С В А Р Н Ы Е С О Е Д И Н Е Н И Я

Сваркой – называется неразъемное соединение деталей, выполненное с в а р к о й. Сварное соединение образуется путем сваривания материалов деталей, расположенных в зоне стыка и не требует никаких дополнительных вспомогательных элементов. Прочность сварного соединения зависит от однородности и непрерывности материала сварного шва и окружающей его зоны.

Сварка может осуществляться нагревом до расплавленного состояния (сварка плавлением электродуговая, электрошлаковая и др.) или до тестообразного состояния, но с применением механического усилия (контактная сварка).

Сварные соединения являются наиболее совершенными неразъемными соединениями, т. к. лучше других приближают составные детали к целым и позволяют изготавливать конструкции неограниченных размеров. Прочность сварных соединений при статических и ударных нагрузках доведена до прочности целого металла.

Достоинства сварных соединений: 1. Применение сварных конструкций обеспечивает существенную экономию металла по сравнению с клепаными и литыми.Это достигается (по сравнению с клепаными) за счет: а) полного использования рабочих сечений соединяемых элементов без ослабления их отверстиями для заклепок;б)непосредственного соединения элементов встык без вспомогательных деталей (накладок, соединительных уголков). Общая экономия металла достигает 15 – 20%. Экономия металла у сварных соединений по сравнению с литыми конструкциями достигается из-за: а) более высоких механических свойств материалов и меньших собственных напряжений; б) более совершенных конструктивных форм, невозможных в литых конструкциях; в) меньших припусков на механическую обработку. Сварные стальные конструкции легче чугунных литых до 50%, а стальных – до 30%. 2. Высокие экономические показатели: а) невысокая стоимость сварных соединений благодаря малой трудоемкости; б) относительно низкая стоимость сварочного оборудования по сравнению с кузнечно-прессовым или литейным оборудованием. 3. Возможность соединения деталей любых форм (в т. ч. очень сложных). 4. Герметичность соединений. 5. Возможность автоматизации процесса сварки. 6. Высокая прочность при статических нагрузках. Недостатки сварных соединений: 1. Недостаточная надежность при ударных и вибрационных нагрузках. 2. Коробление деталей в процессе сварки. 3. Возникновение остаточных напряжений в свариваемых элементах. 4. Сложность контроля качества сварного шва. 5. Недостаточная надежность соединения из-за возможности возникновения «непроваров» и шлаковых включений. 6. Нестабильность качества сварного шва при ручной сварке, зависящая от квалификации сварщика. 7. Возможность нарушения физико-химических свойств соединяемых деталей в зоне сварки.

В настоящее время сварку используют: для изготовления сосудов под давлением; станин станков; рам; корпусов редукторов; шкивов, зубчатых колес, коленчатых валов и др. деталей. Свариваемость материалов характеризуется их склонностью к образованию трещин при сварке и механическими свойствами соединения. Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали, плохой – высокоуглеродистые стали и чугуны.

Часть конструкции, в которой сварены примыкающие друг к другу элементы называетсясварным узлом. Металл, соединяемых сваркой деталей, называется основным, а металл, предназначенный для введения в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному, называется присадочным. Переплавленный присадочный металл, введенный в сварочную ванну, называется наплавленным.Участок соединения деталей, образовавшийся в результате кристаллизации металлической сварочной ванны, называется сварным швом. Металл шва является сплавом основного и наплавленного металла, а иногда только переплавленным основным металлом.

Сварные соединения по взаимному расположению соединяемых элементов подразделяются на следующие группы: 1. Соединения в стык, когда соединяемые элементы являются продолжением один другого (рис. 1, «а»). Сварку производят по торцам соединяемых деталей. 2. Соединения внахлестку, когда боковые поверхности соединяемых элементов частично перекрывают одна другую (рис. 1., «б»). 3.Соединения тавровые (или «в тавр»), когда соединяемые элементы перпендикулярны один к другому (рис. 2, «б»). При этом один элемент торцом приваривается к боковым поверхностям другого элемента. 4. Соединения угловые, когда соединяемые элементы перпендикулярны или наклонены один к другому и привариваются по краям (рис. 2, «а»).

Рис. 1. Виды сварных соединений: а) стыковое; б) нахлесточное

Рис. 2. Виды сварных соединений: а) угловое; б) тавровое

Сами сварные швы по форме поперечного сечения могут быть нормальными, выпуклыми и вогнутыми. Выпуклость шва обозначается «g», а вогнутость «Δ» (рис. 2, «а» и «б»). Их величина не должна превышать 3 мм. Выпуклый угловой шов, на первый взгляд кажется более прочным, однако имеет значительную концентрацию напряжений по сравнению с нормальным и особенно вогнутым швами, т. к. выпуклый шов образует более резкое изменение сечения детали в месте соединения. Поэтому при действии на конструкцию переменных нагрузок рекомендуется применять вогнутые угловые швы, хотя вогнутость требует дополнительной механической обработки, что усложняет технологию и удорожает стоимость соединения. У стыковых швов со снятыми механическим способом выпуклостями концентрация напряжений практически отсутствует.

Различают сварные швы лобовые и фланговые, расположенные, соответственно, перпендикулярно и параллельно линии действия нагрузки (рис.1, «а» и «б»). Кроме того, бывают швы косые(рис. 3, «б») и комбинированные (рис.1, «б»). Сварные швы также подразделяются: по протяженности – нанепрерывные и прерывистые; по положению в пространстве – на нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные.

Сварной шов образуется в результате кристаллизации металла сварочной ванны. Основными геометрическими характеристиками сварочного шва являются катет «К» (в некоторых случаях К = δ) и высота опасного сечения «h» (рис. 3, «е»). Для нормального шва параметр .

Рис. 3. Схемы сварных швов: а) стыковой лобовый; б) стыковой косой; в) нахлесточный лобовый; г) нахлесточный фланговый; д) нахлесточный комбинированный; е) сечение нормального сварного шва.

Расчет сварных соединений

Основным критерием работоспособности сварных соединений является прочность, причем предполагается, что напряжения в опасных сечениях распределены равномерно.

1. Расчет стыковых сварных соединений.Расчет производится по нормальным напряжениям растяжения или сжатия по нормальному сечению соединяемых элементов без учета выпуклости шва (рис. 3, «а»):

или ,

где F– растягивающая или сжимающая сила, Н;

L – длина сварочного шва, мм;

- толщина соединяемых элементов, мм;

- допускаемое напряжение металла шва для принятой технологии сварки (напряжения в металле шва обозначаются соответствующей буквой со штрихом).

Для стыкового соединения с косым сварочным швом условие прочности определяется выражением (рис. 3, «б»):

или .

2. Расчет нахлесточных (лобовых, фланговых), угловых и тавровых соединений.Расчет производится на срез по касательным напряжениям сдвига в опасном сечении «n-n» (рис.3, «е»), совпадающем с биссектрисой прямого угла.Для лобового сварного шва условием прочности является выражение (рис.3, «в»):

,

где h = 0,7К Кsin 45 - высота опасного сечения нормального сварочного шва, мм;

– длина сварного шва, мм;

- допускаемое напряжение металла сварного шва на срез для принятой технологии сварки.

Для нахлесточного соединения с фланговыми сварными швами условие прочности определяется (рис. 3, «г»):

Для косого нахлесточного сварного шва, условие прочности будет выражаться зависимостью:

.

3. Расчет комбинированных нахлесточных сварных соединений. Условие прочности соединений, нагруженных растягивающей силой f, имеет вид (рис.3. «д»):

,

где - длина флангового сварного шва, мм; - длина лобового шва, мм.

При нагружении сварного нахлесточного соединения изгибающим моментом Т условие прочности имеет вид:

.

При суммарном действии на комбинированное нахлесточное соединение изгибающего момента Т и растягивающей силы F (рис. 3, «д») условие прочности имеет вид:

_.

_{Ориентировочно для стальных конструкций при статической нагрузке рекомендуется принимать: - на растяжение; - при сжатии; . Здесь , где - предел текучести основного материала; - допускаемый коэффициент запаса прочности ( = 1,35 – 1,7 – большие значения применяются для легированных сталей).}

Для переменных нагрузок допускаемые напряжения понижают с учетом характера цикла нагружений, эффективного коэффициента концентрации напряжений в сварных швах, числа циклов нагружения и других факторов.

Максимальную длину лобового и косого швов не ограничивают; длину фланговых швов следует принимать 60К (где К – катет шва) во избежания значительной неравномерности распределения нагрузки по длине шва. Минимальная длина швов не менее 30 мм, так как иначе неизбежные дефекты (непровар в начале шва и образование кратера в конце шва) будут значительно снижать его прочность. Учитывая эти дефекты, короткие швы следует увеличить на 5 – 10 мм против расчетной величины. Величина перекрытия соединяемых элементов (деталей) в нахлесточных соединениях не должна быть меньше четырехкратной толщины основного материала.

Швы в конструкциях следует располагать так, чтобы они были нагружены равномерно. Поэтому соединение симметричных элементов следует выполнять симметрично расположенными швами и наоборот; напряжения растяжения или сжатия должны распределяться по сечению соединяемых элементов равномерно, а продольная сила должна проходить через центр тяжести сечения. Это относится в равной степени к сварным соединениям из алюминия, алюминиевых сплавов, винипласта, полиэтилена и других материалов.