Сварные соединения, выполненные дуговом сваркой

Существует несколько наиболее распространенных способов дуговой сварки.

Ручная дуговая сварка является универсальным технологиче­ским процессом. Этим способом сваривают конструкции во всех пространственных положениях, из разных марок сталей, цветных сплавов в случаях, когда применение автоматических и полуав­томатических методов не представляется возможным, например при отсутствии требуемого оборудования, недостаточного осво­ения технологического процесса.

Соединения при автоматической и полуавтоматической сварке под слоем флюса, разработанной Институтом электросварки им. Е. О. Патона совместно с другими НИИ и заводами, широко применяются на заводах машиностроительной и строительной про­мышленности. Автоматической сваркой под флюсом сваривают из­делия с широким диапазоном изменения толщин, как правило, от 1 до 50 мм, иногда и более.

Применение автоматической и полуавтоматической дуговой сварки в среде защитного углекислого газа, разработанной ЦНИИТМашем, Институтом электросварки им. Е. О. Патона, МВТУ и другими организациями, непрерывно расширяется. Этим способом производится укладка швов во всех пространственных положениях, хорошо свариваются элементы малых, средних и больших (до нескольких десятков миллиметров) толщин из углеро­дистых, низколегированных и некоторых высоколегированных сталей.

Конструкции из аустенитных, мартенситных и ферритных жаропрочных, теплоустойчивых сталей, многих алюминиевых, титановых, медных, магниевых и других сплавов также успешно свариваются в среде защитных газов.

Сварные соединения должны быть по возможности равнопроч­ными с основным металлом элементов конструкций при всех тем­пературах во время эксплуатации, а также при всех видах нагрузок (статических, ударных и вибрационных).

Слабыми участками в сварных соединениях могут быть швы, зоны термического влияния и сплавления. Зоной термического влияния называют участок основного металла, прилегающий к швам, который в результате сварки изменяет механические свойства.

Последнее обстоятельство особенно имеет место при сварке термичечески обработанных, а также нагартованных сталей и сплавов.

Улучшение механических свойств сварных соединений достигается: 1 ) выбором рациональной конструктивной формы соедине­ния; 2) применением рациональных методов сварки; 3) термической и механической обработкой сварных конструкций после сварки.

Конструкции с равнопрочными сварными соединениями отвечают требованиям экономичности. Избыточная прочность сварного сое­динения по сравнению с целым элементом удорожает конструк­цию и не улучшает условий ее эксплуатации. Недостаточная проч­ность сварного соединения снижает несущую способность всей конструкции и не позволяет полностью использовать рабочие сечения ее элементов. Поэтому из условия равнопрочности расчет­ные усилия соединений определяют:

при растяжении

P = [σ]_p F; (2.3)

при сжатии

P = [σ]_сж F; (2.4)

при изгибе

M = [σ]_pW, (2.5)

где [σ]_p — допускаемое напряжение при растяжении; [σ] _сж — допускаемое напряжение при сжатии; F — площадь поперечного сече­ния; W — момент сопротивления сечения.

В конструкциях со сварными соединениями в металле швов могут возникать напряжения двух родов: рабочие и связующие. Чтобы установить различие между рабочими и связующими напря­жениями, рассмотрим несколько примеров.

На рис. 2.1, а изображены две полосы, соединенные стыковым швом. Полосы подвергаются растяжению. Очевидно, что при разрушении шва разрушится и вся конструкция. То же самое произой­дет и в соединении, изображенном на рис. 2.1, б.

Сварные соединения, разрушение которых влечет за собой выход из строя конструкции, будем называть рабочими, а напряжения, действующие в этих соединениях, — рабочими напряжениями.

Совершенно иначе работает наплавленный металл в шве, соеди­няющем две полосы, показанные на рис. 2.1, в. Наплавленный металл, соединяющий полосы, деформируется вместе с основным металлом; при этом в нем возникают напряжения. Если модуль упругости наплавленного металла незначительно отличается от модуля упругости основного, то в швах при их работе в преде­лах упругих деформаций образуются напряжения приблизительно той же величины, что и в растягиваемых полосах. Эти напряже­ния, возникающие в швах, вследствие их совместной работы с ос­новным металлом во многих случаях не опасны для прочности конструкции и называются связующими. Пример связующих швов показан и на рис. 2.1, г.

При расчете прочности сварных соединений определяют только рабочие напряжения. Исследования подтверждают, что в большин­стве случаев при анализе прочности сварных конструкций связую­щие напряжения можно не учитывать.

Основными типами сварных, соединений являются соединения стыковые, нахлесточные, тавровые, угловые. В сварных конструк­циях наиболее целесообразны стыковые соединения.

Стыковые соединения. Подготовка кромок стыкового соедине­ния определяется технологическим процессом сварки и толщиной соединяемых элементов. В табл. 2.5 приведены примеры подго­товки кромок стыковых соединений при сварке под флюсом по ГОСТ 8713—70. Можно видеть, что обозначения Cl, C2 и т. д. соот­ветствуют определенному характеру выполнения шва (односторон­ний, двусторонний, на подкладке и т. д.) и форме подготовленных кромок. При других методах дуговой сварки подготовка кромок регламентируется ГОСТ 14771—76 (в защитном газе) и 5264—69 (ручная).

При выполнении многослойных стыковых швов в защитном газе все чаще используют щелевую подготовку кромок без их скоса. Этот прием требует тщательной укладки слоев, его применяют при сварке элементов толщиной до 50 мм. Как правило, стыковые швы делают прямыми, т. е. направленными перпендикулярно дей­ствующим усилиям.

Таблица 2.5

Примеры стыковых соединений, выполняемых сваркой под флюсом (по ГОСТ 8713—70)

Форма под­готовленных кромок	Характер выполненного шва	Форма поперечного сечения	Пределы толщин свариваемых деталей, мм	Условное обозначение шва сваренного соединения
подготовленных кромок	Выполненного шва
С отбортовкой двух кромок	Односторон­ний			1,5—3,0	С1
	Двусторон­ний			2,0—20,0	С2
	Односторон­ний			2,0—12,0	С4
Бсч скоса кромок	Односторон­ний на флюсомедной подкладке			4,0—10,0	С6
	Двусторон­ний			14,0—24,0	С13
	Односторон­ний на флюсомедной подкладке			8,0—24,0	С17
Со скосом двух кромок	Односторон­ний на сталь­ной подкладке			8,0—30,0	С18
С криволинейным скосом двух кромок	Двусторон­ний			24,0— — 1о0,0	С21
С двумя симметричными скосами двух кромок	»			20,0—60,С	СЗО
С двумя несимметрич­ными скосами двух кромок	Двусторон­ний с пред­варительным наложением подварочного шва			16,0—60,С	С34

Примечание, Обозначение способов сварки рассмотрено в § 9 настоящей главы.

Если элемент работает на растяжение, то допускаемое усилие в сварном стыковом соединении

P = [σ`]_p sl; (2.6)

при сжатии

Р ₌ [σ`]_сж sl, (2.7)

где s — толщина основного металла, так как усиление шва не учитывается; l — длина шва; [σ`]_p —допускаемое напряжение ра­стяжения сварного соединения; [σ]_сж—допускаемое напряжение сжатия сварного соединения.

Если [σ']_р = [σ]_р, то сварной шов равнопрочен основному металлу.

При работе элементов из высокопрочных сталей наиболее сла­бым участком в сварном соединении оказывается не металл шва, а прилежащая к нему зона, которая в резуль­тате термического дей­ствия дуги или образо­вания концентраторов напряжений может ока­заться разупрочненной. В таких случаях необ­ходимо заменить расчет прочности швов расче­том прочности соедине­ний в ослабленных зо­нах с учетом особен­ностей механических свойств металла, его термической обработки и других факторов, зависящих от конкретных условий. Если стыковой шов направлен под углом α к усилию (как правило, α = 45°), то его следует счи­тать равнопрочным основному элементу.

Нахлестанные соединения. В нахлесточных соединениях швы называются угловыми.

При ручной сварке угловые швы имеют различные очертания: нормальные, условно принимаемые очерченными в форме равнобед­ренного треугольника, выпуклые, вогнутые (рис. 2.2, а—в).

Выпуклые швы нецелесообразны ни с технической, ни с эконо­мической стороны. Они требуют больше наплавленного металла, вызывают концентрацию напряжений.

Целесообразны швы, имеющие очертания неравнобедренных тре­угольников с отношением основания шва к высоте 1,5:1; 2:1 (рис. 2.2, г, д). В швах этого типа иногда производят механиче­скую обработку концов, чтобы обеспечить плавное сопряжение наплавленного металла с основным (рис. 2.2. е ). Подобного рода швы, как будет показано ниже, целесообразно применять в кон­струкциях, работающих при циклических нагружениях.

В широкой практике конструирования распространено приме­нение угловых швов с нормальными очертаниями (рис. 2.2, а). Размер катета углового шва нормального очертания обозначают К.

Угловые швы при сварке под слоем флюса получаются с более глубоким проплавлением, чем при ручной сварке. Их очертания показаны на рис, 2.3 Расчетная высота шва зависит от глубины проплавлення, от технологического процесса сварки. Она опреде­ляется величиной K β. При ручной и многопроходной автоматиче­ской и полуавтоматической сварке β = 0,7; для двух- и трехпроходной полуавтоматической сварки β = 0,8; для двух- и трехпроходной автоматической сварки и однопроходной полуавтоматической сварки β — 0,9; для одно­проходной автоматической сварки β = 1,1.

Наименьшая толщина рабочих швов в машино­строительных конструкци­ях 3 мм. Исключение со­ставляют конструкции, в которых толщина самого металла меньше 3 мм. Верхний предел толщины швов не ограничен, но применение швов, у кото­рых К ≥ 20 мм, встреча­ется редко. В местах зажигания и обрыва дуги механические свойства швов ухудшаются, поэтому минимальную длину рабо­чих швов целесообразно ограничивать и принимать равной 30 мм. Швы меньших размеров применяют лишь в качестве нера­бочих соединений. В зависимости от направления угловых швов по отношению к действующему усилию их разделяют на лобо­вые, косые, фланговые, комбинированные.

Лобовые швы направлены перпендикулярно усилию. В соедине­нии, показанном на рис. 2.4, а, усилие Р передается двумя лобовыми швами. Вследствие эксцентриситета элементы несколько искривляются. Расстояние между лобовыми швами следует прини­мать С ≥ 4s. На рис. 2.4, б усилие Р передается через один лобовой шов на накладку; далее это же усилие переходит с накладки на второй лист. Таким образом, в соединении этого рода имеется лишь один расчетный шов.

Рассмотрим несущую способность угловых швов. В лобовом шве возникает несколько составляющих напряжений (рис. 2.4, в): нормальные напряжения σ на вертикальной плоскости шва и каса­тельные т на горизонтальной.

По методу, принятому в инженерной практике, расчет проч­ности лобовых швов производится на срез. Этот метод является условным и приближенным. При статических нагрузках и треугольном очертании шва слабым сечением считают наименьшее сечение, совпадающее с биссектрисой О — О прямого угла. По этой плоско­сти проверяют прочность лобового шва; напряжение при этом не должно превышать допускаемого [τ'].

Формула определения допускаемого усилия Р для соединения, состоящего из одного расчетного лобового шва (рис. 2.4, б), имеет следующий вид:

Р = [τ']β Kl, (2.8)

и для соединения, приведенного на рис. 2.4, а, —

Р = 2[τ'] β Kl, (2.9)

где β K — расчетная высота шва, l — длина шва.

Фланговые швы направлены параллельно усилию (рис. 2 4, г). В них возникают два рода напряжений. В результате совместной деформации основного и наплавленного металла во фланговых швах образуются связующие напряжения. Как было указано выше, их не учитывают при определении прочности соединения. По пло­скостям соприкосновения валика флангового шва с каждым из ли­стов, а также в самом валике возникают напряжения среза, которые являются рабочими напряжениями соединения.

Расчет прочности швов производится по опасной плоскости среза, совпадающей с биссектрисой прямого угла. Расчетная фор­мула несущей способности составлена в предположении, что напря­жения вдоль флангового шва распределены равномерно.

Для конструкции, приведенной на рис. 2.4, г, расчетная фор­мула имеет вид

Р = 2[τ']β Kl. (2.10)

С учетом концентрации напряжений (см. § 12) расчетная длина фланговых швов l ≤ 50 K.

Косые швы направлены к усилию под некоторым углом (рис. 2.4, д). Их часто применяют в сочетании с лобовыми и фланю-иыми.

Расчет прочности косых швов производится аналогично описан­ному выше:

P = [τ']β Kl. (2.11)

Пример комбинированных швов приведен на рис. 2.4, е.

Распределение усилий в отдельных швах, составляющих комби­нированное соединение, не одинаково. Однако расчет прочноаи комбинированных соединений производится согласно хорошо из-иесшому из курса сопротивления материалов принципу незави­симости действия сил. В соединении с лобовыми и фланговыми швами определение несущей способности следующее:

Р = Р_л + Р_фл, (2.12)

где Р — допускаемое усилие для комбинированного соединения, Р_л, — допускаемое усилие для лобового шва; Р_фл, — допускаемое усилие для фланговых швов. Таким образом,

Р = [т'](β Kl _л + 2β Kl _фл). (2.13)

Если катеты всех швов, входящих в состав комбинированного соединения, равны между собой, то

P = [τ'] β Kl, (2.14)

|де L —длина периметра швов. Этим соотношением пользуются при расчете соединения, показанного на рис. 2.4, е.

Некоторую особенность представляет расчет прочности швов, прикрепляющих уголок, работающий под действием продольной силы. Принимаем, что усилие Р в уголке действует в плоскости прикрепленной полки (рис. 2.4, ж).

Усилие, воспринимаемое лобовым швом,

Р _л = [τ']β Kl _л (2.15)

Эксцентриситет приложения силы в расчете не учитывается. Усилие, передаваемое на фланговые швы,

Р_фл = Р-Р_л (2.16)

Это усилие распределяется между швами обратно пропорцио­нально расстоянию от оси уголка до обеих кромок. Таким образом, усилие в шве l ₁будет

P ₁ = P _фл l _л1 /l ₁, (2.17)

усилие в шве l ₂

Р ₂ = Р_фяl _л2 /l _1л (2-18)

При расчете прочности прикреплений равнобоких уголков приближенно можно принять

P ₁ = 0,З Р _фл; Р ₂ = 0,7 Р _фл (2.19)

Касательные напряжения в швах равны

τ₁ = P ₁/(β Kl _л1); τ₂ = Р₂/(β Kl _л2). (2.20)

Напряжение в каждом из фланговых швов не должно превышать допускаемого [τ'].

Конструктивно можно увеличить длину l ₁ относительно разме­ров, требуемых по расчету прочности, до значения l₂.

Более точный метод расчета предусматривает учет не только срезывающей силы, но и момента силы относительно центра тяже­сти сечения швов (см. §10).

Тавровые соединения. Применяют для соеди­нения элементов, распо­ложенных во взаимно перпендикулярных пло­скостях. Тавровые сое­динения обычно можно выполнять без подготов­ки кромок (рис. 2.5, а). На рис. 2.5, б пока­заны тавровые соедине­ния с односторонней подготовкой кромок и подваром при толщине листов от 4 до 26 мм, а на рис. 2.5, е — с двусторонней подготов­кой кромок для элементов толщиной 12—60 мм.

При работе соединений (рис. 2.5, а) на растяжение расчетная формула прочности имеет такой вид:

Р = 2 [τ']β К1, (2.21)

а для соединения, приведенного на рис. 2.5, б, в,

P = [σ']_p sl. (2.22)

При работе узла, изображенного на рис. 2.5, а, на сжатие усилие Р в действительности частично передается с горизонталь­ного листа на вертикальный через плоскость соприкосновения ли­стов. Проверка прочности швов соединения в этом случае производится исходя из условного предположения, что усилие передается через швы. При этом [τ'] повышается до величины [σ']_сж.

При сварке полуавтоматами тавровые соединения могут выпол­няться угловыми точечными швами (рис. 2.5, г). Применение точеч­ных швов целесообразно главным образом в конструкциях с толщи­ной листов s ≤ 4 ÷ 5 мм.

Угловые соединения. Угловые соединения, выполняемые дуго-1юй сваркой вручную, показаны на рис. 2.6, а.

При автоматическом и полуавтоматическом способах сварки

соединения имеют вид, приведенный на рис. 2.6, б (s = 10 ÷ 14 мм). и на рис. 2.6, в (s =

= 10 ÷ 40 мм).

Угловые соединения в основном применяются в связующих элементах и расчету на прочность не подлежат.

Пробочные проплавные соединения. Пробочные соединения ставят при нахлесточном расположении листов, проплавляя верхний более тонкий лист, в результате чего образуются круглые проплавные сварные соединения (рис. 2.7).

Пробочные соединения рациональны при толщине верхнего листа s не более 5 мм.

При применении усовершенствованного оборудования с прину­дительной подачей электродной проволоки в зону дуги можно сва­ривать проплавными пробочными соединениями элементы толщиной более 12 мм. Такие соединения можно получить сверлением отвер­стий в одном из соединяемых лис­тов и заполнением их наплавлен­ным металлом. При этом диаметр отверстий d может достигать 40 мм. Разработаны установки для вы­полнения пробочных соединений различных марок сталей в защит­ной среде СО₂.

Ввиду простоты оборудования и высокой производительности процесса проплавные пробочные соединения весьма экономичны. Их применяют, в частности, при изготовлении конструкций сельско­хозяйственных машин.

В большинстве случаев пробочные соединения являются связу­ющими и рабочих усилий не передают. Расчет прочности соедине­ний, участвующих в передаче усилий, производят аналогично рас­чету прочности точечных соединений при контактной сварке.

Дуговые соединения алюминиевых сплавов. Дуговой сваркой сваривают практически все алюминиевые сплавы, но свариваемость их различна. Сварные соединения алюминиевых сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений по сравнению с рядом сталей, применяемых в конструкциях (см. § 2 гл. 1). Поэтому к соединениям из алюминиевых сплавов предъяв­ляют ряд требований к их конструктивному оформлению и предот­вращению повреждений изделий в процессе производства. На рис. 2.8 приведены рациональные виды сварных соединений при сварке алюминиевых сплавов.

На рис. 2.9, а, б приведены примеры стыковых соединений де­талей из алюминиевых сплавов разных толщин при отсутствии экс­центриситета, а на рис. 2.9, в, г — при наличии эксцентриситета.

Предусмотрены варианты плавных сопряжений радиусом r швоб с основным металлом (рис. 2.9, а, в). Это сделано в целях устране­ния концентраторов напряжений, понижающих предел прочности соединений (рис. 2.9, б, г).

При изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов реко­мендуется применять стыковые соединения, а также соединения, в которых сварные швы расположены в зонах пониженных рабочих напряжений. Целесообразны конструкции повышенной гибкости (деформируемости).

На рис. 2.10 приведены многочисленные примеры рациональных и нерациональных сварных соединений из алюминиевых сплавов. Соединения на рис. 2.10, а — к рациональны, так как сварные швы удалены от зоны резкого изменения сечений. Соединения на рис. 2.10, л — п имеют значительную угловую жесткость и находятся и зоне концентрации. По сравнению с ними соединения, показанные на рис. 2.10, р — у, несколько лучше, поскольку в них обеспечена повышенная податливость.

Дата добавления: 2015-07-08