Получаемые сваркой плавлением

При проектировании сварных заготовок необходимо учитывать следующие основные факторы.

1. Число сварных соединений должно быть минимальным, так как прочность соединения может быть меньше, чем прочность ос­новного металла детали. Сварные швы по возможности следует предусматривать прямолинейными и непрерывными по длине.

2. Конструкция и взаимное расположение свариваемых элемен­тов должны обеспечивать удобство доступа сварочного инструмен­та в зону сварки. Так, при приварке стенок, перегородок жела­тельно выносить сварные швы из тесного пространства между ними (рис. 4.7, 1). При приварке фланцев к стенке желательно увели­чить зазор между ними или вынести сварной шов на наружную поверхность фланца (рис. 4.7, 2). В случае контактной сварки сле­дует стремиться к тому, чтобы использовались стандартные пря­мые электроды, а не специальные. Для этого необходимо изменить конструкцию свариваемых элементов или предусмотреть техноло­гические вырезы, отверстия и др. (рис. 4.7, 3). Расположение сварного шва напротив бурта или рядом с выступающей частью заго­товки (рис. 4.6, в) затрудняет сварку и рентгеновский контроль.

3. При наличии нескольких возможных вариантов сварки сле­дует применять наиболее простые и производительные способы. Например, при приварке рычага к оси рациональнее заменить ко­льцевые швы электрозаклепкой (рис. 4.8, 1). При сварке листовых конструкций или фланцев с трубами следует заменять дуговую свар­ку контактной (рис. 4.8, 2, 3).

4. В сварной конструкции не должно быть резких (ступенча­тых) переходов по толщине металла (рис. 4.9), отклонений от сим­метричности расположения элементов по толщине; не должно быть резких переходов форм конструкции (малых радиусов закругления вырезов). В противном случае возможно разрушение конструкции в результате концентрации напряжений. Это особенно важно для конструкций, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и вибрации. Для таких конструкций необходимо предусмотреть плавные переходы от металла шва к основному металлу.

При контактной сварке конструкция заготовки должна обеспе­чить необходимую по величине контактную поверхность деталей.

При стыковой сварке следует стремиться к тому, чтобы сваривае­мые детали вблизи стыка имели одинаковые или близкие по форме и размерам сечения.

Рис. 4.7. Обеспечение удобства доступа сварочного инструмента в зону сварки:

а – нетехнологично; б – технологично

Рис. 4.8. Примеры выбора способа сварки:

а – нетехнологично; б – технологично

Рис. 4.9. Сварка исходных заготовок различной толщины:

а – при S/S₁ <3; б – при S/S₁ >3, при этом l >5(S – S₁); l' >3(S – S₁)

5. Разделка кромок должна обеспечивать проварку шва по всей толщине. В то же время следует избегать трудоемкой разделки кро­мок. Вместо этого желательно образовывать сварочную ванну пу­тем правильного размещения свариваемых деталей (рис. 4.10).

6. С целью обеспечения точного положения соединяемых элементов необходимо предусматри­вать их взаимную фиксацию (рис. 4.11, а). Если свариваемые дета­ли имеют точные или обработан­ные поверхности, то их следует располагать подальше от зоны сварки, чтобы на них не попада­ли брызги металла или не оказы­вала теплового воздействия сва­рочная дуга (рис. 4.11, б).

Рис. 4.10. Обеспечение провара сварного шва: а – нетехнологично; б, в – технологично

Рис. 4.11. Фиксация положения деталей> при сварке

7. Для снижения концентра­ции сварочных напряжений не­обходимо избегать пересечения сварных швов в одном узле и сво­дить к минимуму количество на­плавляемого металла (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Примеры конструкции сварных узлов

а – нетехнологично; б – технологично

8. Габариты сварных заготовок должны соответствовать возмож­ности их обработки в термических печах. Если термическая обра­ботка не дает должного эффекта, невозможна или экономически не­выгодна, равнопрочность сварных соединений может быть достиг­нута за счет утолщения кромки элементов конструкции на ширине не менее зоны термического влияния.

Важной задачей является правильный выбор способа сварки в соответствии с назначением, формой и размерами конструкций. Назначение способа сварки в значительной степени определяется свариваемостью, особенно при соединении разнородных материа­лов, конструктивным оформлением сварных соединений, степенью их ответственности и производительностью процесса. Необходимо также учитывать тип соединений, присадочный материал, приемы и обеспечение удобства выполнения сборочно-сварочных соедине­ний. Эти условия предопределяют механические свойства соедине­ний и допускаемые напряжения, необходимые для прочностных рас­четов конструкций. Так, для сварки длинных швов встык более технологично применение дуговой автоматической сварки. Толсто­стенные элементы соединяют электрошлаковой сваркой. Для свар­ки внахлест тонколистовых материалов рационально применение контактной сварки. Некоторые виды свариваемых материалов (алю­миниевые и титановые сплавы, нержавеющие стали и т. п.) требу­ют надежной защиты зоны сварки от окисления, т. е. применения аргонно-дуговой, электронно-лучевой и диффузионной сварки. Не­обходимо также учитывать возможности механизации и автомати­зации процесса выбранного способа сварки.

Рациональная технология сварки должна обеспечить минималь­ный уровень сварочных напряжений и как следствие – сварочных деформаций. Это достигается за счет различных технологических приемов. В частности, сварка при повышенных плотности тока и скорости сварки дает меньшие деформации. Предварительный по­догрев, уменьшая разность температур между основным и рас­плавленным металлами, ведет к снижению остаточных напряже­ний.

Уменьшение размеров сварного шва, переход от односторонней разделки кромок к двухсторонней повышают технологичность кон­струкции, так как снижаются сварочные деформации.

Наименьшие деформации после сварки будут иметь конструк­ции, соединения в элементах которых располагаются так, что сум­ма статических моментов объема металла швов относительно цент­ра тяжести сечения элемента равна нулю или близка к нему. По­этому рекомендуется располагать швы в элементах симметрично (рис. 4.6, е). Для уменьшения остаточных напряжений следует избегать в изделии пересекающихся швов, а также их скопления. Для уравновешивания деформаций следует применять рациональную последовательность наложения сварных швов: при многопро­ходной сварке толстых деталей рекомендуется последовательно переходить с одной на другую сторону сечения (рис. 4.13, а); длин­ные прямолинейные швы рекомендуется разбивать на участки, свар­ка которых ведется в противоположных направлениях (рис. 4.13, б); при сварке пространственных конструкций необходим переход с одного элемента на другой (рис. 4.13, в). При соединении оболочек кольцевыми швами необходимо продольные швы располагать не по одной линии, а смещать их относительно друг друга (рис. 4.6, г). При этом удается снизить концентрацию напряжений и повысить работоспособность изделия.

Хорошие результаты дает предварительный изгиб свариваемых деталей в сторону, противоположную сварочной деформации (рис. 4.14). Сварку сложных деталей нежесткой конструкции произво­дят в специальных приспособлениях (кондукторах). Жесткое за­крепление во время сварки и охлаждения препятствует коробле­нию деталей тогда, когда из-за высоких температур их материал обладает повышенной пластичностью. По окончании сварки при тех же остаточных напряжениях больших деформаций не возни­кает.

Рис. 4.13. Рациональная последовательность (1, ..., 5) наложения сварных швов: а – при многопроходной сварке в пределах поперечного сечения; б – при сварке длинных швов; в – при сварке пространственных конструкций

Рис . 4.14. Сварка деталей без предварительного изгиба (а) и с предварительным изгибом (б) в зоне сварки

При выполнении стыковых соединений из алюминиевых сплавов необходимо предусмотреть возможность удаления оксидных пленок из стыка в проплав, применяя сварочные подкладки с профилиро­ванными канавками или специальным оформлением конструкции соединения (рис. 4.6, д). Оксидные включения, остающиеся в швах, служат причиной зарождения трещин и нарушения герметичности.

Механическую обработку сварных заготовок следует, как пра­вило, производить после отпуска, так как удаление части сечения вызывает перераспределение остаточных напряжений и искажение ранее обработанных поверхностей. Однако эти искажения зависят от жесткости обрабатываемой детали и размера снимаемого слоя и могут быть невелики. Поэтому часто сварные изделия обрабаты­вают без предварительной термообработки.

Термическая обработка сварных заготовок

Термическая обработка сварных заготовок производится с це­лью улучшения свойств металла шва и околошовной зоны и для снятия сварочных напряжений. Режим термообработки определя­ется химическим составом, теплофизическими и механическими свойствами материала. Термообработка способствует обеспечению точности последующей механической обработки заготовки, а так­же стабильности размеров и формы сварного изделия в процессе эксплуатации.

Наиболее полное снятие напряжений производится с помощью общего высокого отпускаю термических печах. Заготовку нагрева­ют до 600–650 °С и выдерживают в течение времени, которое опре­деляют из расчета 2–3 мин на 1 мм толщины металла. Положение заготовки в печи должно предотвратить ее деформацию за счет провисания под собственной тяжестью. Охлаждение после отпуска производится медленно, чтобы в металле снова не возникли напря­жения. Заготовки из среднеуглеродистых сталей часто охлаждают до температуры 300 °С с печью, а затем – на воздухе. Для сталей, склонных к охрупчиванию при температуре 600–620°С, темпера­тура отпуска снижается до 550–560 °С.

Местный высокий отпуск применяется для крупных деталей в местах, где непосредственно производилась сварка, с целью сни­жения уровня сварочных напряжений и повышения пластичности металла. Нагрев в этом случае производится с помощью перенос­ных индукционных термических печей или газовых горелок. Нагрев может также осуществляться наложением дополнительного слоя металла с применением соответствующего режима сварки. Местный отпуск производят в кондукторах сразу же после сварки. При этом следует отметить, что неравномерный местный нагрев может вы­звать свои нежелательные остаточные напряжения.

Термопластичный отпуск – это нагрев смежных зон основного металла, параллельных шву. Пластическая деформация при нагре­ве снимает остаточные напряжения сжатия в околошовной зоне. Этот метод требует тщательной регулировки источника нагрева и определенной скорости перемещения его вдоль шва.

Необходимо помнить, что высокий отпуск – более дорогая опе­рация, значительно увеличивающая стоимость изготовления заго­товки, и ее следует применять в действительно обоснованных слу­чаях, например, когда заготовка подвергается в дальнейшем меха­нической обработке с целью получения точных присоединительных размеров и т.п.

Сварные и комбинированные заготовки

Сварные заготовки. Многие сварные заготовки изготавливают из листового проката, фасонных и гнутых профилей, что обеспечи­вает возможность получения легких изделий повышенной жест­кости и устойчивости. К таким заготовкам относятся рамы, стани­ны, барабаны, корпуса редукторов, зубчатые колеса (рис. 4.15), штанги, тяги (рис. 4.16), подшипниковые опоры разных систем (рис. 4.17) и т. п. Все они выполнены из листового проката с уси­лением корпусов приваркой ребер жесткости.

Рис. 4.15. Сварное зубчатое колесо	Рис. 4.16. Сварные тяги
Рис. 4.17. Сварные подшипниковые опоры

В ряде случаев применение сварки дает существенный экономи­ческий эффект и снижает трудоемкость механической обработки заготовки.

Комбинированные заго­товки. В современном маши­ностроении тенденции в изготовлении крупных заготовок ведут к замене литых заготовок комбинированными, которые получают сочетанием ковки и литья со сваркой. Это позволяет подойти дифференцированно к различ­ным частям детали, в частности, использовать в одной конструкции разнородные материалы, наиболее соответствующие условиям ра­боты различных элементов, уменьшить массу и металлоемкость конструкций. Комбинированные заготовки обладают большей тех­нологичностью. Их внедрение снижает сроки освоения производ­ства, сокращает расходы на литейную и штамповочную оснастку.

Сварно-литые заготовки изготавливают при производстве ста­нин прессов, прокатных станов, станков, корпусов редукторов, кар­теров тепловозных двигателей, толстостенных сосудов, различных деталей вагонов и т. п. Расчленение крупногабаритных цельноли­тых заготовок позволяет использовать более точные способы литья (в кокиль, под давлением), применение которых резко снижает объем механической обработки. При наличии в детали стенок тол­щиной свыше 30 мм, сопрягаемых со стенками малых сечений и с частями, имеющими, сложный профиль, применяют сварно-литую заготовку. При сочетании стенок постоянного сечения толщиной до 30 мм со сложными фасонными профилями переменного сечения применяют сварно-листо-литые заготовки.

При конструировании сварно-литых заготовок прибыли на отливке располагают вдали от кромок, подлежащих сварке. Повы­шенное содержание серы и углерода в местах расположения при­былей приводит к появлению дефектов в сварных швах и в при­легающих к ним зонах металла отливки. При конструировании сварно-литых заготовок, образующих жесткий контур, следует пре­дусматривать соединение отдельного элемента с остальной частью конструкции не более чем двумя сварными швами. В случае большего числа стыков осуществить сварку намного сложней, а иногда невозможно. При конструировании крупногабаритных сварно-литых заготовок стремятся к тому, чтобы габаритные размеры мел­ких отливок обеспечивали возможность машинной формовки, а длина отдельных частей во избежание коробления не превышала 4–5 м. В сварно-литых заготовках с нечетным числом отверстий разъем размещают в плоскости, поперечной к оси среднего отвер­стия, что существенно упрощает сварку.

В зависимости от размеров поперечного сечения, типа сварного шва и материала сварку элементов заготовки производят различ­ными видами дуговой, контактной или электрошлаковой сварки.

Штампо-сварные заготовки (рамы, кожухи, ободы, шкивы, ем­кости и др.) изготавливают обычно из листового материала. Они позволяют заменить литые или штампованные заготовки, требую­щие в дальнейшем довольно дорогой механической обработки. Кон­струкция штампо-сварной заготовки должна одновременно отве­чать условиям технологичности и листовой штамповки, сварки.

Штампо-сварные заготовки имеют ряд преимуществ: высокая производительность изготовления; сокращение расхода материала и снижение массы конструкции; простота получения заготовок со сложными конструктивными формами; сравнительно низкая себе­стоимость изготовления заготовок. Штампо-сварные заголовки сва­ривают в основном контактными способами сварки.

Сварно-ковано-литые заготовки изготавливают сочетанием ли­тых элементов с поковками или заготовками из проката соединяе­мых затем сваркой. Такие конструкции часто применяются тяже­лом и энергетическом машиностроении: роторы турбин, массивные валы; крупные зубчатые колеса, рамы и т. п. По сравнению с литыми (или коваными) сварно-ковано-литые заготовки имеют сле­дующие преимущества: значительное снижение массы заготовки; упрощение литейной и штамповочной технологии изготовления со­ответствующих элементов заготовки; повышение качества и точ­ности изготовления отдельных элементов заготовки; сокращение производственного цикла.

Соединение элементов сварно-ковано-литых заготовок произво­дится в основном электрошлаковой или контактной стыковой свар­кой и реже – дуговыми способами сварки.

Преимущества комбинированных сварных конструкций, в кото­рых использованы одновременно заготовки, полученные различны­ми способами (отливки, поковки, листовой и сортовой прокат), прежде всего проявляются при изготовлении тонкостенных протя­женных деталей.

Эффективным направлением является использование в различ­ных частях сварных конструкций разнородных материалов, наи­более полно отвечающих требованиям эксплуатации, применение двухслойного проката со специальными свойствами облицовочного слоя и других сочетаний.

Технико-экономическое сравнение вариантов изготовления це­льных литых или штампованных заготовок, с одной стороны, и сварно-литых или сварно-штампованных заготовок, с другой, про­изводится по уменьшению (или увеличению) массы заготовки; за­тратам на изготовление модельной оснастки, штампов и других приспособлений; времени цикла подготовки и освоения производ­ства; себестоимости изготовления заготовки.

При оценке различных вариантов изготовления заготовки в каж­дом конкретном случае следует учитывать особенности данной кон­струкции, технологические свойства материала, тип производства, требуемую точность изготовления и другие факторы. В качестве примера рассмотрим три варианта изготовления заготовки шес­терни большого размера (рис. 4.18). Первый вариант заготовки (рис. 4.18, а) изготовлен из кова­ного обода, диска из листовой стали и катаной ступицы. Он выго­ден тогда, когда серия изготавливаемых заготовок не велика, т. е. в единичном производстве. Изготавливать в этом случае литейную оснастку долго и дорого. Сварно-литой вариант (рис. 4.18, б) выго­ден тогда, когда отформовать и отлить всю шестерню сразу не представляется возможным из-за отсутствия соответствующего оборудования. Размеры литой ступицы существенно меньше. Кро­ме того, применение катаного обода дает более высокое качество и износостойкость поверхности зубьев. Второй вариант можно при­менить в серийном производстве. Третий вариант (рис. 6.22, в) – полностью литая заготовка – рационален только в крупносерий­ном производстве, когда на предприятии имеются возможности для изготовления соответствующих модельной оснастки и форм.

1 – обод кованый; 2 – ребро на листовой стали; 3 – ступица из проката; 4 – обод катаный; 5 – ступица литая

Рис. 4.18. Конструктивные варианты заготовки шестерни:

а – сварно-штампованный; б – сварно-литой; в – литой

При технико-экономическом сопоставлении возможных вариан­тов изготовления цельных (литых, кованых, штампованных) и ком­бинированных (сварных) заготовок следует определять число «кри­тической» серийности N, показывающее, при каком максимальном количестве деталей наиболее экономичен сварной вариант

N = M/(S – О),

где S – стоимость одной комбинированной заготовки; О – стои­мость одной цельной заготовки; М – стоимость одного модельного комплекта, штампов и других приспособлений, необходимых для изготовления цельной детали.