книги из ГПНТБ / Заплетохин, В. А. Соединения деталей приборов [пособие]

3. Все формы подготовки кромок считаются равноценными. Составленные уравнения прочности для различных расчетных схем обычно решаются относительно расчетной длины шва. С учетом непровара шва из-за недостаточного прогрева деталей на краях полученная расчетная длина шва 1Р должна быть увеличена на

10—15 мм. Действительная рабочая длина сварного шва будет

I — /р 10 -i—15 .мм.

Стыковые швы в зависимости от направления приложенной силы могут испытывать деформацию растяжения или сжатия. Стыковой шов, работающий на растяжение от действия силы Q (рис. 32,а), рас­

считывают по нормальным напряжениям

где [о] р — допускаемые Напряжения для сварного шва на растяже­

ние. Если стыковой шов работает на сжатие, то в формулу (1.37) сле­ дует подставить допускаемые напряжения на сжатие [а] 'сж.

При определении площади разрыва F за расчетную высоту шва

следует принимать толщину более тонкого листа

Если стыковой шов, например, в тавровом соединении подвержен совместному действию растягивающей силы и изгибающего момента (рис. 32,6), то сварной шов рассчитывают ио суммарным нормаль­ ным напряжениям

Sll

где W = 6Р ; F == Slp.

Распределение напряжений в угловых швах весьма сложно, поэто­ му угловые швы представляют упрощенной схемой. Угловые швы

40

(лобовые и фланговые) рассчитывают на срез по критическому сечению, определяемому расчетной высотой шва. Расчетная высота сечения для различных профилей угловых швов показана на рис. 28.

Для углового шва с нормальным профилем соединения внахлестку (рис. 33, а) это опасное сечение совпадает с биссектрисой прямого

угла, поэтому

Расчетные касательные напряжения среза в угловом шве опре­ деляются уравнением прочности

Комбинированные угловые швы рассчитывают также на срез по аналогичным уравнениям прочности, исходя из предположения равномерного распределения нагрузки между лобовым и фланговыми швами.

Угловые швы в тавровых соединениях рассчитывают как лобовые, если сила действует перпендикулярно плоскости расположения швов, пли как фланговые, если сила действует параллельно швам.

При совместном действии на угловые швы изгибающего момента М„ и силы Q (рис. 33, б) расчет ведется по суммарным касательным

напряжениям

катетом шва, однако он не должен превышать 1,25, где 5 — наимень­ шая толщина соединяемых деталей.

Прорезные, проплавные и пробочные швы рассчитывают также на срез с учетом геометрических размеров отверстий или прорезей.

41

С оединения контактной сваркой

Электрическая контактная сварка осуществляется зажимом соединяемых деталей двумя медными электродами, обеспечивающими местный нагрев деталей при подаче тока. За счет давления, прило­ женного к электродам, и местного нагрева образуется сварочная точ­ ка, поэтому такая сварка называется точечной. При замене электро­

дов роликами, получающих принудительное вращение, образуется сварочный шов, и тогда сварка называется шовной или роликовой.

Благодаря местному и кратковременному нагреву деталей точеч­ ная сварка обеспечивает точность соединения и не вызывает короб­ ления.

Точечной сваркой соединяют листовые детали суммарной толщи­ ной от десятых долей миллиметра до 20 мм. Свариваемые листы могут быть различной толщины с соотношением до 1:3. Минималь­ ная толщина листа в соединениях точечной сваркой 0,1 мм. Точечной сваркой можно собрать пакет из трех деталей разной толщины, более толстую при этом следует устанавливать в середине.

При конструировании деталей коробчатой формы необходимо учи­ тывать возможность свободного подвода электрода к месту сварки

(рис. 34).

ъ*го

а/Ъ«2

К\\

Рис. 34.

С помощью точечной сварки хорошо соединяются детали из угле­ родистых и легированных сталей, алюминиевых и магниевых сплавов, латуней и бронз.

Р а с ч е т с о е д и н е н и й т о ч е ч н о й с в а р к о й . Прочность соединения зависит от диаметра сварной точки, работающей на срез пли разрыв.

42

Уравнение прочности сварной точки на срез (рис. 35):

Q

Уравнение прочности сварной точки на разрыв (вырывание свар­ ной точки из основного материала по периметру ее ядра):

Допускаемые напряжения для сварной точки [т]' выбирают в за­ висимости от допускаемых напряжений на разрыв основного мате­ риала по соотношению

Рис. 35.

Приравнивая уравнения (1.43) и (1.44), получим условие равнопрочности сварной точки срезу и разрыву:

Соединения точечной сваркой выполняют внахлестку или с на­ кладками, чаще всего многоточечными: однорядными или многоряд­ ными.

Благодаря повышенной жесткости сварных точек и отсутствию текучести в многоточечных сварных соединениях усилия между свар­ ными точками распределяются неравномерно. Многоточечное соеди­ нение при действии нагрузки начинает разрушаться со среза крайних точек, поэтому равнопрочным соединением будет двухрядное с рас­ положением рядов сварных точек перпендикулярно направлению приложенного усилия. Исследования показали, что в трехрядном соединении крайние точки испытывают перенапряжение в сравнении со средними на 41 %, а в четырехрядном — на 81 % •

При расчетах многоточечных сварных соединений (рис. 36) диа­ метр сварной точки выбирают в зависимости от толщины более тон­

43

Затем определяют количество свардых точек z, обеспечивающих

прочность соединения, исходя из условий работы сварных точек на срез:

и вырывание:

С-49)

Полученное число сварных точек необходимо разместить па по­ верхности соединяемых деталей с учетом равномерного распределе­ ния усилnil.

УС?

Шаг между сварными точками (см. рис. 36) принимают

t > 3d,

расстояние от кромок соединяемого листа в направлении приложен­ ной нагрузки •

>2d,

вперпендикулярном направлении

Р; > \$d.

Расчет соединений роликовой (шовной) сваркой производится аналогично расчету точечных соединений с учетом особенностей кон­ структивного выполнения узла.

44

Пример 1. Рассчитать сварной разделительный сосуд (рис. 37) к пружинному манометру с пределом измерения Р = 3 МПа. Внутрен­

ний диаметр сосуда # в = 100 мм, рабочая высота # = 1 5 0 мм. Сосуд изготавливается из стали 10, для которой допускаемые напряжения на разрыв [о]р —76 МПа. Допускаемые напряжения для сварного шва

Расчетную толщину стенки не­ обходимо увеличить, учитывая коррозию металла и отклонения толщины стенки от номинального значения. При 5 Р< 1 0 мм рекомен­ дуется принимать добавку на кор­ розию е = 3 мм. Таким образом, толщина стенки должна быть

Приварную крышку сосуда следует рассматривать как круглую пластину, защемленную по контуру, на которую действует равномер­ но распределенная нагрузка Р. Для такой пластины максимальные

напряжения возникают у контура и определяются следующим урав­ нением:

45

При сборке крышки с трубой получаем угловое соединение без скоса кромок. Крышку центрируем в трубе на такой глубине, чтобы катеты поперечного сечения сварного шва были одинаковыми, т. е. равными £ = 5 мм. Поскольку размеры сварного шва определя­ ются конструктивными соображениями, то расчет на прочность свар­ ного шва произведем как проверочный по уравнению (1.41)

/р — расчетная длина сварного шва:

/р = *DK= 3,14 • 0,104 = 0,327 м.

Напряжения в сварном шве согласно (1.41)

25,5 - Юз ^ср — 0 7*5* 10_з . о 327 ~ 22,3 МПа < 45 МПа.

Следовательно, сварной шов условиям прочности удовлетворяет. Обозначение этого шва при газовой сварке показано в приложении 12 (см. примечание 2).

Пример 2. Из условия равнопрочности спроектировать соедине­ ние внахлестку точечной сваркой двух плакированных отожженных листов из сплава Д16 (предел текучести а т = 100 МПа). Листы име­ ют толщину £ = 0,8 мм и ширину Ъ= 40 мм. Запас прочности принять

п= 2.

Р е ш е н и е . Допускаемые напряжения на разрыв листа

ст 100

М Р = = ~2 = 50 МПа.

Допускаемое усилие для поперечного сечения листа

[Q] = bS [а]р = 40 • Ю-з . о,8 • 10—3 • 50 • 10»= 1600 Н.

Допускаемые напряжения для сварной точки (1.45)

[х]' = 0,6 [а]р = 0,6 • 50 = 30 МПа.

Диаметр сварной точки по уравнению (1.47)

d = 1,255 + 4 = 1,25 • 0,8 + 4 = 5 мм.

Число сварных точек из условия среза по (1.48)

. 4 [<?]______________ 4-1600

2 ^ n d * [т]' ~ 3,14 • 52 • 10~б - 30108 ~ ^

46

Число сварных точек из условия вырыва по (1.49)

г> ^ ] ____________________ 1600_______________ 4

^ r.dS [т]' ~ 3,14 • 5 • Ю-з . о,8 • Ю-з . зо . 10® ~

Разместим сварные точки на листе. Наименьший шаг между свар­ ными точками должен быть (см. стр. 44)

^ = 3af = 3 -5 = 15 мм,

расстояние от кромки листа до центра сварной точки в направлении прилагаемой нагрузки

tx — 2d = 2 • 5 = 10 мм,

в перпендикулярном направлении

t-2= 1,5 d = 1,5 ■5 = 7,5 мм.

Число сварных точек, которые можно разместить в одном ряду, перпендикулярно направлению нагрузки

Следовательно, применяем двухрядное расположение сварных точек при расстоянии между рядами ег=15 мм и расстоянии между сварными точками в ряду

ех= b —2to = 40 — 2 • 7,5 = 25 мм.

Длина нахлестки листов

I = е-2 + 2tx= 15 + 2 • 10 = 35 мм.

В приложении 12 найдем условное изображение сварного шва на рабочем чертеже (рис. 38).

Пример 3. К сильфону из стали 1Х18Н9Т (нормаль МН 429—64) с помощью роликовой сварки приваривается дно. Внутреннее рабо­

Ширину сварного шва принимаем согласно (1.46)

d = 4S = 4 • 0,26 « 1 мм.

Расчетная длина сварного шва определяется посадочным диаметром цилиндрического бортика сильфона D = 55 мм:

/ = r,D= 3,14 • 0,055 = 0,172 м.

47

Площадь среза роликового шва

Fcр ^ dl = 0,001 • 0,172 = 1,72 ■ 10—* м2.

Напряжения среза сварного шва

Кт5 q 25/15-2

Z

Рис. 38.

Определим запас прочности сварного шва. При пределе текучести для стали 1Х18Н9Т ат =200 МПа предельные напряжения среза сварного шва будут

тпред = 0,5 ат = 0,5 • 200 — 100 МПа,

тогда запас прочности

'■пред 100

Т Г =7,1.

Lcp

По приложению 12 найдем условное изображение параметров роли­ ковой сварки (см. рис. 39).

§ 6 . СОЕДИНЕНИЯ ПАЙКОЙ

Пайка — соединение деталей в нагретом состоянии с применени­ ем связующего материала (припоя), температура плавления которо­ го ниже температуры плавления спаиваемых частей. Припой в рас­ плавленном состоянии заполняет зазоры между деталями и в пери­ од кристаллизации соединяет их.

Процесс пайки осуществляется с помощью медного или ультразву­ кового паяльника; для пайки тугоплавкими припоями применяется

48

горелка (ацетилено-кислородная, бензнновоздугиная или газовоздуш­ ная). В условиях массового производства процесс панки осуществля­ ют в печах с воздушной атмосферой, с инертной средой или в ваку­ уме. Пайку погружением в расплавленный припой применяют в тех случаях, когда необходимо за одну операцию соединить большое ко­ личество деталей в одном узле, например при пайке печатных радио­ схем, коллекторов электродвигателей. При индукционном электро­ нагреве пли нагреве электросопротивлением пайка осуществляется за счет тепла, возникающего непосредственно в самих деталях.

Расплавленный припой должен хорошо смачивать поверхности соединяемых деталей п затекать в зазоры между ними. При выборе типа припоя учитывают главным образом эксплуатационные требо­ вания, предъявляемые к паяному шву, такие, как прочность, корро­ зионная стойкость, электропроводность и т. п. Однако весьма важно учитывать и различия значений коэффициентов линейного расшире­ ния разнородных материалов. Эти различия могут привести к разру­ шению паяного шва в связи с возникновением значительных терми­ ческих напряжений.

Высококачественную пайку обеспечивают твердые припои с тем­ пературой плавления выше 400° С; мягкие припои с температурой

плавления ниже 400° С применяются, когда не требуется особая проч­ ность.

К мягким припоям относятся оловянно-свинцовые и висмутовые сплавы. Низкую температуру плавления имеют легкоплавкий припой

12,5%; кадмий — 12,5%, 7,„Л= 341 К ).

Низкая температура плавления этих припоев обеспечивает воз­ можность пайки деталей с малыми геометрическими размерами и сохранение химического состава, структуры и механических свойств материалов.

Оловянно-свинцовые припои (ГОСТ 1499—70) предназначены главны!! образом для создания герметичности паяного узла и надеж­ ной электропроводности. Из них сплавы ПОС 40 (олово — 40%, сурь­ м а— 2%, свинец — остальное; Тпл = 4 9 0 К) и ПОС 61 (олово — 61%,

сурьма — 0,8%, свинец — остальное; 2Г’11Л=460К ) являются основ­ ными припоями для электромонтажной пайки, для пайки проводов и токопроводящих деталей.

Прочность мягких припоев невысока, предел прочности при рас­

ний в стык. Чтобы повысить прочность соединения, предусматрива­ ют пайку внахлестку или другие конструктивные меры, разгружаю­ щие место спайки от действующих усилий.

Для повышения прочности паяного соединения штампованных тонколистовых деталей края соединяют в фальц (рис. 40,а). При со­

единении деталей в фальц необходимо предусматривать зазоры для заполнения припоем. К соединениям в фальц прибегают и при изго­ товлении цилиндрических деталей с дном (рис. 40, б) . Соединение