Классификация сварных конструкций

Лекция 4.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОСТВО СВАРНЫХ ЗАГОТОВОК.

ЗАГОТОВКИ, ПОЛУЧАЕМЫЕ МЕТОДАМИ ПОРОШКОВОЙ

МЕТАЛЛУРГИИ. ЗАГОТОВКИ ИЗ ПЛАСТМАСС

 

1. Классификация сварных конструкций

2. Технологические особенности изготовления заготовок сваркой

3. Проектирование сварных заготовок

4. Технологичность сварных и комбинированных заготовок

5. Заготовки, получаемые методами порошковой металлургии

6. Заготовки их пластмасс

Классификация сварных конструкций

Сварные заготовки состоят из отдельных частей, выполненных с применением различных технологических процессов и из различ­ных материалов. Заготовки целесообразно расчленять на состав­ные части с последующей их сваркой, если изготовление их цель­ными связано с большими производственными трудностями (от­сутствие оборудования, усложнение механической обработки, боль­шой процент брака) или особо тяжелыми условиями работы отдельных частей готовой детали, требующих применение дорогих и дефицитных материалов.

В связи с уменьшением толщины стенок и упрощением конст­рукции сварные заготовки дают экономию металла до 30–60 % по сравнению с литыми. Кроме того, капитальные затраты литейных цехов значительно превосходят затраты на сварочное оборудова­ние. Так, удельные капитальные вложения на 1 т сварных заготовок примерно в три раза меньше, чем на 1 т стального литья. Упроще­ние технологии изготовления сварных конструкций по сравнению с литьем, ковкой или штамповкой ведет к сокращению сроков освое­ния производства, снижению трудоемкости и себестоимости изго­товления заготовок.

Сварные конструкции классифицируют по методу получения ис­ходных заготовок (листовые, лито-сварные, ковано-сварные, штам­по-сварные), по целевому назначению (вагонные, судовые, авиаци­онные и т. д.), по толщине свариваемых элементов (тонкостенные и толстостенные) или по применяемым материалам (стальные, алюминиевые, титановые и др.). В зависимости от характерных особенностей работы выделяют следующие типы сварных элемен­тов и конструкций: балки, колонны, оболочковые конструкции, кор­пусные транспортные конструкции и детали машин и приборов.

Балки и колонны – это конструктивные элементы, работающие в основном на поперечный изгиб или сжатие. Они состоят в основ­ном из листовых элементов, свариваемых, как правило, автомати­ческой сваркой под флюсом. Обработке резанием после сварки они практически не подвергаются.

Оболочковые конструкции представляют собой емкости, сосу­ды, трубы, к которым предъявляются требование герметичности при избыточном давлении. Крупные емкости: резервуары для хра­нения нефтепродуктов, газгольдеры, корпусы печей и т. п. – соби­раются на месте монтажа из листовых полотнищ или секций. Свар­ка ведется, как правило, встык под флюсом сварочными тракто­рами.

К корпусным транспортным конструкциям относятся корпуса судов, вагонов, кузова автомобилей. Они представляют собой про­странственную конструкцию из плоских или изогнутых листовых элементов. Корпуса вагонов и судов имеют решетчатую основу, к которой крепится листовая обшивка. Для этой группы деталей в широких масштабах применяются автоматическая дуговая и кон­тактная сварки. Большое число пересекающихся элементов услож­няет технологию сварки. Возникающие сварочные напряжения тех­нологически не снимаются.

Детали машин и приборов имеют разнообразные формы и раз­меры. Это могут быть станины, валы и колеса, корпуса приборов, тяги, шатуны и т. п. Элементы сварных заготовок деталей машин изготавливаются из разнообразных материалов при толщине от де­сятых долей миллиметра до 100 мм и более. Поэтому в различных случаях применяют разные способы сварки. Практически все свар­ные заготовки перед окончательной механической обработкой про­ходят термообработку для снятия остаточных напряжений.

 

2. Технологические особенности изготовления заготовок сваркой

Высокая эффективность современных процессов сварки, обеспечивающая их конкурентоспособность при изготовлении комбини­рованных (штампо-сварных и сварно-литых) и сварных из проката заготовок, является действенным средством снижения металло­емкости машиностроительных конструкций.

Дуговая сварка (ручная, полуавтоматическая и автоматическая) является наиболее распространенным способом сварки. Ручная сварка применяется для сварки швов небольшого размера; за один проход без предварительной разделки кромок она позволяет сва­ривать детали толщиной 4–8 мм. Автоматическая сварка может вестись одним или несколькими электродами под слоем флюса, в среде защитных газов (аргона, гелия, углекислого газа) или самозащитной проволокой. При этом резко повышается толщина сва­риваемых деталей (до 15 мм без разделки кромок) и производи­тельность сварки (в 6–8 раз по сравнению с ручной сваркой). Свар­ка в углекислом газе углеродистых и низколегированных сталей характеризуется стабильностью режима сварки, хорошим форми­рованием сварного шва, высоким качеством соединения. Произво­дительность полуавтоматической сварки примерно в 2–4 раза вы­ше, чем ручной.

Контактная сварка (стыковая, точечная, шовная) отличается высокой производительностью и экономичностью. Ею хорошо сва­риваются углеродистые, низколегированные и некоторые коррози­онно-стойкие стали, а также алюминий, титан и их сплавы.

При стыковой сварке заготовки свариваются по всей поверх­ности их касания. Можно сваривать стальные стержни, рельсы, прутки, трубы, прокат сечением до 10 000 мм², а также прутки, трубы, прокат, штамповки из цветных металлов сечением до 4 000 мм². Точечной сваркой соединяют листовые заготовки вна­хлест в отдельных местах (точками). Точечной сваркой сваривают заготовки (листы, прутки, швеллеры, уголки и т. п.) одинаковой или разной толщины от сотых долей миллиметра до 30 мм. Шов­ной сваркой сваривают внахлест листовые заготовки непрерывным плотнопрочным швом (кузов автомобиля, герметичные емкости и т. п.).

Сварка трением взамен контактной в 2–4 раза уменьшает при­пуски и в 1,5–2 раза брак. При применении сварки трением по­лучают существенную экономию материалов. Так, гладкие и резь­бовые калибры (пробки) ранее изготавливались из дорогой стали ШХ15 методом ковки в несколько переходов (рис. 4.1, а). После внедрения сварки трением хвостовик из стали 45 приваривается к рабочей части из стали ШХ15 (рис. 4.1, б). Валики центров точи­лись из прутка (рис. 4.2, а). Внедрение сварки трением (рис. 4.2, б) увеличило число операций: отрезка двух прутков и сварка, но за­то в общем сократило затраты рабочего времени и значительно уменьшило расход инструментальной стали. Изготовление штампо­сварных заготовок клапанов двигателей внутреннего сгорания по­зволило резко сократить расход жаропрочной стали и упростить горячую штамповку (рис. 4.3).

 

Рис. 4.1. Изготовление калибров по старой технологии (а) и с применением сварки трением (б)

Рис. 4.2. Изготовление валиков вра- щающихся центров по старой технологии (а) и с применением сварки рением (б)

 

Рис. 4.3. Изготовление клапанов по старой технологии (а) и с применением сварки трением (б)

 

Электрошлаковая сварка при производстве толстостенных (до 1 м и более) сварных конструкций в тяжелом машиностроении обеспечивает высокую экономическую эффективность: съем про­дукции с 1 м² производственной площади увеличивается в 2 раза, цикл производства уменьшается в 1,5...2 раза, экономится металл, снижается расход электроэнергии в 1.5...2 раза, а флюса – в 20... 40 раз, отпадает необходимость в предварительной разделке кро­мок, снижается себестоимость.

Электронно-лучевая сварка позволяет получать сварные соеди­нения из окончательно обработанных деталей без их существенных деформаций (например, блоки зубчатых колес взамен крупных по­ковок). Электронно-лучевая сварка гарантирует высокое качество сварного соединения деталей из тугоплавких металлов, жаропроч­ных, жаростойких и других материалов со скоростью, не уступаю­щей дуговой сварке.

Диффузионная сварка позволяет соединять разнородные мате­риалы, в том числе тугоплавкие металлы и неметаллические ма­териалы с металлами, сваривать детали разной толщины; обеспе­чивать равнопрочность основного металла и сварного соединения. В процессе сварки исключается неблагоприятное влияние метал­лургических и ряда термических факторов. Диффузионная сварка применяется при изготовлении резцов, угольников, магнитов, микрометров с пяткой из твердых сплавов, дисков газовых турбин.

При производстве заготовок ограниченно применяют также га­зовую, плазменную, ультразвуковую, лазерную и другие сварки. В изделиях сложной геометрической формы (телескопические сое­динения трубчатых элементов, сотовые конструкции и т.п.), при изготовлении которых наложение сварных швов оказалось бы за­труднительным, целесообразно применять пайку.

Многообразие способов сварки и пайки, а также конструктив­ных и производственно-технологических факторов, влияющих на возможность их применения, требует тщательного технико-эконо­мического обоснования выбора способа сварки.

 

3. Проектирование сварных заготовок

Методика проектирования сварных заготовок

Проектирование сварных заготовок производится с учетом обес­печения прочности (в частности, усталостной прочности, сопротив­ления хрупкому разрушению) и технологичности свар­ного соединения. На стадии проектирования необходимо также продумать последовательность сборочно-сварочных операций, оце­нить ожидаемые сварочные деформации (коробление) и точность размеров и конфигурации сварной заготовки после механической обработки.

Таким образом, на первом этапе на основании чертежа готовой детали производится общий анализ ее конструкции, материала, тех­нологичности и оценивается возможность получения заготовки сваркой. После этого выбирают оптимальный в данном случае спо­соб сварки.

Выбор способа сварки определяется конструкцией детали в зо­не сварки, ее габаритами, степенью ответственности сварного со­единения и технологическими возможностями процесса сварки. Одновременно со способом выбора сварки обычно назнача­ют тип сварного соединения.

Затем производится разбивка заготовки на свариваемые части. Выбор места деления заготовки производится с учетом двух точек зрения. С одной стороны, в результате деления должны образовы­ваться элементы (исходные заготовки), технологичные для изго­товления литьем или обработкой давлением. С другой стороны, зо­на сварки должна быть удобной для выбранного способа сварки, доступной для сварочного инструмента, присадочных материалов и обеспечивать провар сварного соединения на всю глубину. Осо­бое внимание при выборе места сварки следует уделить расположению сварных швов вне зоны действия значительных внешних на­грузок.

Зная конструктивные размеры зоны сварки и способ сварки, по соответствующим стандартам назначают тип сварного шва.

Проектирование свариваемых частей производится на следую­щем этапе. Если исходной заготовкой является отливка или поков­ка, то ее проектирование производится в соответствии с указания­ми, относящимися к данным заготовкам. Если исходная заготовка – прокат, то проектирование сводится к выбору его оптимальных размеров и определению разделки кромок в соответствии с выбранным типом сварного шва. В случае необходимости на исходных заготовках предусматриваются сборочные и фиксирующие элементы, а также припуски для механической обработки после сварки.

Ввиду жесткой связи между прочностью сварной конструкции, формой сварного соединения и технологией сварки разработка кон­струкции заготовки должна вестись одновременно с проработкой технологии ее изготовления.

Оформление чертежа сварной заготовки выполняется в соот­ветствии с принятыми правилами. На чертеже заготовку представ­ляют в таком виде, в каком она должна быть после сварки (рис. 4.4). Чертеж должен содержать: изображение заготовки с проекциями, сечениями и разрезами в количествах, необходимых для полного понимания устройства; габаритные, установочные и присоединительные размеры; номера позиций составных частей; данные о материале заготовки и т. д. Все сварные швы должны иметь условные обозначения в соответствии с требованиями ГОСТ 2.312–72.

Рис. 4.4. Пример оформления чертежа сварной заготовки

 

В технических условиях чертежа указываются требования к ка­честву материала или сведения о его заменителе; сварочные мате­риалы (если это необходимо); контрольные операции. Дополните­льно могут указываться допустимые дефекты, основания для бра­ковки, способы исправления брака, специальные испытания сварных соединений.

Пример проектирования сварной заготовки

Необходимо спроектировать сварную заготовку для детали, пред­ставленной на рис. 2.11. Материал детали – сталь 40Х, масса – 10,1 кг, годовая программа выпуска – 5 000 шт.

Для повышения технологичности изготовления составных час­тей сварной заготовки желательно изготавливать отдельно фланец и хвостик. Ввиду достаточно большого размера программы выпус­ка и кольцевой формы сварного шва оптимальным способом свар­ки в данном случае может служить механизированная дуговая сварка.

Для дуговой сварки наиболее технологично стыковое сварное соединение, поэтому линию раздела проводим на расстоянии 12 мм от торца Ø 135 мм. Поскольку наружный диаметр в зоне сварки менее 80 мм, применение сварки под флюсом невозможно. С уче­том технологических соображений выбираем полуавтоматическую аргонно-дуговую сварку сварочной проволокой Св-18ХМА. По ГОСТ 14771-76 выбираем тип сварного шва (СВ), обеспечиваю­щий полный провар сварного соединения при односторонней мно­гопроходной сварке.

Левая часть заготовки (фланец) проектируется как поковка, получаемая на КГШП. Правая часть заготовки (хвостик) представляет собой трубу 76х18 (ГОСТ 8732-78) длиной 148 мм. На торце трубы выполняется разделка кромок в соответствии с размерами шва С8 по ГОСТ 14771-76. Зная конфигурацию и размеры исходных частей заготовки, оформляем ее чертеж (рис. 4.5). Расчетная масса заготовки – 12,4 кг.

 

 

Рис. 4.5. Чертеж сварной заготовки детали (см. рис. 2.11)

 

4. Технологичность сварных и комбинированных заготовок

Свариваемость металлов

Совокупность технологических характеристик основного метал­ла, обеспечивающая возможность при принятом технологическом процессе создавать надежное в эксплуатации и экономичное свар­ное соединение, называют свариваемостью. Свариваемость не яв­ляется неотъемлемым свойством металла, т. к. определяется также способом и режимом сварки. Практически под хорошей сваривае­мостью понимается возможность при обычной технологии получить сварное соединение, равнопрочное с основным металлом, без тре­щин и без снижения пластичности в околошовной зоне.

Установить общие критерии свариваемости для всех металлов и сплавов невозможно. В настоящее время классифицируются по свариваемости только стали. В зависимости от содержания углеро­да и легирующих элементов стали делятся на хорошо, удовлетво­рительно, ограниченно и плохо сваривающиеся.

Хорошо сваривающиеся стали (Ст3, 10, 15НМ, 12Х18Н9Т) без труда образуют сварные соединения по обычной технологии. Для сварки удовлетворительно сваривающихся сталей (БСт5, 30, 35, 15ХСНД, 12Х14А) необходим предварительный подогрев и после­дующая термообработка. Ограниченно сваривающиеся стали (Ст6, БСт6, 40, 50, 30ХГСА, 5ХНМ) в обычных условиях сварки склонны к образованию трещин. Перед сваркой их чаще всего подвергают термообработке и подогревают. Для большинства сталей необходи­ма также термообработка после сварки. Сварку плохо свариваю­щихся сталей (60Г, 50ХГА, 85, У8, У10А, Р18, Х12, 3Х2В8Ф) вы­полняют с обязательной термообработкой, подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

Обеспечение технологичности сварных и комбинированных заготовок

Технологичность обеспечивается выбором материала заготовки, типа сварного соединения, конструкции свариваемых элементов, вида сварки и технологии сварки.

При выборе материала заготовки следует учитывать не только его эксплуатационные свойства, но и его свариваемость. Сварка материала не должна ухудшить работу сварной конструкции в ре­альных условиях эксплуатации. Например, если конструкция ра­ботает при низких температурах, то материал заготовки должен обеспечить после сварки металлу сварного шва и околошовной зо­ны порог хладноломкости ниже предполагаемой температуры эксплуатации сварного изделия. Если стремления выбрать материал с наилучшими эксплуатационными характеристиками и хорошей свариваемостью вступают в противоречие, то следует выбрать комп­ромиссный вариант с возможно меньшей стоимостью материала. Необходимо также помнить, что термообработка до или после свар­ки и нагрев перед сваркой могут существенно улучшить сваривае­мость материалов.

Типы сварных соединений, подготовка свариваемых частей к сварке (разделка кромок) зависят от способа сварки, толщины де­талей и других факторов. Наиболее просты и технологичны при способах сварки плавлением стыковые швы (рис. 4.6, а). Если толщина деталей велика, применяют двухстороннюю сварку. Тав­ровые и угловые соединения характерны для изготовления прост­ранственных конструкций. Если габариты позволяют поворачивать конструкцию в удобное для сварки (нижнее) положение, такие швы также достаточно технологичны для способов сварки плав­лением.

Нахлесточные соединения чаще всего применяют для сварки листовых заготовок. Наиболее технологично сваривать их контактной сваркой. Нахлесточные соединения, выполненные сваркой плав­лением (рис. 4.6, б), по сравнению со стыковыми соединениями ме­нее прочны и менее экономичны.

Выбор конструкции свариваемых элементов производится, ис­ходя из толщины этих элементов, их взаимного расположения, сво­бодного доступа к лицевой и корневой частям шва, стремления свес­ти к минимуму длину сварных швов.

Рис. 4.6. Технологичные (а, в, г, д, е) и нетехнологичные (б) конструкции,