9.Сварные соединения
9.1.Введение
Узлы, а также машины, приборы и аппараты в целом собирают из деталей в определенном взаимном положении. Образующиеся при этом связи можно разделить на подвижные и неподвижные. Наличие подвижных связей в машине обусловлено её кинематической схемой. Например, в редукторе такими связями обладают зацепления, подшипники.
Неподвижные связи обусловлены целесообразностью расчленения машины на узлы и детали для того, чтобы упростить производство, облегчить сборку, ремонт, транспортировку и т. п. Неподвижные связи в технике называют соединениями. По признаку разъёмности все виды соединений можно разделить на разъёмные и неразъёмные.
Разъёмные соединения позволяют разъединять детали без их повреждения. К ним относятся резьбовые, шпоночные, шлицевые, штифтовые и другие соединения. Неразъёмные соединения не позволяют разъединять детали без их разрушения или повреждения поверхностей. К этой группе соединений относятся: сварные, клёпанные, прессовые, паяные, клеевые.
Соединениями в технике называются неподвижные связи в сборочных единицах.
Соединения являются важными элементами конструкции. Многие отказы в работе машин и сооружений обусловлены неудовлетворительным качеством соединений.
Основным критерием работоспособности и расчёта соединений является прочность.
Сварные соединения получают за счёт формирования межатомных свя-зей в свариваемых деталях, возникающих в результате нагрева деталей до жидкого или тестообразного состояния. На практике применяют свыше 60 способов сварки. Приоритет многих из них принадлежит русской науке. Благодаря открытию в 1802 году Петровым Н. П. явления электрической дуги Бенардос Н. Н. в 1882 году предложил способ электродуговой сварки неплавящимся электродом. В 1888 году Славянов Н. Г. использовал в спо-собе Бенардоса Н. Н. плавящийся электрод. Этот способ широко применяется и в наши дни.
Сварные соединения почти полностью вытеснили заклёпочные из многих областей машиностроения, в том числе в судо- и котлостроении, кроме следующих случаев:
а) вибрационная нагрузка (авиастроение и мостостроение);
б) опасность коробления деталей при сваривании;
в) соединение деталей из не свариваемых друг с другом материалов.
В сравнении с заклёпочными соединениями сварные соединения имеют следующие достоинства:
1) высокая технологичность;
2) высокая производительность;
3) экономия металла за счет отсутствия накладок;
4) возможность образования равнопрочного соединения.
Замена сваркой других технологий, в частности литья, позволяет:
а) упростить производство (отсутствие моделей, форм);
б) снизить массу до 40% за счет уменьшения толщины стенок.
В условиях индивидуального и мелкосерийного производства сварка экономически выгоднее, чем литьё.
Недостатки сварных соединений:
1) термические деформации и наличие остаточных напряжений;
2) высокая чувствительность к переменным нагрузкам;
3) высокая концентрация напряжений при сварке угловыми швами;
4) сложность и трудоёмкость контроля качества.
В машиностроении почти исключительно в сварном исполнении изготовляются следующие изделия:
а) резервуары, котлы и сосуды высокого давления;
б) металлоконструкции подъёмно-транспортных машин (фермы, балки, колонны);
в) рамы, тележки, части кузовов автомобилей и подвижного состава железных дорог;
г) зубчатые колёса, шкивы больших размеров, барабаны лебёдок ГПМ;
д) корпуса редукторов;
е) станины.
Сварные соединения являются наиболее распространённым и совершенным видом неразъемных соединений. Почти исключительно в сварном исполнении изготавливают резервуары, котлы и сосуды высокого давления, металлические конструкции подъёмно-транспортных машин, рамы, тележки и части кузовов транспортных машин. Сваркой соединяются рельсы бесстыкового пути, металлическая обшивка вагонов и локомотивов, многооборотные металлические контейнеры.
В зависимости от расположения свариваемых деталей различают следующие виды соединений: стыковые, нахлёсточные, тавровые, угловые.
В стыковых соединениях свариваемые детали соединяются своими торцами; они имеют прочность, близкую к прочности основного металла, и применяются, в основном, в ответственных конструкциях. В зависимости от толщины деталей сварку выполняют односторонним или двухсторонним стыковым швом, а также при необходимости производят подготовку кромок (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Стыковые соединения
В нахлёсточных соединениях боковые поверхности одной детали частично перекрывают боковые поверхности другой (рис. 9.2). Соединение осуществляется угловыми швами.
В тавровых соединениях торец одной детали соединяется с боковой поверхностью другой детали (рис. 9.3).
Угловые соединения являются частным случаем тавровых соединений (рис. 9.4). Последние два вида соединений осуществляются двумя видами швов: стыковыми и нахлёсточными, поэтому приняты две методики расчёта.
Рис. 9.2. Нахлёсточное соединение
Рис. 9.3. Тавровое соединение Рис. 9.4. Угловое соединение
В четырёх видах сварных соединений расчёты ведут по двум видам швов: стыковыми или угловыми.
На сварные соединения действуют нагрузки: продольная сила F, Н; поперечная сила Q, Н; изгибающий момент M, Н·мм. Допускаемые нормальные и касательные напряжения для сварных соединений (содержат в обозначении штрих) определяют по формулам:
[σ]ʹ = (0,9…1) [σ], [τ ]ʹ = (0,5…0,65) [σ], (9.1)
где [], МПа – допускаемое напряжение на растяжение для материала соединяемых деталей при статической нагрузке (табл. 9.1); значения коэффициентов, зависящих от вида деформации при нагрузке и марки электрода приведены в табл. 9.2.
Нормальные и касательные допускаемые напряжения сварных швов определяют в зависимости от нормального допускаемого напряжения для основного материала.
Таблица 9.1
Механические характеристики сварочных сталей для металлоконструкций
Марка |
Предельные и допускаемые напряжения, МПа |
|||
в |
т |
[] |
[] |
|
Ст0 |
310 |
190 |
120 |
95 |
Ст1 |
320 |
200 |
120 |
95 |
Ст2 |
340 |
210 |
120 |
95 |
Ст3 |
370 |
220 |
140 |
110 |
Ст4 |
420 |
240 |
140 |
110 |
Ст5 |
500 |
270 |
175 |
140 |
09Г2 |
440 |
300 |
210 |
170 |
16ГС |
450 |
320 |
210 |
170 |
10ХСНД |
530 |
390 |
210 |
170 |
Таблица 9.2
Коэффициенты для определения допускаемых напряжений
Вид технологического процесса сварки |
Коэффициенты, принимаемые при |
||
растяжении и изгибе [σ]ʹ |
сжатии [σ]ʹ |
срезе [τ]ʹ |
|
Автоматическая под флюсом, ручная электродами Э42А и Э50А, контактная стыковая |
1 |
1 |
0,65 |
Ручная дуговая электродами Э42 и Э50, газовая сварка |
0,9 |
1 |
0,6 |
Контактная точечная и шовная |
— |
— |
0,5 |