Глава XI Технологичность

сварных соединений

1. ПОНЯТИЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ

При проектировании сварных загото­вок следует учитывать требования к тех­нологичности их изготовления. Под тех­нологичностью понимают выбор такого конструктивного оформления заготовок, которое обеспечивает удобство и простоту изготовления любыми видами сварки и при различных режимах; автоматизацию и механизацию максимального числа опера­ций технологического процесса; низкую себестоимость процесса сварки за счет экономии сварочных материалов; повы­шения производительности и высокого уровня механизации; сведения к миниму­му искажений формы, вызываемых тепло­вым и механическим воздействиями при сварке.

Технологичность обеспечивается вы­бором металла, формы свариваемых эле­ментов и типа соединения, способа и ви­дов сварки и мероприятий по уменьшению сварочных деформаций и напряжений.

2. ВЫБОР МЕТАЛЛА

При выборе металла для сварных заго­товок необходимо учитывать не только его эксплуатационные свойства, но и его свариваемость или возможность примене­ния технологических мероприятий, обес­печивающих хорошую свариваемость.

Для получения сварных соединений, равноценных по работоспособности ос­новному металлу, при конструировании сварных заготовок следует по возможно­сти выбирать хорошо свариваемые метал­лы. К таким металлам относятся спокой­ные низкоуглеродистые стали и многие низколегированные стали, ряд сплавов цветных металлов, применение которых не ограничивается какими-либо требова­ниями к виду и режимам сварки.

При применении в связи с эксплуата­ционной необходимостью металлов с по­ниженной свариваемостью проектировать конструкции следует с учетом этого свой­ства. Для сведения к минимуму неблаго­приятных изменений свойств металла сварного соединения и исключения в нем дефектов необходимо применять виды и режимы сварки, оказывающие минималь­ное термическое и другие воздействия на металл, и проводить технологические ме­роприятия (подогрев, искусственное ох­лаждение и др.), снижающие влияние на него сварочных воздействий. Термическая обработка после сварки (нормализация, закалка с отпуском и др.) может в значи­тельной степени устранять неоднород­ность свойств в сварных заготовках. Прочность зоны сварного соединения мо­жет быть повышена механической обра­боткой после сварки: прокаткой, проков­кой и др.

Проведение этих мероприятий во мно­гом зависит от габаритных размеров и конструктивного оформления сварных заготовок. Для сложных заготовок с эле­ментами больших толщин и размеров при наличии криволинейных швов в различ­ных пространственных положениях мож­но применять только хорошо свариваемые металлы.

Для простых малогабаритных узлов возможно применение металлов с пони­женной свариваемостью, поскольку при их изготовлении используют самые опти­мальные с точки зрения свариваемости виды сварки, например электронно­лучевую или диффузионную в вакууме. При этом легко осуществить все необхо­димые технологические мероприятия и требуемую термическую или механиче­скую обработку после сварки.

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

289

3. ВЫБОР ТИПА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Тип сварного соединения определяют взаимным расположением свариваемых элементов и формой подготовки (разделки) их кромок под сварку (рис. 5.57). По пер­вому признаку различают четыре основных типа сварных соединений: стыковые, тав­ровые, нахлесточные и угловые. Кромки разделывают в целях полного провара заго­товок по сечению, что является одним из условий равнопрочности сварного соеди­нения с основным металлом. Форму и раз­меры элементов разделки (угол, притупле­ние и зазоры) назначают исходя из условий проплавления, обеспечения формирования корня шва (без непроваров и прожогов) и минимального объема наплавленного ме­талла (см. рис. 5.57).

Тип сварного соединения наряду с об­щими конструктивными соображениями выбирают с учетом обеспечения равно­прочное™ соединения с основным метал­лом и технологичности. Выбор разделки кромок зависит от толщины металла, его теплофизических свойств и вида сварки.

Стыковые соединения элементов пло­ских и пространственных заготовок наи­более распространены. Соединения имеют высокую прочность при статических и динамических нагрузках. Их выполняют практически всеми видами сварки плавле­нием и многими видами сварки давлени­ем. Некоторая сложность применения сварки с повышенной тепловой мощно­стью (автоматической под флюсом, плаз­менной струей) связана с формированием корня шва. В этом случае для устранения сквозного прожога при конструировании соединений необходимо предусматривать съемные или остающиеся подкладки. Дру­гой путь - применение двусторонней сварки, однако при этом необходимы кан­товка заготовки и свободный подход к корневой части сварного соединения. При сварке элементов различных толщин кромку более толстого элемента выпол­няют со скосом для уравновешивания

10 - 9503

толщин, что обеспечивает одинаковый нагрев кромок и исключает прожоги в бо­лее тонком элементе. Кроме того, такая форма соединения работоспособнее вследствие равномерного распределения деформаций и напряжений.

Тавровые соединения широко приме­няют при изготовлении пространственных заготовок. Соединения с односторонней и двусторонней разделками кромок, выпол­ненные с полным проваром, имеют высо­кую прочность при любых нагрузках. Тав­ровые соединения выполняют всеми ви­дами сварки плавлением. Сварку давлени­ем для тавровых соединений применяют редко (приварка стержня к пластине сты­ковой контактной сваркой оплавлением и сваркой трением и т.п.).

Нахлесточные соединения часто при­меняют для сварки листовых заготовок при необходимости простой подготовки и сборки под сварку. Эти соединения, вы­полненные сваркой плавлением, менее прочны по сравнению со стыковыми со­единениями. Они неэкономичны вследст­вие перерасхода основного металла, обу­словленного наличием перекрытия свари­ваемых элементов и наплавленного метал­ла в связи с выполнением двух угловых швов. В то же время нахлесточное соеди­нение - основное соединение тонколисто­вых элементов при сварке давлением, осо­бенно при контактной точечной и шовной сварке. В данном случае оно наиболее тех­нологично, так как удобно для двусторон­него и одностороннего подводов электро­дов перпендикулярно к поверхности ме­талла. Точечные соединения часто играют роль связующих соединений и рабочих усилий не передают (точечные соединения сварных профилей при нагружении про­дольным усилием, соединения обшивок с каркасами и т.д.). Шовные соединения, как правило, несут рабочие нагрузки, но их прочность меньше, чем стыковых, выпол­ненных сваркой плавлением. Это обуслов­лено дополнительным изгибом при осевом нагружении и концентрацией напряжений вследствие зазора между элементами.

_Ш1

Ручная дуговая

Автоматическая под флюсом

Электронно­лучевая

стыковая

Кон

т

*§

у-«Г60^ь

0=

=20+60

=2+20

5-20

45°

0=

1=20+60

0=1+100

'■ © о

СЧ

t

Ю

e

ЭЕ

LKsfcsxl-

₁

С=

_I

П u

I U-7.+12

| 10=12+30

30

t * 10=2+20

С

_□

10=2+20

1^=20+60

0=5+20

0=1+10

_H

=5+60

0=5+60

_tO2-80

Рис. 5.57. Типы сварных соединений, применяемых при основных способах сварки

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

291

Угловые соединения, как правило, вы­полняют в качестве связующих. Они не предназначены для передачи рабочих уси­лий. Их выполняют всеми видами сварки плавлением.

4. ВЫБОР ФОРМЫ СВАРИВАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Сварные заготовки изготовляют из проката: листа, труб, профилей, а также из литых, кованых и штампованных элемен­тов. При конструировании размеры и форму свариваемых элементов с точки зрения их технологичности следует выби­рать исходя из применения высокопроиз­водительных автоматических способов сварки; выполнения сварки в нижнем по­ложении; свободного доступа к лицевой и корневой частям шва; проведения при не­обходимости подогрева (или охлаждения) и последующей термической или механи­ческой обработки; сведения к минимуму длины сварных швов и массы основного и наплавленного металлов и т.д.

Указанным рекомендациям соответст­вуют элементы простой геометрической формы: прямолинейные, цилиндрические, конические и полусферические с длинны­ми прямыми и замкнутыми кольцевыми стыковыми и тавровыми соединениями. При выборе сортамента материалов для изготовления элементов предпочтительнее прокатные, гнутые или штампованные профили и оболочки, тонкий лист и тон­костенные трубы и их сочетания.

5. ВЫБОР СПОСОБА И ВИДА СВАРКИ

Способ и вид сварки выбирают исходя из размера и формы соединяемых загото­вок; расположения швов в сварном соеди­нении; физико-химических свойств соеди­няемых материалов; возможности механи­зации и автоматизации процесса сварки. Так, для сварки листовых конструкций из сталей всех марок и некоторых цветных сплавов широко применяют дуговую и

10*

электрошлаковую сварку. Для получения стыковых соединений заготовок компакт­ных, полых и развитых сечений из сталей и цветных металлов применяют контактную стыковую сварку. В производстве тонколи­стовых конструкций из сталей и цветных металлов для нахлесточных соединений наиболее распространены точечная и шовная контактная сварка. В том случае, когда желательно ограничить температуру нагрева материала в зоне соединения, применяют ультразвуковую сварку.

6. ВЫБОР СПОСОБА УМЕНЬШЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

При проектировании сварных загото­вок необходимо предусматривать конст­руктивные и технологические мероприя­тия по устранению или уменьшению де­формаций и напряжений. Суммирование внешних сварочных деформаций в от­дельных точках приводит к перемещениям в сварных изделиях. Последние снижают точность размеров заготовки и требуют назначения больших припусков на меха­ническую обработку.

Сварочные деформации и напряжения возникают вследствие локальной пласти­ческой деформации отдельных зон свар­ного соединения из-за неравномерного разогрева при сварке. Металл в зоне мак­симального нагрева (шов и зона термиче­ского влияния), претерпевший пластиче­скую деформацию сжатия при нагреве, после полного охлаждения получает оста­точное укорочение. Это укорочение при­водит к изменению формы и размеров всей сварной заготовки. Абсолютное уко­рочение (ААВ и ADC) линейных элементов (АВ и DC) пропорционально их длине в зоне пластической деформации (ABCD) (рис. 5.58, а, б). В соответствии с этим основные закономерности процесса разви­тия перемещений в сварных изделиях сво­дятся к следующему: 1) абсолютное уко­рочение возрастает с увеличением зоны пластической деформации, т.е. с увеличе-

292

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

^«|>и-|«_

Рис. 5.58. Схема образования внешних сварочных деформаций

нием объема наплавленного металла и зоны разогрева заготовки; 2) при симмет­ричном размещении наплавленного ме­талла относительно центра тяжести сече­ния (ц. т.) свариваемых элементов изме­няются только размеры последних, т.е. происходит поперечная (А_п) и продольная (A„p) усадки (см. рис. 5.58, в; 5.59, а), 3) при несимметричном расположении наплавленного металла относительно цен­тра тяжести сечения также изменяется форма свариваемых заготовок, т.е. проис­ходит перемещение угловое а и изгиба / (см. рис. 5.58, б; 5.59, в; 5.60, а); 4) пере­мещение определяется, с одной стороны, остаточным укорочением, с другой, - со­противлением сварной заготовки дефор­мации растяжения (сжатия), изгиба или кручения, т.е. соответствующей ее жест­костью.

С^Ш-^з

«)

Рис. 5.59. Усадка и угловая деформация свар­ных заготовок и способы их устранения: а, б- продольная и поперечная усадки; в - к - угловая деформация

Эффект укорочения металла в зоне пластических деформаций в ряде случаев может быть представлен как сжимающее действие некоторой фиктивной усадочной силы Р_ус. Это позволяет рассчитывать сва­рочные перемещения методами сопротив­ления материалов. Усадочную силу опре­деляют количественно как произведение площади зоны пластической деформации в поперечном сечении соединения на пре­дел текучести металла этой зоны.

Мероприятия, уменьшающие переме­щения в сварных изделиях, направлены на снижение остаточного укорочения и уст-

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

293

Поперечную и продольную усадки свар­ных заготовок (рис. 5.59, а) можно скомпен­сировать увеличением размеров заготовки под сварку на величину предполагаемой де­формации; уменьшить сваркой обратно-ступенчатым способом (рис. 5.59, б; 1-6 -последовательность сварки). Угловое переме­щение (рис. 5.59, в, и) может быть устранено или снижено предварительным угловым изги­бом заготовок перед сваркой (рис. 5.59, г); уменьшением сечения шва заменой V-образ-ной разделки на U-образную (рис. 5.59, д, е); симметричным размещением наплавленного металла относительно центра тяжести сече­ния шва заменой V-образной разделки на Х-образную (рис. 5.59, ж); жестким закреп­лением свариваемых элементов при сварке (рис. 5.59, з) или применением ребер жест­кости (рис. 5.59, к).

Перемещение изгиба (рис. 5.60, а) можно исключить предварительным об­ратным прогибом балки перед сваркой (рис. 5.60, б); рациональной последова­тельностью укладки швов относительно центра тяжести сечения сварной балки (рис. 5.60, в), в случае несимметричной двутавровой балки вначале сваривают швы 1 и 2, расположенные ближе к центру

г)

Рис. 5.60. Деформация изгиба сварных загото­вок и способы ее устранения

тяжести, а затем швы 3 и 4; термической (горячей) или холодной правкой.

При термической правке газовым пла­менем или дугой неплавящегося электрода нагревают до термопластического состоя­ния те зоны сварной заготовки, сокраще­ние которых необходимо для исправления перемещений заготовки.

Разогретые зоны претерпевают пласти­ческую деформацию сжатия, а после ох­лаждения - остаточное укорочение. По­следнее обусловливает дополнительное перемещение сварной заготовки, противо­положное по знаку первоначальному. По­добное перемещение можно также полу­чить, если наложить в указанных зонах холостые сварные швы.

Холодная правка выполняется проков­кой или прокаткой сварных швов, претер­певших укорочение в результате свароч­ной усадки. Воздействие на швы должно привести к пластическому удлинению швов, равному сварочной усадке. Холод­ная правка наиболее эффективна для тон­колистовых сварных заготовок, поскольку пластическая деформация удлинения должна распространяться на всю толщину сварного шва.

Остаточные сварочные напряжения представляют собой систему внутренних сил, находящихся в равновесии. При на­рушении этого равновесия напряжения перераспределяются, что сопровождается упругими и пластическими деформациями в дополнение к сварочным деформациям, полученным ранее в процессе сварки. По­этому при механической обработке (точе­нии, фрезеровании, сверлении) сварных заготовок часто невозможно добиться вы­сокой точности их размеров.

Для предупреждения возникновения высоких сварочных напряжений не следу­ет допускать скопления сварных швов и пересечений их друг с другом, рекоменду­ется использовать способы сварки, обес­печивающие минимальный разогрев заго-

294

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

товок. Для снятия напряжений применяют высокий отпуск сварных заготовок, а так­же прокатку или проковку сварных швов. Другие способы уменьшения напряжений рассмотрены в разд. 5, гл. VIII, п. 1.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Каковы требования технологичности к конструкциям сварных заготовок и узлов?

2. Что необходимо учитывать при проекти­ровании технологичных конструкций сварных заготовок и узлов?

3. По каким критериям выбирают форму свариваемых элементов и тип сварного соеди­нения?

4. Какие конструктивные и технологиче­ ские мероприятия применяют для уменьшения сварочных деформаций и напряжений?

5. По каким критериям выбирают способ и вид сварки?

РАЗДЕЛД МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА U ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН