5.2 Конструктивно-технологические характеристики сварных соединений
Сварные металлические
конструкции находят применение
практически во всех отраслях хозяйства
страны. Экономичность их изготовления
является основополагающим фактором,
обеспечивающим их приоритетное применение
по сравнению с литыми, коваными и
штампованными конструкциями.
по способу получения
заготовок (листовые, литосварные,
кованосварные, штампосварные);
целевому назначению
(авиационные, автомобильные, судовые и
др.);
характерным
особенностям их работы (балки, рамы,
фермы, емкости, сосуды, работающие под
давлением, трубы и трубопроводы, корпусные
конструкции и т.п.).
В соответствии с
последним признаком выделяют следующие
типы сварных конструкций.
Балки–
конструктивные элементы, работающие в
основном на поперечный изгиб; жестко
соединенные между собой балки образуют
рамные конструкции.
Колонны–
элементы, работающие преимущественно
на сжатие или сжатие с продольным
изгибом.
Решетчатые
конструкции– система стержней,
соединенных в узлах таким образом, что
они испытывают главным образом растяжения
или сжатие; к решетчатым конструкциям
относятся фермы, мачты, каркасы, арматурные
сетки.
Конструкции,
испытывающие избыточное давление–
конструкции, к которым предъявляются
требования герметичности соединений;
к этому типу конструкций относятся
различные емкости, сосуды, трубопроводы.
Корпусные
транспортные конструкции– конструкции,
подвергающиеся динамическим нагрузкам,
поэтому к ним предъявляются требования
высокой жесткости при минимальной
массе (основанные конструкции данного
типа – кузова автомобилей, корпуса
судов, вагонов и др.).
Детали машин и
аппаратовработают преимущественно
при переменных, многократно повторяющихся
нагрузках, поэтому характерным требованиям
для них является получение точных
размеров за счет главным образом
механической обработки заготовок или
готовых деталей (примеры таких конструкций
– станины, валы, колеса).
При изготовлении
сварных конструкций выполняют сварные
соединения различных видов (рис. 5.1).
Стыковое соединение- это сварное соединение двух элементов,
расположенных на одной поверхности или
в одной плоскости (рис. 5.1, а).
Соединение встыкявляется
наиболее распространенным типом
соединения. Такие соединение имеет
высокую прочность при статических
и динамических нагрузках и могут быть
выполнены практически всеми видами
сварки плавлением. Рациональная область
его применения — соединение листового
металла, а также уголковых профилей,
швеллеров и двутавровых балок.
Угловое соединение- это сварное соединение двух элементов,
расположенных под прямым углом и
сваренных в месте примыкания их краев
(рис.5.1, б). Угловые соединения обычно
являются связующими и не предназначены
для передачи расчетных нагрузок.
Рис.5.1 Типы
сварных соединений
Тавровое соединение- это сварное соединение, в котором к
боковой поверхности одного элемента
примыкает под прямым углом и приварен
торцом другой элемент (рис. 5.1, в).
Соединение в тавр применяют, например,
при производстве балок, стоек, колонн,
каркасов зданий и других пространственных
конструкций.
Тавровые соединения могут
быть без подготовки кромок и с подготовкой
кромок (т.е. с разделкой или, иначе, с
притуплением кромок). В соединениях без
подготовки кромок возможен непровар
корня шва. Поэтому такие соединения
плохо работают при переменных и ударных
нагрузках. Односторонний и двусторонний
скосы кромок обеспечивают полный провар
соединяемых элементов.
Нахлесточное
соединение– это соединение, в котором
свариваемые элементы расположены
параллельно и частично перекрывают
друг друга (рис. 5.1, г). Соединение
внахлестку применяют при сварке листовых
конструкций, разного рода обшивок,
строительных и крановых ферм и т.д. Такие
соединения менее прочны по сравнению
со стыковыми при переменных и ударных
нагрузках, не экономичны, так как наличие
перекрытия приводит к перерасходу
основного металла.
При соединении
деталей большой толщины перед сваркой
производится механическая обработка
их кромок – т.н. разделка (иначе,
притупление, или снятие фасок) — для
того, чтобы обеспечить проплавление
металла на всю толщину. С этой же целью
сварка деталей выполняется с определеннымизазорами, величина
которых выбирается с учетом толщины
деталей.
К конструктивным
элементам сварного шва стыкового
соединения (рис. 5.2, б) относятся: ширина
шва (е), усиление шва (g), усиление корня
шва (g1) (усиление шва — часть металла шва,
расположенная выше поверхностей
свариваемых деталей). К конструктивным
элементам угловых швов в тавровых и
нахлесточных соединениях относится
катет шва — К (рис. 5.2, в, г).
а- подготовленное
под сварку кромки соединяемых деталей,
б- вид соединения
после сварки
В зависимости от
положения в пространстве (рис. 5.2) швы
подразделяют на нижние (а), горизонтальные
(б), вертикальные (в) и потолочные (г)
(верхние).
По протяженности
различают непрерывные и прерывистые
швы. Непрерывный шов — это сварной шов
без промежутков по его длине, прерывистый
— с промежутками по длине. Прерывистые
швы, например, тавровых соединений
подразделяют на цепные и шахматные.
Цепной прерывистый шов — это двусторонний
прерывистый шов, у которого промежутки
расположены по обеим сторонам стенки
один против другого.
По числу слоев
сварные швы могут быть однослойными и
многослойными. Слой — это часть металла
сварного шва, которая состоит из одного
или нескольких валиков, располагающихся
на одном уровне поперечного сечения
шва. Валик — это металл, наплавленный
или переплавленный за один рабочий ход.
Рис.5.3 Положение
шва в пространстве
а- нижний шов, б-
горизонтальный шов, в- вертикальный
шов,
г- потолочный
шов
Свойства и особенности олова
Оловянные сплавы имеют малый коэффициент трения, из-за чего их используют в разнообразных антифрикционных материалов. Помимо этого, данным свойством они могут наделять и прочие вещества. Это значительно продлевает период эксплуатации механизмов, машин, значительно снижая потери на трение. К интересной особенности данного материала относится его увеличение объема на 25,6 % при температуре 13,2 °С. Этот металл называется серым.
Высокий интерес представляет данное вещество из-за своей хорошей коррозийной стойкости. Именно оловянное покрытие является древнейшим способом защиты разнообразных предметов из металлов, в том числе и консервных банок. Помимо этого, данный элемент имеет свойство объединять многие металлы с приданием им устойчивости к внешним воздействиям.
Это используется при лужении различной посуды и прочих бытовой утвари, а также электротехниками. Оловянно-свинцовые сплавы относятся к мягким компонентам, что удобно при пайке радиотехнических деталей. Эти припои могут иметь различное количество компонентов и соответствующее обозначение. К примеру, пос-61 означает, что оловянная составляющая имеет 61 %, а свинцовая – 39 %.
Человеческое тело содержит оловянные вещества в костях, где они помогают обновлению костной ткани. Для нормальной жизнедеятельности организму необходимо получать ежедневно порядка 2-10 мг металла в сутки. Этот макроэлемент содержится в принимаемой пище, однако усваивается всего лишь до 5 % от общего поступающего количества.
Температура плавления
Особую известность имеют соединения, использующиеся в качестве припоя радиолюбителями. Температура плавления в сплаве ПОС-40 составляет 235,0 °С. Содержащийся в припоях свинец является довольно мягким материалом, имеющий серый цвет со светлым оттенком. Он плавится при значении 327,0 °С, что делает его идеальной составляющей для олова. Припой ПОС-61 может плавиться при температуре 191,0 °С, чем весьма удобен для пайки небольших радиодеталей.
Специалисты знают, при какой температуре олово плавится. Данная величина составляет 231,9 °С, а при 231,0°С оно остается твердым. Температурный показатель кипения этого вещества намного выше – 2 600 градусов Цельсия. В зависимости от компонентов, входящих в состав оловянного сплава изменяется температурный показатель плавления.
Этот материал превосходно гнется даже в холодном состоянии, а нагреваясь, он начинает приобретать свойства пластилина. Температура плавления свинца и оловянной составляющей разнится, однако их сплавы обладают широким применением. При плавке применяются специальные флюсы, шлаки, а также присадки для получения необходимой степени качества и сорта металла.
Из-за его возможности расплавляться при низкой температуре он является стратегически важным сырьем. Сплавы с участием оловянного компонента очень легко обрабатываются и применяются при соединении конструктивных деталей и узлов с герметичным швом. К наиболее известным бытовым соединениям относятся припои, температура плавления в которых олова и свинца зависит от их количества.
3. Основы технологии и оборудование пайки
В
различных отраслях промышленности
широкое применение получила пайка.
Пайкой называется
процесс образования соединения с
межатомными связями путем нагрева
соединяемых материалов ниже температуры
их плавления, их смачивания припоем,
затекания припоя в зазор и последующей
его кристаллизации.
Припои
– это металлы и сплавы, имеющие более
низкую температуру плавления, вводимые
между соединяемыми основными материалами.
На рис. 3.1 показана конструкция паяного
соединения.
Рис.3.1 Конструкция
паяного соединения: 1,4 – соединяемые
основные материалы,
2 – паяный шов,
3- галтель (плавный переход припоя,
вышедшего за пределы
Применение и вторичная переработка
Главным достоинством, определяющим область применения оловянного вещества, является его высокая стойкость к коррозии. Это свойство оно передает и прочим металлам, участвующим в сплаве. Данная способность противодействия химически агрессивным веществам делает материал весьма ценным при защите стальных изделий. Тончайший слой покрывает практически половину всей производимой стальной жести.
Данный металл используется при производстве тонкостенных труб, которые применяются исключительно при положительных температурных показателях. К ограничению сферы применения относится низкая температура кристаллизации олова. Бытовые изделия содержат олово в сантехническом оборудовании, разнообразной фурнитуре и прочих аксессуарах.
Это вещество присутствует в домашней посуде, ювелирных украшениях, а также небольших элементах декора и быта. Это обусловлено хорошим плавлением материала при невысокой температуре, ковкости и мягкому цвету. Бронзовые сплавы имеют отличную прочность, а также высокую стойкость к коррозии. Это делает бронзу превосходным строительно-декоративным материалом.
Помимо припоев, которые удобно расплавлять в домашних условиях и промышленном производстве, сплавы применяются даже для производства музыкальных инструментов. Из различных сплавов отливаются церковные колокола и органные трубы. От количества составляющих элементов зависит тон изделий. Невысокая температура затвердевания материала и простота обработки позволяют изготавливать уникальные изделия музыкального направления.
Для вторичной переработки используют старые консервные жестяные баночки. Они имеют защитное оловянное покрытие с некоторыми примесями. Их количество для продуктовой тары имеет строгое ограничение. Величина оловянного состава при лужении жестяной баночки не должна превышать 0,14 %, а по свинцу данный показатель составляет 0,04 %.
Для безопасности здоровья дополнительно применяются специальные лаки, которые предохраняют металлическую основу от разрушения под воздействием соли, сахара, а также органических кислот. Средняя банка содержит порядка 0,5 г оловянного компонента. Для мировых масштабов это весьма внушительная цифра. Доля этого вторично использованного сырья в развитых государствах доходит до 30 %.
Олово используется практически во всех направлениях современного производства. Спустя тысячелетия после своего открытия, металл остается востребованным веществом, обладающим широким спектром уникальных свойств.
Соединяемых кромок. «а» — величина нахлестки паяного шва
Пайка является
родственным сварке и столь же древним
способом обработки материалов, вместе
с тем между ними есть принципиальные
отличия. Основное отличие пайки от
сварки плавлением состоит в том, что
при пайке не происходит расплавления
соединяемых кромок деталей; соединение
деталей достигается за счет припоя.
Общим для сварки плавлением и пайки
является образование соединения
через жидкий расплавленный металл.
1.Возможность
соединения широкого спектра материалов
– металлов и сплавов, как в однородных,
так и различных разнородных сочетаниях,
металлов с неметаллами – графитом,
керамикой, стеклом.
2.Возможность
изготавливать сложные узлы, состоящие
из нескольких деталей, или партию
однотипных узлов за один цикл (нагрева);
то есть, говорят, пайка – групповой
высокопроизводительный метод соединения.
3.Возможность
существенно уменьшить, а иногда и
полностью исключить деформацию соединений
и образование остаточных напряжений в
них.
4.Возможность
получать неразъемные и разъемные
соединения; последнее очень важно,
например, в производстве радиоэлектронной
аппаратуры, когда возникает необходимость
демонтажа при настройке или замене
дефектных приборов или деталей,
установленных на печатной плате.
5.Варьирование
размеров соединяемых пайкой поверхностей
(величины нахлестки) позволяет получать
равнопрочные с основным металлом
соединения, по своей надежности
превышающие в ряде случаев надежность
сварных соединений.
6.Получать
соединения в скрытых и малодоступных
местах изделий.
7.Процесс
пайки легко поддается механизации и
автоматизации.
