2.1.2 Сварные, паяные и клеевые соединения

Цель- изучить конструкцию и технологию получения сварных, паяных и клеевых соединений. Разобраться в типах сварных швов, видах сварки, расчетах на прочность стыковых, угловых и точечных швов. Ознакомиться с марками припоев, технологией их применения и расчетом на прочность, обозначением соединений на чертежах.

Общие сведения

Сварные соединения относятся к неразъемным и получают­ся двумя путями: -нагревом до расплавления места стыка и последующим охлаждением соединяемых деталей (сварка плав­лением); - пластическим деформированием места стыка в холод­ную или с нагревом (сварка давлением). Место стыка называ­ется сварным швом. Основная задача сварки - обеспечение равной прочности соединяемых деталей и соединения в целом. Прочность соединения определяется получением однородности и отсутствием пористости в зоне сварного шва. Существует большое количество (более 60) способов сварки, однако в машиностроении нашли применение два основных вида электро­сварки -дуговая и контактная. Электродуговая сварка (рис.2.6,а) основана на использовании тепла электрической дуги, возни­кающей между соединяемыми деталями и электродом. Большое распространение получили плавящиеся электроды, изготовлен­ные из того же материала, что и соединяемые детали. Для защиты расплавленного металла от окисления кислородом воздуха на поверхность электрода наносят специальное покрытие. При температурах плавления электро­да материал покрытия испаряется и создает защитную среду в зоне сварного шва.

Широкое применение в автоматизированном производстве находит сварка под слоем флюса или в защитной среде нейтраль­ных газов (аргон, гелий). Производительность автоматической сварки в 20 и более раз выше, чем ручной и при этом обес­печивается экономия электродного материала, электроэнергии и повышается качество шва.

а б

Рис. 2.6. Способы сварки: а) электродуговая,

б) контактная

Контактная электросварка (рис. 2.6,б) основана на исполь­зовании тепла, выделяемого электрическим током в зоне наибольшего омического сопротивления, т.е. в зоне стыка свари­ваемых деталей. Контактная электросварка бывает стыковой и точечной. При стыковой сварке зона соприкасаемых деталей разогревается до пластического состояния, затем детали взаимно осаживаются (сдавливаются) заданной силой и после охлаждения происходит сварка по всей поверхности стыка (рис. 2.7).

При точечной сварке сварной шов (точка) образуется в узкой зоне вокруг электрода (рис. 2.7). Этот способ сварки позволяет полу­чить непрерывный или прерывистый шов при сильном местком нагреве, что положительно сказывается на механических харак­теристиках основного материала. Применяется в листовых нахлесточных соединениях при толщине соединяемых деталей до 3-4 мм. При этом толщины свариваемых листов не должны отличаться более чем в три раза. Для контактной сварки характерны быстро­та процесса, высокая степень автоматизации.

Рис. 2.7. Стыковой и точечный сварные швы

Сварка может использоваться не только для соединения листовых деталей, но и как технологический способ изготов­ления деталей сложной конфигурации. Так в мелкосерийном произ­водстве сварные конструкции применяют взамен штампованных или литых для удешевления производства деталей сложной формы и снижения их веса. Хорошо свариваются низкоуглеродистые стали (содержание углерода < 0,25%), низколегированные стали с низким (небольшим) содержанием углерода. Цветные сплавы свариваются плохо вследствие высокой теплопроводности и легкой окисляемости.

К достоинствам сварных соединений следует отнести прос­тоту конструкции, высокую производительность и возможность обеспечения герметичности стыка. К недостаткам относится возникновение внутренних напряжений в зоне сварного шва из-за неравномерного нагрева и усадки материала при остывании, что вызывает коробление конструкции. Коробление конструкций можно исключить, если проводить сварочные работы в жестких приспособлениях, правильно выби­рать технологию сварки (прерывистая, ступенча­тая) , а также подвергать изделия термообработке после сварки (низкий отжиг при 600-650°С). Качество ответственных сварных соединений контролируют с помощью методов магнито-, рентгено- и гаммаграфирования. Наиболее эффективен ультразвуковой контроль.

Виды сварных соединений.

В машиностроении получили распространение следующие ви­ды сварных соединений: стыковые, угловые, нахлесточные, тавровые (рис. 2. 8).

Рис.2.8. Виды сварных соединений:

а) стыковое, б) угловое, в) тавровое, г) нахлесточное

Стыковое соединение является простым, достаточно надеж­ным и широко применяется при соединении деталей или их час­тей. Соединение тонких элементов производят без обработки кро­мок, а при больших толщинах предварительная механическая обра­ботка кромок обязательна (рис.2.9), с целью обес­печения однородности шва по всей толщине соединяемых деталей. Утолщения в зоне сварного шва в расчетах на прочность не учитываются, и расчет про-

водят по размерам поперечного сечения детали в зоне сварного шва.

Рис. 2.9. Разделка кромок свариваемых деталей

Основным параметром углового шва являет­ся его катет k. При сварке тонких листов (до 4мм) внахлестку катет принимают равным меньшей толщине соединяемых деталей. При толщине свариваемых деталей в интервале 4...16 мм катет шва определяют из соотношения:

где S - минимальная толщина свариваемых деталей.

Стыковая контактная сварка как правило обеспечивает равнопрочность материала шва и деталей при статических нагрузках, поэтому расчеты на прочность шва не проводятся. Точечная сварка применяется для соединения тонких до 3 мм изделий. При этом диаметр d расплавленной точки металла должен быть в 2-3 раза больше толщины S наиболее тонкого свариваемого эле­мента. Шаг t точек во избежание шунтирования тока должен быть не менее , но не болеедля предотвращения отслаивания листов друг от друга в промежут­ках между точками.

Расчет стыковых соединений на прочность

Оценка прочности стыковых сварных соединений заключается в определении нормальных и касатель­ных напряжений в сварном шве, причем за расчетную толщину S шва принимается наименьшая толщина соединяемых деталей. Длина сварного шва l при этом может быть равна или меньше ширины соединяемых деталей. Проектный расчет следует начинать с проверки прочности соединяемых деталей от действия прило­женных нагрузок.

Напряжение в стыковом шве, нагруженном усилием F (рис. 2,10) рассчитывают из соотношения ,

где l, S -длина и толщина сварного шва,

-допускаемое напряжение, величина которого с уче­том результата теплового воздействия на материал шва, определяется из соотношения:

,

Коэффициент ослабления прочности сварного шва при авто­матической сварке равен ,

а при ручной равен - .

Значение допускаемого напряжения выбирается в соот­ветствии с рекомендациями вводного модуля. Напряжение в непрерывном стыковом шве при действии изгибающего моментаМ в плоскости соединяемых листов (рис. 2.10) определяют по формуле :

.

Рис. 2.10. Стыковой шов под действием

усилия F и момента М

При совместном действии изгиба и растяжения наибольшее напряжение будет равно: .

Напряжение в стыковом шве при действии поперечной силы F (рис, 2.11) определяется из соотношения:

,

где - напряжения изгиба;- напряжения среза.

Тогда суммарные напряжения равны

Рис. 2.11 Стыковой шов под действием поперечной силы F

При несоблюдении условия прочности необходимо изменить ма­териал, термообработку или конструктивные размеры соединения.

Расчет угловых швов на прочность

Угловые швы рассчитывают по наибольшим напряжениям среза, лежащим в плоскости биссектрисы (1) поперечного сечения шва. Для нахлесточных соединений этот угол равен 90⁰ , а величина катета равна наименьшей толщине соединяемых деталей

( рис.2.12).

Рис.2.12. Виды угловых швов

Наименьший размер поперечного сечения шва лежит в плоскости биссектрисы и равен: .

Площадь среза будет равна ,

где l длина сварного шва, совпадающая с шириной свариваемой детали, или чуть меньшая в случае прерывистого шва.

Угловые швы в нахлесточных соединениях вообще говоря находятся в сложном напряженном состоянии, но для практи­ческих расчетов можно учитывать лишь касательные напряжения в плоскости биссектрисы.

Угловые швы бывают лобовые и фланговые. Направление лобо­вого шва перпендикулярно, а флангового - параллельно действующему усилию

(рис. 2.13). Напряжения по длине флангового шва распределены неравномерно. Они больше на концах, чем в сере­дине. Вследствие этого максимальная длина флангового шва не должна превышать , а минимальная не должна быть меньше 25-30 мм, из-за наличия возможных дефектов.

Напряжение среза в лобовом или фланговом шве при дейст­вии внешнего усилия F (рис. 1.13) определится из соотношения

,

где - допускаемое напряжение в сварном шве с учетом коэффициента ослабления прочности при сварке.

Рис. 2.13. Нахлесточные угловые швы:

а) лобовой, б) фланговый

Напряжение в угловом лобовом шве, нагруженном только изги­бающим моментом М (рис.2.13), лежащим в плоскости соединяемых листов, определится из соотношения

Напряжение в соединении с лобовыми и фланговыми швами (рис.2.14) определяют на основе принципа распределения усилий пропорцио­нально несущей способности имеющихся швов:

Рис. 2.14. Комбинированный угловой шов

Условные изображения и обозначения швов сварных соединений на чертежах представлены в стандартах.

Паяные и клеевые соединения

Паяные соединения получают при расплавлении специаль­ного припоя, который заполняет зазор между соединяемыми поверх­ностями деталей и при последующем охлаждении диффузионно или химически связывает их между собой. Нагрев припоя и деталей осуществляют паяльником, газовой горелкой или в печах. Поверх­ности соединяемых деталей предварительно обезжиривают, а при­меняемые припои должны хорошо их смачивать. В качестве припоев используются чистые металлы и сплавы на основе олова, меди, серебра и т.д. Для предотвращения образования окисных пленок на соединяемых поверхностях при пайке используют флюсы на основе канифоли, буры и т.д.

Наибольшее применение в паяных конструкциях нашли соединения встык и внахлест. Расчет таких соединений на прочность аналогичен расчету сварных соединений. Механические характеристики некото­рых припоев приведены ниже:

медный марки Л 63, = 450 МПа;

медно-цинковый ПМЦ-54, = 350 МПа;

серебряно-медный ПСр - 45, = 400 МПа;

оловянно-свинцовый ПОСС 40-2, = 45 МПа.

Основными параметрами паяного соединения являются толщи­на, ширина и длина шва. В нормативной документации условное обозначение паяных соединений может быть, например, записано в виде:

ПН-1, 0,1x15x100 ГОСТ 19249-73, что означает паяный нахлесточный шов (ПН-1, цифра 1 обозначает тип, соеди­нения по ГОСТ), толщиной 0,1 мм, шириной - 15 мм, длиной 100 мм.

Клеевые соединения выполняют с использованием клея, ко­торый хорошо смачивает предварительно обезжиренные поверхнос­ти и при затвердевании удерживает их за счет сцепления. Преимуществом таких соединений является возможность соеди­нений разнородных материалов. Наибольшее распространение получили синтетические клеи типа БФ-2, БФ-4, клей 88 и др. Приме­няемые клеи должны обладать свойствами водостойкости и теп­лостойкости.

Перед склеиванием необходимо зачистить и обезжирить поверхности деталей, нанести клей равномерным слоем, поло­жить детали склеиваемыми поверхностями и выдержать под дав­лением и при заданной температуре некоторое время. Прочность клеевого соединения зависит от соблюдения технологии, от тол­щины клеевого слоя (0,05...0,15 мм). Прочность соединения сни­жается с увеличением толщины клеевого слоя.

Клеевые соединения хорошо работают на сдвиг и хуже на отрыв. Часто клеевые соединения применяются в сочетании с резьбовыми, заклепочными и другими. На чертежах место соединения пайкой или склеиванием показывают сплошной линией толщиной 2 мм, а тип соединения односторонней стрелкой .

Контрольные вопросы

1. Назовите преимущества, недостатки и область применения сварных соединений.

2. Какой процесс называют сваркой и какие типы сварных швов используются при соединении деталей ?

3. В чем заключается расчет сварных швов на прочность от действия внешних (силы и момента) нагрузок ?

4. Какие факторы учитывают при выборе допускаемых напряжений для материала сварного шва ?

5. В чем заключается технология получения паяных соединений и где они находят применение ? Какие типы припоев существуют ?