Соединения при специальных методах сварки

Соединения при электрошлаковой сварке. Электрошлаковая сварка является одним из прогрессивных бездуговых процессов сварки. Она обеспечила создание комбинированных прокатно-лито-ковано-штампованных изделий больших сечений, объединен­ных в единый агрегат. Этим способом сваривают конструкции рам, барабанов, крупных машиностроительных узлов, сооружений метал­лургических комплексов и т. п. При электрошлаковой сварке ук­ладку швов производят в вертикальном положении, выполняют стыковые, угловые и тавровые соединения. Нередко эти соединения являются связую­щими, но их применяют и в качестве рабочих. Электрошлаковой сваркой соединяют в ос­новном элементы, имеющие толщины от 30 до 1000 мм и более, но в некоторых случаях сваривают и меньшие толщины. Этим мето­дом соединяют между собой листы, плигы, тела круглого сечения, толстостенные трубы, например пустотелые валы, и т. п.

Электрошлаковой сваркой можно соеди­нять различные марки сталей: низкоуглеро­дистые, углеродистые, низколегированные и др. Она не требует скоса кромок, очень про­изводительна и экономична (мало расходуется присадочной прово­локи и флюсов). Однако конструкции, сваренные электрошлаковой сваркой, при большой толщине стенок часто приходится подвер­гать термической обработке—отпуску и нормализации для снятия остаточных напряжений и улучшения структуры. Это несколько удорожает производство.

Хорошо соединяются электрошлаковой сваркой детали из тита­новых и алюминиевых сплавов.

На рис. 2.19 приведен пример соединения, выполненного элект­рошлаковой сваркой. В большинстве случаев расчет швов при электрошлаковой сварке не отличается от проверки напряжений в основном элементе конструкции, так как площадь шва бывает при этом эквивалентна площади основного металла. Приходится лишь в некоторых случаях в месте стыков понижать допускаемое напряжение. Примеры соединений (угловых и тавровых), получен­ных электрошлаковой сваркой, приведены на рис. 2.20.

Соединения при сварке трением. Метод эффективен, так как при этом расходуется малое количество энергии. Зона разогрева имеет небольшую протяженность, а соединения достаточно прочны. Этим методом сваривают инструменты, например приваривают ре­жущую часть к державке из поделочной стали. Его используют при изготовлении закладных частей арматуры железобетона, при сварке некоторых изделий из труб, деталей машин.

Сварка трением производится согласно одной из схем, изобра­женных на рис. 2.21. В процессе относительного вращения деталей прижатые друг к другу торцы соединяемых элементов разогре­ваются. При достижении нужной температуры, зависящей от мате­риала, вращение прекращают и увеличением силы Р производят осадку. Хорошо свариваются между собой не только однородные, но и разнородные металлы, например сталь + медь + алюминий.

При сварке трением получают стыковые и тавровые соединения (рис. 2.22) с высокими механическими свойствами. Расчетные на­пряжения в сварном соединении при этом оказываются эквивалент­ными напряжениям в основном металле. Допускаемые напряжения устанавливаются на основе специальных опытов.

Соединения при диффузионной сварке. Диффузионная сварка позволяет соединять металлы, неметаллические материалы и ме­таллы с неметаллическими материалами. Сварка производится в вакуумных камерах при сжатии соединяемых элементов и их на­греве до температуры, меньшей температуры плавления материала. Поэтому в таких сварных соединениях не наблюдается существенных изменений физико-механических свойств по сравнению с основ­ным материалом. Очень большое влияние на механические свойства соединений оказывают температура нагрева, удельное давление на контактных поверхностях, степень вакуума в камере, способ

подготовки поверхностей, продолжительность про­цесса.

Диффузионная сварка позволяет осуществить многообразные формы со­единений: по плоскости,

конической поверхности, цилиндрической поверх­ности, по сложным рель­ефным поверхностям.

Определение расчетных напряжении в соединениях при этом способе свар­ки производится так же, как и в элементах основной конструкции. Допускаемые напряже­ния должны быть назначены согласно проведенным специальным экспериментам.

Соединения холодной сваркой. Холодной сваркой называют процесс соединения металлов в результате пластической деформации путем осадки без нагрева. Наилучшим образом соединяются

холодной сваркой металлы с кубической гранецентрированной структурой, обладающие хорошими пластическими свойствами: алю­миний, медь, их сплавы, аустенитная сталь и т. д. Вакуум значительно улучшает условия холодной сварки. Очистка и выравнивание свариваемых поверхностей, а также создание на них активных центров достигается за счет пластической деформации.

При холодной сварке выполняют стыковые и нахлесточные сое­динения.

Схема холодной сварки стыкового соединения приведена на рис. 2.23, а. На рис. 2.23, б, в показана схема холодной точечной сварки (l — свариваемые листы, 2 —пуансоны). При углублении пуансона 2 происходит пластическая деформация. Если заменить точечные пуансоны роликовыми, то можно получить холодной свар­кой шовное соединение (рис. 2.23, г).

Точечный и шовный виды холодной сварки чаще применяют в связующих или слабо напряженных соединениях, так как вдавли­вание вызывает концентрацию напряжений. Несущую способность соединений устанавливают экспериментально с учетом свойств ме­таллов и технологии производства работ.

Расчет прочности стыковых соединений, сваренных холодным способом, может не производиться вовсе, так как их свойства часто не отличаются от свойств основного материала. Расчет прочности свар­ных точек в нахлесточных соедине­ниях производится на срез. На от­рыв такие точки работают недоста­точно удовлетворительно. Допускае­мые напряжения назначаются по опытным данным.

Холодная сварка применяется в электротехнике, вакуумном машино­строении и т. д.

Соединения при ультразвуковой сварке. Сварка ультразвуком метал­лов применяется в приборостроении. При ультразвуковой сварке соеди­няются поверхностные слои металла, освобожденные от окисных пленок и адсорбированных газов (рис. 2.24).

Способность ультразвуковых колебаний разрушать поверхност­ные пленки дает возможность сварки металлов с защитными покры­тиями. Ультразвуком соединяются пластичные металлы: алюминий, медь, аустенитная сталь, тантал. Возможно сваривание неметал­лических материалов, например керамики.

Ультразвуком сваривают элементы малых толщин, как правило, не свыше 1—2 мм, и особенно хорошо соединяются очень тонкие элементы. Возможна приварка тонкого элемента к толстому.

При ультразвуковой сварке получают точечные и шовные сое­динения, аналогичные соединениям контактной сварки. Расчет прочности производят на срез так же, как и расчет соединений, выполненных контактной сваркой. Допускаемые напряжения опре­деляют на основе специальных экспериментов.

Соединения при электроннолучевой сварке. Электроннолучевая сварка производится почти всегда в вакууме в специальных каме­рах. Эту сварку применяют для специальных сортов сталей, туго­плавких и активных металлов, например тантала, циркония, мо­либдена и др. Целесообразно использование ее для некоторых

марок титановых и алюминиевых сплавов, а также для соединений разнородных металлов.

При электроннолучевой сварке источник тепла сконцентрирован в малом объеме, поэтому зоны проплавления и термического влияния имеют весьма малую ширину. Благодаря относительно высокой степени вакуума в камере (0,1—0,01 Па) механические

свойства сварных соединений при этом способе сварки оказы­ваются высокими. Электронно-лучевой сваркой выполняют сты­ковые, нахлесточные (рис.2.25, а) и тавровые (рис. 2.25, 6) соеди­нения. Кроме того, оказывается возможным выполнять швы в замкнутых объемах.

Укладку швов можно производить при разных их положениях и про­странстве. Электроннолучевая сварка находит применение в энергетическом машинострое­нии, в приборостроении и т.д. Расчет прочности соединений при электроннолучевой сварке во многих случаях сводится лишь к расчету прочности основной де­тали, так как соединения могут быть приняты равнопрочными целому элементу. Нередко правильная оценка прочности соедине­ний, особенно разнородных металлов, производится на основе спе­циально проведенных эксперимен­тов.

Сварка взрывом. Сварка взрывом является одним из новых процес­сов соединения однородных и разно­родных металлов. Перспективно ис­пользование эффекта взрыва глав­ным образом для получения двух­слойных элементов, производства на­плавок. Сварка взрывом очень про­изводительна. При правильном тех­нологическом процессе механические свойства соединении оказы­ваются стабильными и высокими.

Сварка лазерам. За последние годы перспективы применения лазера для сварки значительно расширились. Создание лазеров высокой мощности позволяет сваривать элементы конструкции тол­щиной в десятки миллиметров. При больших толщинах элементов сварка лазером производительна. Ее особенности — предельно уз­кая зона термического влияния и малые величины остаточных де­формаций. Имеются все основания считать лазерный процесс пер­спективным для сварки как тонкостенных, так и толстостенных изделий. Достигается кинжальное проплавление. Пластические свойства швов высокие, шов стали СтЗ выдерживает двукратный перегиб на 180°. Эффективно применение лазера для соединений закаленных сталей.

Радиочастотная сварка. Схема радиочастотной сварки изобра­жена на рис. 2.26. Радиочастотная сварка весьма производительна — скорость достигает 50 м/мин. Количество потребляемой энергии и температурное влияние ее на основной металл весьма незначи­тельны. Радиочастотной сваркой соединяют не только стальные трубы, но и трубы из цветных металлов. При сварке латунных труб швы образуются так же, как и при обычной стыковой контактной сварке, но из-за большой скорости процесса не происходит распла­вления и испарения цинка в поверхностном слое. Этим способом можно сваривать профильный металл при небольшой толщине эле­ментов.

Примеры расчета. Рассмотрим два примера расчета угловых швов, очерченных по равнобедренному треугольнику.

Пример 1 (рис. 2.27, а). Швеллер № 12 прикреплен к листу лобовым и флан­говыми швами. Сварка ручная (β = 0,7). Определить напряжения в швах при Р= 180 кН.

Площадь сечения лобового шва, имеющего катет шва К = 5 мм,

F _л = lβК =12 • 0,7 • 0,5 = 4,2 см²

Площадь сечения двух фланговых швов при К = 8 мм

F _фл = 2 lβK = 2 • 20 • 0,7 • 0,8 = 22,4 см².

Площадь сечения всех угловых швов прикрепления

F = F л + F _л = 26,6 см².

Напряжение среза в швах

τ = P/F = 0,18/0,00266 = 67,7 МПа.

Пример 2 (рис. 2.27, б). Уголок 90 X 90 мм имеет площадь сечения F = 15,6 см². Допускаемое напряжение в металле уголка [σ]_р = 200 МПа, допу­скаемое напряжение среза в шве [τ'] = 120 МПа. Спроектируем сварное соеди­нение, равнопрочное уголку; сварка однопроходная полуавтоматическая β = 0,8).

Допускаемое растягивающее усилие в уголке

P = [σ]_p F = 200 • 15,6 • 10^-4= 0,312 МН.

Проектируем лобовой шов с катетом К = 9 мм. Усилие, допускаемое на лобовой шов, равно

P _л = [τ'] βKl _л = 120 • 0,8 • 0,С09 • 0,09 = 0,078 МН.

Остальная часть усилия должна быть передана на фланговые швы:

P _фл = Р - P _л = 0,234 МН.

Усилие, передаваемое на шов 1,

Р₁ = 0,7 Р _фл = 0,164 МН.

Катет шва 1принимаем K = 12 мм, тогда требуемая длина

l ₁ = Р₁ /(βК [τ']) = 0,164/(0,8 • 0,012 • 120) = 0,142 м.

Принимаем l ₁, = 14 см.

Усилие, передаваемое на шов 2,

Р ₂ = 0,ЗР_фл = 0,07МН.

Катет шва 2 принимаем К = 9 мм, тогда требуемая длина шва

l ₂= Р ₂ /(βК [τ']) = 0,07/(0,8 • 0,009 • 120) = 0,08 м.

Принимаем 1₂ = 8 см.

Примеры 3—6 предлагаются для самостоятельном работы по расчету угловых швов.

Пример 3 (рис. 2.27, в). Полоса сечением 300 X 12 мм прикреплена к листу фланговыми и косыми швами с катетами K =12 мм и лобовым швом с к;нетом К = 8 мм. Определить допускаемое усилие Р, если [τ'] = 120 MIIа; сварка авто­матическая (β = 1).

Пример 4 (рис. 2.27, г). Определить требуемые длины фланговых швов для прикрепления двух тяг уголкового профиля 100 X 100 X 8 мм. Площадь сечения тяги F = 15,6 см². Поддерживаемый груз Р = 200 кН, сварка полуавтоматиче­ская (β = 0,8).

Пример 5 (рис. 2.27, д). Определить число сварных точек для прикрепле­ния к листу швеллера № 6,5 площадью сечения F = 8,28 см² и толщиной стенки 4,5 мм при условии Р = 100 кН с допускаемым напряжением па срез точки [τ'] = 90 МПа и произвести их расстановку с учетом t, t₁ и t₂.

Пример 6 (рис. 2.27, е). Полоса сечением 200 X 12 мм приваривается к листу. Усилие Р = 500 кН, допускаемое напряжение шва [τ'] = 130 МПа. Определить количество наплавленного металла при швах в форме равнобедренного треуголь­ника с катетами К, равными 8 и 12 мм; сварка ручная (β = 0,7).

Дата добавления: 2015-07-08