3.1. Неразъемные соединения

3.1.1. Сварные соединения

Основным типом неразъемных соединений являются сварные соединения.

В настоящее время сварные соединения являются наиболее совершенными по сравнению с другими типами неразъемных соединений в силу их высокой прочности, технологичности и экономичности. Общая экономия металла достигает 30 %. Освоена сварка всех конструкционных сталей, цветных сплавов и пластмасс.

Недостатки сварных соединений:

­– ухудшение механических свойств основного металла из-за местного нагрева шва;

– возникновение остаточных напряжений и, как следствие, остаточных деформаций из-за неоднородного нагрева;

– малая долговечность соединений при действии переменных, особенно вибрационных и ударных нагрузок, вследствие высокой концентрации местных напряжений;

– нестабильность качества шва и сложность его контроля.

В современном машиностроении применяются разнообразные виды сварки: электрическая, газовая, диффузионная и др.; различные методы сварки изучаются в специальных курсах. Наибольшее распространение получила электрическая сварка, основными видами которой являются дуговая и контактная.

В настоящем курсе рассматриваются соединения, полученные дуговой сваркой.

При дуговой сварке металл в зоне соединения доводится до расплавленного состояния и после затвердевания металла образуется прочное соединение (рис 3.1).

Рис. 3.1. Стыковое сварное соединение

Применяются следующие виды сварки:

автоматическая под флюсом, которая обеспечивает максимальную производительность, экономичность и качество шва; применяется в массовом и крупносерийном производстве;

полуавтоматическая шлаковая, используемая в основном при коротких и прерывистых швах;

ручная, применяемая при малом объеме работ; она малопроизводительна и в большинстве случаев не обеспечивает высокого качества.

При автоматической сварке соединение образуется в основном за счет расплавленного металла соединяемых частей, а при ручной сварке – за счет металла электрода.

Сварные соединения широко применяются в машиностроении, где они практически вытеснили клепаные. Сварку используют в единичном и мелкосерийном производстве для получения заготовок из проката, выполнения рам, станин, корпусов механических передач, шкивов, зубчатых колес и т.д.

Основные типы сварных соединений – стыковые, нахлесточные и тавровые.

Стыковые соединения – наиболее совершенные из всех сварных соединений. Они просты, надежны; составная деталь получается близкой к цельной как по форме, так и по прочности.

Расчет швов стыковых соединений (см. рис. 3.1) производится на растяжение:

, (3.1)

и на изгиб:

, (3.2)

где δ – толщина шва, принимаемая равной толщине детали;

l_ш – длина шва;

[σ'] – допускаемые напряжения растяжения для шва, примерно равные таковым для материала детали.

Нахлесточные соединения (рис. 3.2) выполняют угловыми швами, чаще всего нормальными (рис. 3.3, а), с равнобедренным профилем сечения и вогнутыми (рис. 3.3, б), с плавным переходом, снижающим концентрацию напряжений.

Угловые швы бывают лобовые (рис. 3.2, а), фланговые (рис. 3.2, б) и комбинированные (рис. 3.2, в), состоящие из лобовых и фланговых швов.

За катет шва k обычно принимают толщину δ свариваемых деталей.

Из рис. 3.2 видно, что для лобовых швов l_ш = 2l_л, фланговых – l_ш = 2l_фл, а для комбинированных l_ш равна сумме длин лобовых и фланговых швов в каждом конкретном случае.

Рис. 3.2. Нахлесточные соединения угловыми швами:

а – лобовые; б – фланговые; в – комбинированные

Угловые швы считают на срез по опасному сечению 1 – 1 (рис. 3.3). Как правило, высота h = 0,7k. При действии растягивающей силы F шов работает на срез, расчетные напряжения при этом

, (3.3)

где [τ'] – расчетное допускаемое напряжение среза для шва, для автоматической и ручной сварки [τ'] соответственно 0,8 и 0,6 от [τ] основного материала;

l_ш – расчетная длина шва.

Тавровые соединения – свариваемые элементы расположены перпендикулярно друг к другу (в виде буквы Т) (рис. 3.4). Тавровое соединение может быть выполнено как угловыми (рис. 3.4, а), так и стыковыми (рис. 3.4, б) швами. Расчет на прочность стыковых и угловых швов изложен выше.

Рис. 3.3. Угловые швы: а – нормальные; б – вогнутые

Рис. 3.4. Тавровые соединения:

а – угловыми швами; б – стыковыми швами

Заметим, что длина сварного шва обычно делается не менее 30 мм из-за дефектов на концах швов. В нахлесточных швах перекрытие между швами принимают не менее 4δ (см. рис. 3.2, а). Лобовые швы не ограничиваются по длине, так как теоретически они нагружены равномерно. Фланговые же швы нагружены неравномерно, так как один свариваемый элемент здесь жестче другого. Поэтому длина их ограничена: l_фл ≤ 50k (см. рис. 3.2, б).