Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Сварные соединения
(Гузенков П.Г. «Детали машин» § 3.1…3.3
В.Н. Кудрявцев «Детали машин» Глава 9, § 9.1…9.3
Г.Б. Иосилевич «Прикладная механика» § 25.1)
Сварка – процесс получения неразъемного соединения деталей машин, конструкций и сооружений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями путем их тесного сближения при местном или общем нагреве, пластическом деформировании или совместным действием того и другого.
Сваркой соединяют детали из металлов, керамических материалов, пластмасс, стекла, биологических тканей и других материалов. Их сочетания могут состоять из однородных (напр., алюминий с алюминием) и разнородных (напр., стекло с металлом) материалов.
Условия для возникновения межатомных связей создают при их местном или общем нагреве (термический класс сварки), пластическом деформировании деталей в зоне стыков (механический класс сварки) или совместном нагреве и пластическом деформированием (термомеханический класс сварки).
На практике применяют свыше 60 видов сварки, отличающихся:
по способам сварки при которых материал расплавляется ( электродуговая, газовая, электронно-лучевая и др.), деформируется без нагревания (холодная, взрывом и т. п.), или нагревается и пластически деформи руется (контактная, газопрессовая, высоко-частотная и т. п.).
по способу защиты материала в зоне сварки (в аргоне, под флюсом, в вакууме и т. д.), по степени механизации (ручная, полуавтоматическая, автоматическая),
по форме сварного соединения (точечная, шовная, стыковая и пр.) и т.д.
Сварные соединения являются наиболее прочными среди неразъемных соединений. Применение сварных конструкций способ ствует повышению технологичности, сни жению металлоемкости машин и аппа ратов. Благодаря плотности и герметич ности швов сварка широко применяется при производстве сосудов, резервуаров, трубопроводов и др.
Все рассмотренные виды контактной сварки — высокопроизводи тельны, их широко применяют в массовом производстве для сварки труб, арматуры, кузовов автомобилей, металлической обшивки же лезнодорожных вагонов, корпусов самолетов, тонкостенных резервуа ров и т. п.
Сварное соединение является наиболее совершенным из неразъем ных соединений, так как лучше других приближает составные де тали к цельным. При сварном соединении проще обеспечиваются ус ловия равнопрочности, снижения массы и стоимости изделия.
История создания электродуговой сварки
Дуговая электрическая сварка является крупным русским изобретением. Впервые явление электрической дуги было открыто русским физиком Петровым В.В. в 1783 году.
В 1882 году талантливым российским изобретателем Н.И. Бенардосом был разработан и предложен способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока. Электрическая дуга возбуждалась между угольным электродом и свариваемыми деталями, а пруток присадочного материала вводился в пламя дуги.
В 1888 году русским инженером Славяновым был предложен метод сварки металлическим электродом, который одновременно служил и присадочным материалом для шва.
В свое время большой вклад в развитие сварочного производства внес институт сварки имени Е.О. Патона Академии наук УССР.
Петров, Бенардос и Славянов
Над сваркой много лет трудились,
И, наконец , они добились
Того, что в пламени дуги
Молекул стройные цепочки
Соединили очень прочно
Им две детали навсегда.
С тех пор прошло немало лет
Победам сварки нет предела
Мы сварим все, была б нужда
Стекло, сталь, кости, части тела.
Сварка – технологический способ изготовления деталей.
Свар ные детали во многих случаях с успехом заменяют литые и кованые. 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 ответст венные части (венец, шейка) из высокопрочных сталей, а менее от ветственные (диск и ступица колеса, щека коленчатого вала) из де шевых материалов. По сравнению с литыми деталями сварные до пускают меньшую толщину стенок, что позволяет снизить массу де талей и сократить расход материала. Большое распространение полу чили штампосварные конструкции, заменяющие фа сонное 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 полтора — два раза.
Благодаря сварке оказался возможным переход от сплошных валов к полым из заготовок, полученных методами пластического деформирования или экструзии. Это обеспечивает существенное снижение массы заготовок и всего изделия.
На Рис. 1 приведены примеры сварных зубчатых колес и шкивов:
а — крупногабаритное зубчатое колесо; б — зубчатое ко лесо оболочковой конструкции с использованием штампо ванных элементов;
в — шкив клиноременной передачи, выполненный из штампованных элементов точечной сваркой.
Сварку широко используют для получения изделий сложных форм из штампованных заготовок (или сочетания штампованных и кованых или литых). Кроме того, сварными выполняют такие ответственные детали, как маховики и барабаны больших размеров, картеры ведущих мостов автомобилей, различные корпуса, станины, рамы и т. п. Современная технология позволяет получать сварные соеди нения достаточной прочности практически для всех материалов, используемых в технике.
Примером сварной детали может служить рабочее колесо массой 120т для гидротурбины братской ГЭС, мощностью 225 МВт. Такую деталь, имеющую сложную конфигурацию, было бы весьма затруднительно изготовить и транспортировать целиком.
Основные недостатки сварных соедине ний:
а) наличие остаточных напряжений из-за неоднородного нагрева и охлажде ния;
б) возможность коробления деталей при сваривании (особенно тонкостенных);
в) воз можность существования скрытых (неви димых) дефектов (трещин, непроваров шлаковых включений), снижающих проч ность соединений.
Контроль сварных соединений с по мощью разрушающих и неразрушающих методов (ультразвука, рентгеновских лу чей и т. д.) в полном объеме или выбо рочно является, как правило, обяза тельной операцией технологического про цесса для выявления дефектов.
Виды соединений.
Ниже рассмотрены соединения, получен ные наиболее распространенными в тех нике способами сварки (дуговой и га зовой). Дуговой сваркой на сварочных ав томатах, полуавтоматах, а также вручную соединяют детали из конструкционных ста лей, чугуна, алюминиевых, медных и ти тановых сплавов. Газовая сварка ис пользуется для соединения деталей из металлов и сплавов с различными темпе ратурами плавления при небольшой тол щине (до 30 мм), для сварки неме таллических деталей в тех случаях, когда отсутствует источник электроэнер гии.
По назначению различают сварные швы: рабочие, связующие, подварочные и др.
В зависимости от взаимного рас положения свариваемых деталей различа ют следующие виды соединений, получаемых дуговой и газовой сваркой:
нахлесточные, тавровые и угло вые и стыковые.
Нахлесточное соединение. Выполняется с помощью угловых швов (рис. 2.).
Угловые швы по расположению относительно силы, действующей на шов, различают (рис. 2): б-лобовые, расположенные пер пендикулярно направлению силы; а–фланговые, расположенные параллельно направлению силы; г–косые, расположенные под углом к направлению силы; г–комбинированные, состоящие из двух или всех трех вышеуказанных швов.
На Рис.3. представлены тавровые, угловые и стыковые соединения деталей. При этом в тавровых и угловых соединениях деталей могут применяться, как угловые так и стыковые швы.
Рис.3.
По форме связи деталей различают стыковые и угловые швы.
Стыковые швы во многих случаях является наиболее про стыми и надежными. Их следует применять везде, где допускает кон струкция изделия.
Рис. 4 . Сварные стыковые соединения и виды разделки кромок для дуговой сварки
В зависимости от толщины соединяемых элемен тов сварку выполняют с обработкой или без обработки кромок, с подваркой и без подварки с другой стороны рис. 4. При малых толщинах обработка кромок не обязательна, а при средних и больших толщинах она необходима по условиям образо вания шва на всей толщине деталей. Автоматическая сварка под флю сом позволяет увеличивать предельные толщины листов, свариваемых без обработки кромок, примерно в два раза, а угол скоса кромок уменьшить до 30...35°. Сваривать встык можно не только листы или полосы, но также трубы, уголки, швеллеры и другие фасонные профили. Во всех слу чаях составная деталь получается близкой к целой.
Точечная сварка
Точечной контактной сваркой (Рис.5, в) соединяют между собой тонкостенные детали, обычно с пло скими поверхностями. Соединение деталей происходит только на участках площади контакта торцов электродов с деталью. Применяется для конструкций не требующих герметичности шва.
Суммарная толщина свариваемых элементов не превышает, как правило, 8—10 мм.
При толщине > 2 мм наименее тонкого из соединяемых стальных элементов диаметр сварной точки d (мм) должен удовлет ворять условию 1,2 +4 < d << 1,5+5. Шаг сварных точек t, как правило, не превышает 3d.
Шовная контактная сварка, производится на машине, у которой электродами служат принудительно вращающиеся диски (Рис.5, г), которые также сжимают свариваемые детали. Сварка может быть непрерывной или прерывистой, в зависимости способа подачи тока во времени. Применяется для получения герметичных швов в тонколистовых конструкциях.
Соединения пробочные проплавные.
Пробочные прорезные или проплавные швы применяют для усиления угловых швов при нахлесточных соединениях деталей. Пробочный шов получается путем заполнения расплавленным металлом отверстий круглой формы в одной или обеих соединяемых деталях. Прорези проплавных швов могут быть закрытыми и открытыми. Проплавной шов осуществляют проплавлением одной детали, наложенной на другую.
Диаметр отверстий пробочных швов прини мают d = 2. Прорези прорезных швов (см. рис. 6) принимают шириной б = 2 мм и длиной l = (10.. .25) .
Проплавные соединения применяют при толщине металла не более 12мм, обычно не более 5мм. Сила, которая может передаваться проплавным швом рассчитывается по формуле
F = б ·l[ ’ср]
Подобно угловым, пробочные, прорезные и проплавные швы рассчитывают на срез.
Расчет сварных швов
Основное требование при проектировании сварных конструкций – обеспечение равнопрочпости шва и соединяемых им деталей. В соответ ствии с этим требованием в зависимости от размеров и расположения свариваемых деталей устанавливают соответствующий тип шва данно го соединения. Если сварное соединение осуществляется несколькими швами, то их располагают так, чтобы они были нагружены равномерно.
Для угловых швов размер катета шва выбирают в соответствии с толщинами соединяемых деталей — часто равным меньшей из них, а требуемую длину шва определяют из расчета на прочность. Возмож но применение и более тонких швов, чем указано. В ряде случаев целе сообразно назначать все размеры шва в соответствии с конструкцией, а затем выполнять проверочный расчет на прочность. Если его резуль таты оказываются неудовлетворительными, вносят соответствующие изменения в конструкцию и повторяют расчет.
Расчет на прочность стыковых швов
При расчете па прочность стыковых швов утолщение (наплыв металла) не учитывают. В зависимости от работы стыкового шва его соответственно рассчитывают на растяжение (рис. 7). При расчете на прочность полагаем, что вид сварки выбран правильно, а качество……..
Стыковые соединения могут разрушаться по шву, месту сплавле ния металла шва с металлом детали, сечению самой детали в зоне термического влияния. Зоной термического влияния называют при легающий к шву участок детали, в котором в результате нагревания при сварке изменяются механические свойства металла. Понижение меха нических свойств в зоне термическо го влияния особенно значительно при сварке термически обработанных, а также наклепанных сталей. Для таких соединений рекомендуют тер мообработку и наклеп после сварки. Практикой установлено, что при ка чественном выполнении сварки разрушение соединения стальных дета лей происходит преимущественно в зоне термического влияния. Поэтому расчет прочности стыкового соеди нения принято выполнять по разме рам сечения детали в этой зоне. Воз можное снижение прочности деталей, связанное со сваркой, учитывают при назначении допускаемых напряжений. Например, при расчете полосы, сваренной встык (см. рис. 3.3): на растяжении где l и S — ширина и толщина полосы; [σ'P] — допускаемое напряже ние для сварных соединений (см. табл. 3.1). Отношение [σ'P] к допус каемому напряжению на растяжение для основного металла детали [σP] является коэффициентом прочности сварного соединения:
Значение σр колеблется в пределах 0,9… 1,00 (см. табл. 1), т. е. стыковое соединение почти равнопрочно с соединенными деталями. В тех случаях, когда требуется повысить прочность соединения, при меняют косые швы .
При малоцикловом виде нагружения и постоянной нагрузке расчет стыковых швов проводится, как для сплошного материала.
Уравнение прочности имеет вид:
σ = ,
откуда допускаемая растягивающая сила F
F = , или .
2. На шов действует только изгибающий момент Ми
σ = .
3. Напряжение в шве при совместном действии внешней силы и изгибающего момента
σmax = ,
где (+) – при растяжении;
(-) – при сжатии;
F – внешняя нагрузка;
Ми – изгибающий момент;
[σ’р] – допускаемые напряжения растяжения для сварного шва.
Угловые швы рассчитывают на срез
В зависимости от формы поперечного сечения (Рис. 8) различают угловые швы: нормальные – 2, вогнутые – 1, выпуклые – 3:
На практике наиболее распространены нормальные швы.
Выпуклый шов – 3 образует резкое изменение сечения деталей в месте соединения, что является причиной повышенной концентрации напряжений.
Вогнутый шов – 1, снижает концентрацию напряжений и рекомендуется при действии переменных нагрузок. Вогнутость шва достигается обычно механически.
К основным размерам шва относятся: высота шва – h, катет шва – K.
Для нормального шва h = K·Sin 450.
Для выпуклого шва – h = K.
Для вогнутого шва – h = 0,5 K.
Обычно S = K, но может быть К < S в соответствии с расчетом К не < 3 мм.
Разрушение угловых швов происходит по наименьшему сечению плоскостью проходящей через биссектрису прямого угла по направлению действия силы –
– F·Cos 450.
Расчетное сечение принимают равным 0,7 K·l ,
где l – длина шва;
к – катет шва.
Расчеты всех типов угловых швов унифицированы и проводятся на срез по единым формулам, по наименьшей площади се чения, расположенного в биссекторной плоскости прямого угла попереч ного сечения шва
τср = ,
где τср — расчетное напряжение среза в шве;
l — длина шва;
[τ’ср] — допускаемое напряжение на срез шва.
или F ≤ 0,7·K∙ l·[τ’ср].
Эти формулы относятся к расчету фланговых швов, а для лобовых применяются условно. Сдвигающая сила – F∙Соs450 действует в опасном сечении нормальных лобовых швов. Кроме того, действует такая же растягивающая сила. Только полное напряжение, т.е. равнодействующая напряжений σ и τ равна .
Расчет лобовых швов по унифицированным формулам приводит к некоторому небольшому увеличению запаса прочности.
Длину углового лобового шва l (рис. 2, б) обычно принимают равной ширине привариваемой детали. Длину углового флангового шва (рис. 2,а) обычно определяют расчетом шва на прочность.
Концентрация напряжений в угловых швах значительна. Истинное распределение напряжений в лобовых швах не поддается точному определению. Теоретический коэффициент концентрации напряжений, подсчитанный по отношению к полному напряжению в опасном сечении шва равен 3,3. Концентрация напряжений резко снижается с увеличением угла клина.
Во фланговых швах наблюдается концентрация напряжений по длине шва.
Причина возникновения концентрации напряжений заключена в том, что шов менее податлив, чем соединяемые детали. Распределение нагрузки по длине флангового шва и по поперечному сечению полосы представлены на Рис. . 9 ,
Где А1 и А2 – площади поперечного сечения свариваемых листов;
– напряжение в листе площадью А1;
τ – напряжение в сварном шве.
Процесс образования концентрации напряжений по длине шва аналогичен таковому при нагружении резьбового соединения осевой силой.
Швы надо располагать так, чтобы они были нагружены возможно равномернее.
Расчет шва, нагруженного изгибающим моментом
Если соединение угловым швом нагружено изгибающим моментом М в плоскости приварки (рис. 10.), то расчет шва производят по формуле
τср = ≤ [τ’ср],
где = – осевой момент сопротивления опасного сечения шва.
При действии на угловой шов
изгибающего момента М и силы F, перпендикулярной шву (рис. 10 ), его рассчитывают по формуле
τср = + ≤ [τ’ср],
где WС - момент сопротивления расчет ного сечения шва при изгибе,
Ас = 0,7·K∙ l – площадь поперечного сечения шва.
τср – расчетное касательное напряжение в шве.
Расчет комбинированных угловых швов под действием
момента в плоскости стыка (Рис. 11).
Расчет основан на допущениях
Катет шва К – мал по сравнению с размером – l.
τmax = τ1 = τ2 .
Момент – М уравновешивается парой сил во фланговых швах и моментом лобового шва.
M = Ac·l·τ + WС ∙ τ,
где τ∙0,7К∙а ∙0,5l ·2 – сила;
Ac = 0,7К∙а – площадь;
= – момент сопротивления прямоугольного сечения сварного шва в плоскости среза.
Откуда τср = ≤ [τ’ср],
В случае несимметричных угловых фланговых швов, посредством которых приваривают деталь несимметричного профиля, например уголок (рис. 3.), каждый из этих швов рассчиты вают по своей нагрузке.
При действии силы F на уголок сварного соединения, показанного на рис. силы, действующие на швы, опре деляют следующим образом:
F ∙l1 = F2∙∙( l1+ l2).
F2 = ; F1 = .
Очевидно, что длины швов в этом соединении при одинаковых сечениях должны быть пропорциональны нагрузкам.
ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ
При расчете машиностроительных конструкций из низкоуглеро дистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей, полученных дуговой или стыковой сваркой, допускаемые напряжения сварных швов при статических нагрузках принимают в за висимости от допускаемого напряжения на растяжение основного ме талла [σр] (табл. 1).
В некоторых случаях более слабым оказывается не сварной шов, а основной металл около шва, испытавший при сварке термическое влияние.
Допускаемые напряжения основного металла в металлических строительных и крановых конструкциях выбирают по зависимости
[σр] =,
где R = (0,85 … 0,9) [σт] – расчетное сопротивление с учетом неоднородности материала.
0,9 – для углеродистой стали.
0,85 – для низколегированной стали.
m = ( 0,8 … 0,9 ) – коэффициент, зависящий от типа соединения и условий его работы.
К – коэффициент перегрузки, обычно К = 1 … 1,2.
К = 1,3 … 1,5 – для подкрановых балок при тяжелых режимах работы.
К = 1,2 – для резервуаров с внутренним давлением.
Допускаемые напряжения для соединений, выполненных точеч ной контактной сваркой, устанавливают с учетом концентрации напряжений в основном металле вокруг точки. При расчете точеч ных соединений для статического нагружения допускаемые на пряжения принимают равными:
[τ’о] =(0,3 ÷ 0,5) [σр]; [σ’o] = (0,25 ÷ 0,3) [σр],
где [σр] определяют в соответствии с примечанием к табл. 1.
Таблица 1. Допускаемые напряжения в сварных швах при статическом нагружении
|
Вид швов |
Характеристика напряженного состояния |
Сварка автоматическая, полуавтоматическая, ручная, электродная марокЭ42А, Э50А |
Сварка ручная электродами Э42,Э50 |
|
Стыковые |
Сжатие Растяжение Срез |
[σ’сж] = [σр] [σ’р] = [σр] [τ’] = 0,65[σр] |
[σ’сж] = [σр] [σ’р] = 0,9 [σр] [τ’] = 0,6 [σр] |
|
Угловые |
Срез |
[τ’] = 0,65[σр] |
[τ’] = 0,6 [σр] |
|
Примечание. Допускаемые напряжения растяжения для основного металла [σр] = σт/ [s] , где [s] = 1,35 ÷1,6 для углеродистых и [s] = 1,5 ÷ 1,7 для легированных сталей |
При переменных нагрузках значения допускаемых напряжений сни жают умножением на коэффициент :
=1 ( а·К б) –( а·К б)·R
где К — эффективный коэффициент концентрации напряжений;
R — коэффициент асимметрии цикла;
а и b — числовые коэффициенты.
Верхние знаки в этой формуле принимают, если больше абсолютное значение растягивающего напряжения, а нижние — сжимающего.
Для углеродистых сталей принимают а = 0,58 и b = 0,26, а для низко легированных а = 0,65 и b = 0,3.
Значение эффективных коэффициентов концентрации напряжений К для стали можно принимать в зависимо сти от типа шва следующими:
Низкоугле- Низколеги-
родистая рованная
сталь сталь
Стыковые с полным проваром ....... 1,2 1,4
Угловые
Лобовые . ............................. 2,0 2,5
Фланговые ........................... 3,5 4,5