Сварные соединения. 
Прикладная механика

Сварные соединения образуются за счет сил молекулярного взаимодействия между соединяемыми деталями при местном нагреве до расплавленного состояния (сварка плавлением) или при пластическом деформировании нагретых деталей (контактная сварка).

Сварные соединения — наиболее распространенный вид неразъемных соединений, широко используемых во всех отраслях техники. Сваркой соединяют детали из конструкционных углеродистых и легированных сталей, цветных сплавов и неметаллов.

Достоинства: возможность автоматизации процесса и соответственно низкая стоимость изготовления; небольшая масса конструкции, которая на 20−30% ниже массы заклепочного соединения; прочность сварного шва при статическом нагружении приближается к прочности основного материала; герметичность конструкции.

Недостатки: появление остаточных напряжений и коробление, особенно тонкостенных конструкций, связанное с неравномерным нагревом и охлаждением материала соединяемых деталей; возможность наличия внутренних дефектов в сварном шве (непровары, трещины, шлаковые включения), особенно при ручном процессе сварки, что снижает прочность соединений; трудоемкость контроля качества шва.

В зависимости от способа разогрева деталей различают термический, термомеханический и механический виды сварки.

В дуговой сварке разогрев деталей осуществляется электрической дугой между металлическим электродом 1 и свариваемыми деталями (рис. 4.94, а). Процесс может быть ручным или автоматическим. Для защиты окисления деталей из легированных сталей и цветных сплавов автоматиче;

Рис. 4.94.

скую сварку проводят иод слоем флюса или в среде инертных газов — аргона или гелия. Автоматическую сварку используют в серийном производстве и для соединения конструкций с прямыми длинными швами. Она обеспечивает высокое качество соединения, поскольку исключается влияние квалификации сварщика, повышается производительность процесса. Сварку осуществляют на сварочных автоматах или полуавтоматах деталей толщиной от 2 до 130 мм. Ручная сварка более маневренная; ее применяют в единичном производстве и для соединения конструкций с фигурными швами. Толщина соединяемых деталей 1−60 мм.

Электронно-лучевой сваркой соединяют детали из легированных сталей, алюминиевых и медных сплавов, тугоплавких металлов. Разогрев осуществляется в вакуумных камерах потоком электронов, испускаемых вольфрамовой спиралью?, питаемой током высокого напряжения (250 кВ), и проходящих через кольцевой анод 2 (рис. 4.94, б). Поток электронов фокусируют с помощью электромагнитных катушек. Тонкий луч позволяет получать швы малых размеров, обеспечивает узкую зону проплавления, малые деформации. Этим способом можно сваривать детали толщиной от нескольких десятков миллиметров до нескольких микрометров, расположенные в замкнутых объемах (сосуды, оболочки), проницаемых для электронных лучей.

Плазменно-лучевая сварка (рис. 4.94, в) производится струей нейтрального газа (азот, гелий, аргон), ионизированного при пропускании через электрическую дугу между вольфрамовым электродом 1 и медным соплом 2. Струю плазмы формируют электромагнитным полем. Температура струи доходит до 4000 °C. Применяют этот вид сварки для тугоплавких металлов и соединения деталей толщиной 0,1−0,5 мм (сильфоны, трубопроводы, детали приборов).

При газовой ацитилено-кислородной сварке (рис. 4.94, г) детали разогревают высокотемпературным пламенем. В качестве присадочного материала для заполнения шва используют стальную проволоку. Ацитилено-кислородную сварку применяют для соединения деталей из углеродистых сталей в мелкосерийном производстве и в полевых условиях. Широко используется газовая резка металлов.

К термомеханической относится контактная сварка, в которой разогрев происходит при прохождении электрического тока между двумя электродами, сдавливающими соединяемые детали. Различают точечную и шовную (роликовую) электросварки. При точечной сварке нахлесточиых соединений (рис. 4.94, ?) детали располагаются между подвижным 1 и неподвижным 2 электродами, которые периодически сжимают листы, образуя точечный шов. Роликовая сварка (рис. 4.94, е) ведется вращающимися дисковыми электродами 3 для соединения деталей общей толщиной 4−6 мм и получения герметичного шва (различные сосуды).

Механическую сварку применяют для соединения пластичных металлов (медь, никель, алюминий, цинк и др.). Зачищенные и обезжиренные поверхности сжимают давлением, превосходящим предел текучести материала. В результате диффузионных и рекристаллизационных процессов, происходящих в зоне сжатия, поверхности прочно соединяются. Детали из цветных металлов приваривают к стальным путем запрессовки их в конические гнезда.

В зависимости от взаимного расположения десталей можно выделить следующие основные виды сварных соединений: стыковые, нахлесточные, с накладками, угловые и тавровые. Стыковые соединения выполняют стыковыми швами, остальные — угловыми швами.

Наиболее распространенными являются стыковые соединения (рис. 4.95), прочность которых практически равна прочности основного материала. Сварку выполняют по торцам соединяемых деталей. Стыковые швы в зависимости от толщины соединяемых деталей могут быть односторонними (рис. 4.95, а, б) или двусторонними (рис. 4.95, в — д). На кромках деталей большой толщины выполняют различного рода фаски (см. рис. 4.95, г, ?) для создания сварочной ванны и обеспечения проплавления на всю толщину деталей.

Стыковые швы рассчитывают на прочность по номинальному сечению без учета утолщения шва (рис. 4.96). При действии растягивающей силы F условие прочности записывается в виде.

где l — длина шва; s — толщина соединяемых деталей; [?] - допускаемое напряжение в сварном шве при растяжении (табл. 4.30).

Рис. 4.95.

Рис. 4.96.

Соединения, нагруженные изгибающим моментом M, рассчитывают по формуле.

где - момент сопротивления сечения шва.

При совместном действии растягивающей (или сжимающей) силы и изгибающего момента напряжения определяются как.

Нахлесточные соединения могут быть с односторонним (рис. 4.97, а) или двусторонним (рис. 4.97, б) швом. В зависимости от расположения швов по отношению к внешней нагрузке различают швы лобовые (см. рис. 4.97, б), фланговые (рис. 4.97, в) и косые (рис. 4.97, г). Лобовые швы расположены перпендикулярно действующей силе, фланговые — параллельно, а угловые — под углом. Величина перекрытия деталей в нахлесточиых соединениях выбирается из условия . Длину лобового шва обычно принимают равной ширине привариваемой детали; длину флангового шва — равной не менее 30 мм, так как дефекты па концах шва резко снижают его прочность. Максимальную длину шва рекомендуют выбирать не более 60k, где k — катет шва.

Таблица 4.30.

Сварка.	Допускаемое напряжение для сварных швов.
Автоматическая, ручная электродами Э42А и Э50А, в среде защитного газа, контактная стыковая.
Ручная электродами обычного качества.
Контактная точечная.

Примечание: [??] - допускаемое напряжение при растяжении основного металла соединяемых элементов.

Рис. 4.97.

В соединениях с накладкой под действием растягивающих сил возникает изгибающий момент (рис. 4.98, а, б), равный произведению силы на сумму полутолщии соединяемых деталей. Эти соединения можно усилить подваркой соединяемых деталей (рис. 4.98, в). Соединения с двумя накладками (рис. 4.98, г) разгружены от изгибающего момента, но они имеют большую массу и мало технологичны. Применяют соединения с накладками только в тех случаях, когда стыковое соединение не обеспечивает требуемой прочности.

В тавровых (рис. 4.99, а -в) и угловых (рис. 4.99, г — е) соединениях детали располагаются под углом, чаще всего перпендикулярно. В угловых соединениях детали свариваются по кромкам, а в тавровых одна деталь приваривается к боковой поверхности другой. В зависимости от толщины свариваемых элементов соединения выполняют с подготовкой и без подготовки кромок, односторонним или двусторонним швом.

По форме угловые швы выполняют прямыми в виде равнобедренного треугольника (нормальный шов) (рис. 4.100, а); с соотношением сторон 1:1,5 или 1: 2 (рис. 4.100, б), выпуклыми (рис. 4.100, в) и вогнутыми (рис. 4.100, г). Чаще всего.

Рис. 4.98.

Рис. 4.99.

Рис. 4.100.

применяют нормальный шов, где меньше концентрация напряжений. Такой шов рекомендуют применять при действии циклических нагрузок. В выпуклом шве возможно появление непроваров в местах соединения шва со стенками деталей. Вогнутый шов обладает повышенной прочностью, но выполнение его затруднено и малопроизводительно.

Основной характеристикой угловых швов является катет k. При сварке деталей различной толщины его делают равным толщине более тонкой детали. В угловых соединениях с одинаковой толщиной стенок (см. рис. 4.99, г) катет определяется толщиной кромок. В тавровых соединениях, где размеры катета могут быть произвольными, катет шва делают равным толщине свариваемых деталей; если толщины разные, то катет равен толщине более тонкой детали. Разрушение углового шва происходит по наименьшей площади сечения, проходящей через биссектрису прямого угла. Высоту шва принимают равной 0,7k.

Расчет угловых швов рассмотрим на примере наиболее распространенного нахлестанного соединения. При действии на соединение силы F (рис. 4.101, в) в угловом шве возникает сложное напряженное состояние, но в упрощенном виде расчет всех типов выполняют по одной зависимости.

(4.93).

Рис. 4.101.

где - допускаемое напряжение среза шва (см. табл. 4.30); - суммарная длина шва. Для фланговых швов эта зависимость справедлива, для лобовых носит приближенный характер.

При расчете угловых швов, нагруженных изгибающим моментом М (рис. 4.101, б) в плоскости стыка, полагают, что приваренная деталь стремится повернуться вокруг центра масс фигуры, образованной сечениями швов. Максимальное напряжение определяют по формуле.

(4.94).

где - расстояние наиболее удаленной точки от центра масс площади опасных сечений; - полярный момент инерции площади сечения шва, равный сумме осевых моментов инерции. Осевые моменты инерции сечения швов определяют как для прямоугольников, одна сторона которых равна длине шва, а другая — 0,7k. При совместном действии момента М и силы F на комбинированный угловой шов расчетные напряжения находят геометрическим сложением напряжений от силы F и момента М по формулам (4.93) и (4.94).