединения лучше работают на сдвиг, чем на отрыв.

Расчет паянных и клеевых соединений ведется на сдвиг или на отрыв - в зависимости от их конструкции.

В заключение следует отметить, что перечень неподвижных соединений, используемых в промышленности, далеко не ограничивается представленными в настоящей лекции. Кроме того, техническая мысль не стоит на месте, а, следовательно, постоянно появляются новые методы соединения деталей, а значит, и новые виды соединений.

Кроме неподвижных соединений, которые не подлежат разборке, существует большой класс разъёмных соединений. Последние и будут рассмотрены в последующих лекциях.