Показатели циклической прочности основных сварных соединений 1 страница

Группа сварных соединений	σ ап. МПа	т
Стыковые	74,0	9,0
Стыковые с накладками (подкладками)	26,0	3,0
Тавровые c разделкой кромок и полным проваром	57,5	4,0
Тавровые с угловыми швами (без разделки кромок)	26,0	3,0
Нахлесточные с лобовыми, косыми швами	37,5	3,5
Нахлестанные с фланговыми, комбинированными швами	26,0	3,0
С точечными швами	13.0	3,0

2.2. Паяные соединения. Характеристика, классификация и области применения. Достоинства и недостатки соединения.

Паяные соединения

Пайка — технологическая операция, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных материалов. Спаиваемые элементы деталей, а также припой и флюс вводятся в соприкосновение и подвергаются нагреву с температурой выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления спаиваемых деталей. В результате, припой переходит в жидкое состояние и смачивает поверхности деталей. После этого нагрев прекращается, и припой переходит в твёрдую фазу, образуя соединение.

Прочность соединения во многом зависит от зазора между соединяемыми деталями (от 0,03 до 2 мм), чистоты поверхности и равномерности нагрева элементов. Для удаления оксидной плёнки и защиты от влияния атмосферы применяют флюсы. ГОСТ 17325-79 - Пайка и лужение. Основные термины и определения.

Разновидности:

Пайка бывает низкотемпературная (до 450 °C) и высокотемпературная. Соответственно припои бывают легкоплавкие и тугоплавкие. Для низкотемпературной пайки используют в основном электрический нагрев, для высокотемпературной - в основном нагрев горелкой. В качестве припоя используют сплавы оловянно-свинцовые (Sn 90 % Pb 10 % c t° пл. 220 °C), оловянно-серебряные ( Ag 72% с t° пл. 779°С), медно-цинковые (Cu 48% Zn остальное с t° пл. 865°С), галиевые (t° пл. ~50°С), висмутовые (сплав Вуда с t° пл. 70 °C, сплав Розе с t° пл. 96 °C) и т. д.

Пайка является высокопроизводительным процессом, обеспечивает надёжное электрическое соединение, позволяет соединять разнородные материалы (в различной комбинации металлы и не металлы), отсутствие значительных температурных короблений (по сравнению со сваркой). К недостаткам можно отнести относительно невысокую механическую прочность.

Технология пайки оловянно-свинцовым припоем:

Для соединения металлических деталей пайкой их необходимо облудить, соединить и нагреть, возможно, вводя в место пайки еще припой. Следующие простые рекомендации помогут достичь высокого качества пайки.

· Хорошо поддаются пайке оловянно-свинцовыми припоями следующие металлы (в порядке ухудшения):

Ø Драгоценные металлы (золото, серебро, палладий и т.д., а также их сплавы)

Ø Медь

Ø Никель, латунь, бронза

· Плохо поддаются пайке оловянно-свинцовыми припоями следующие металлы (в порядке ухудшения):

Ø Железо, сталь

Ø Чугун

Ø Алюминий

· Детали, подлежащие пайке, следует зачистить до металла (удалить защитные покрытия, грязь, окислы). Драгоценные металлы не покрываются окислами (кроме серебра, которое может со временем чернеть).

· Для пайки электронных компонентов следует использовать выпускаемый промышленностью оловянно-свинцовый припой с содержанием олова около 61%, если не указано иное в технологической карте. Припой с таким содержанием олова обладает наименьшей температурой плавления(190°), наименьшей прочностью.

· Для пайки электронных компонентов следует использовать флюсы, не вызывающие коррозию и не обладающие электропроводностью. Такие флюсы имеют надпись коррозионно-пассивен и/или не требует отмывки. Хорошо себя зарекомендовали флюсы в виде геля на канифольной основе.

· Активные флюсы (с содержанием кислот и других вызывающих коррозию веществ), например хлористый цинк, используются для пайки электронных компонентов только при условии последующей промывки растворителями для полного удаления остатков флюса. В бытовых условиях такой вариант практически нереализуем.

· На зачищенное место пайки наносится тонкий слой флюса. Затем место пайки приводится в соприкосновение с расплавленным припоем (например, касанием облуженного горячего паяльника или погружением в расплавленный припой). Если все сделано правильно, то деталь в месте контакта с припоем смачивается им. После охлаждения слой застывшего припоя должен быть блестящим, ровным, без не смоченных островков.

· Залуженные детали фиксируются в необходимом положении и прогреваются паяльником. При необходимости в место нагрева вводится дополнительное количество припоя (капля на паяльнике или касание нагретых деталей припойной проволокой). В изделиях высокой надёжности, как правило, залуженные провода перед пайкой ещё и скручиваются («должно держаться без припоя»).

· Спаиваемые поверхности должны быть неподвижны до полного отвердения припоя. Даже небольшое движение деталей друг относительно друга в момент криссталлизации припоя может очень существенно снизить прочность соединения.

· При необходимости флюс удаляется растворителем.

Для уменьшения вредного влияния окисления поверхностей при пайке применяют флюсы (на основе буры, хлористого цинка, канифоли); паяют в среде нейтральных газов (аргона) или в вакууме.

Нагрев припоя и деталей при пайке осуществляют паяльником, газовой горелкой, ТВЧ, в термических печах, погружением в ванну с расплавленным припоем и пр. При пайке ТВЧ или в термической печи припой укладывают в процессе сборки деталей в месте шва в виде проволочных контуров, фольговых прокладок, лент, мелкой дроби или паст в смеси с флюсом.

После подготовки соединяемых деталей к пайке и последующей сборки их обычно подогревают до температуры плавления припоя и в зазоры между ними вводят расплавленный припой.

Паяные швы из мягких припоев малопрочны, поэтому их применяют для соединений ненагруженных, малонагруженных, не подверженных действию ударных нагрузок и вибрацией. Из-за низкой температуры плавления не рекомендуется применять их для соединений, работающих при температуре выше 100 °С.

Мягкие припои широко применяют в приборостроении. Твердые припои применяют для соединений, несущих нагрузки. При статических нагрузках применяют припои на медной основе, а для соединений, воспринимающих ударные и вибрационные нагрузки, — припои на серебряной основе.

Расчет на прочность паяных соединений осуществляют по формулам для однотипных сварных и клееных соединений. Допускаемое напряжение на срез можно принимать для паяных швов из оловянно-свинцовых припоев [τ'] = 20..30 МПа, из медно-цинковых припоев [τ '] = 175...230 МПа. Для паяных швов из серебряно-медных припоев предел прочности при растяжении в полтора-два раза больше, чем при срезе и равен 400...600 МПа.

Характеристики наиболее часто применяемых в машиностроении способов пайки приведены в табл. 3, а основные типы паяных соединений — в табл. 4.

Пайкой соединяют детали различной формы: листы, стержни трубы и др. В последнее время находят применение сотовые паяные конструкции; в обшивке самолетов листы из малопрочных алюминиевых сплавов, заменяют паяными высокопрочными и жесткими панелями (рис. 6) из тонких стальных листов с сотовым (рис. 6, а) или гофровым (рис. 6, б) промежуточным заполнителем.

Паяные соединения предпочтительно выполнять нахлесточными; площадь перекрытия (площадь пайки) следует назначать так, чтобы прочность паяного соединения была равна прочности целой детали.

Стыковые соединения, имеющие ограниченную паяную площадь, менее прочны, чем нахлёсточные. При действии значительных нагрузок применять стыковые соединения не рекомендуется; в случае необходимости при повышенных нагрузках вместо стыковых соединений можно рекомендовать косостыковые (табл. 4), у которых больше площадь пайки и выше несущая способность.

Рис. 6. Сотовые паяные конструкции.

Соприкасающиеся соединения допустимы для изделий, паяные швы которых работают на сжатие и при весьма малых нагрузках.

При любом типе паяного соединения между деталями необходим зазор порядка 0,01...0,4 мм, чтобы туда мог затекать расплавленный припой. Зазоры зависят от вида припоя и материалов деталей соединения и в значительной степени определяют прочность соединений. Их уменьшение до некоторого предела увеличивает прочность паяных соединений.

Перед пайкой требуется более точная по сравнению со сваркой механическая обработка и сборка деталей соединения.

Припои делятся на высокотемпературные с Т_пл ≥ 450°С и низкотемпературные с Т_пл < 450°С. Основными компонентами высокотемпературных припоев являются медь (Сu) никель (Ni) и серебро (Ag), а низкотемпературных — олово (Sn) и свинец (Рb).

Для уменьшения окисления поверхностей деталей применяют специальные флюсы, которые подразделяют на низкотемпературные с Т_пл<450°С (канифольные, кислотные и др.) и высокотемпературные с Т_пл ≥ 450°С (боридные, боридно-углекислые и др.).

Расчетпаяных стыковых и нахлесточных соединений на прочность аналогичен расчету сварных соединений. Стыковые паяные соединения рассчитывают на прочность как целые детали по номинальному сечению соединяемых деталей, так как сечения соединяемых деталей и сечение пайки идентичны.

При действии на соединение центральной растягивающей силы F и изгибающего момента М (рис. 7, а) условие прочности стыкового паяного соединения находят по, формуле

σ = £ [σ],

где σ — действующие напряжения; W— момент сопротивления сечения деталей соединения в месте пайки; [σ] — допускаемые напряжения растяжения для паяных соединений.

Таблица 3

Характеристики способов пайки

Способы пайки	Характеристики способов
Паяльником	Универсальный ручной способ низкотемпературной пайки.
Газовой горелкой	Универсальный ручной способ высокотемпературной пайки.
Индукционная	Для изделий небольших размеров; быстрый нагрев; возможность механизации и автоматизации процесса.
В печах с флюсом	Минимальная деформация изделий; равномерный нагрев; возможность регулирования и механизации
В печах и контейнерах с инертным газом; в вакуумных печах	Универсальный способ высокотемпературной пайки; минимальная деформация изделий; отсутствие окисления и флюса на изделиях после пайки; возможность объективного контроля режима пайки
Сканирующим электронным лучом	Короткий цикл; возможность локализаций нагрева, механизации и автоматизации процесса
Погружением в расплавленный припой или флюс	Высокая производительность; быстрый нагрев и точное регулирование температуры

Таблица 4

Основные типы и сечения паяных соединений

Соединение	Сечение	Соединение	Сечение
Нахлесточное		Стыковое
Телескопическое		Косостыковое
Соприкасающееся		Тавровое
Угловое

При расчете нахлесточных соединений надо учитывать лишь то, что площадь расчетного сечения равна площади контакта (пайки) деталей соединения, например, при действии центральной сдвигающей силы нахлесточные соединения (рис. 7, б) рассчитывают на срез

τ = £ [τ],

где [τ] — допускаемые напряжения на срез для паяных соединений; l — ширина пайки; b — длина нахлестки (см. рис. 7, 6).

Рис. 7. Расчетные схемы паяных стыковых и нахлесточных соединений.

При других случаях нагружения расчет нахлесточных паяных соединений проводят по формулам, аналогичным для сварных соединений.

С увеличением площади контакта (пайки) несущая способность соединений возрастает: В нахлесточных соединениях увеличение ширины пайки имеет больший эффект, чем увеличение длины нахлестки.

2.3. Клеевые соединения. Характеристика, классификация и области применения. Достоинства и недостатки соединения.

Клеевые соединения

Клеевыминазывают неразъемные соединения с помощью клея, образующего между деталями соединения тонкую прослойку. Клеевые соединения получили широкое распространение благодаря созданию конструкционных высокопрочных клеев, на основе синтетических полимеров, позволяющих скреплять между собой детали с высокой прочностью. Клеевое соединение используют при изготовлении изделий из стали, алюминия, латуни, текстолита, стекла, фанеры, древесины, ткани, пластмассы, резины и др. материалов, которые можно соединять в различных сочетаниях. Иногда склеивание — единственный способ соединения деталей из разнородных материалов.

Процесс склеивания обычно состоит из следующих операций:

ü превращение клеящего вещества и состояние, пригодное для нанесения на поверхности склеиваемых материалов (расплавление, растворение, смешение компонентов и др.);

ü подготовка поверхностей склеивания (придание шероховатости, обезжиривание и т. п.);

ü нанесение клеящего вещества и сборка соединения;

ü превращение клеящего вещества в клеевой слой, соединяющий материалы при соответствующих температурах, давлении и времени выдержки.

Механические характеристики клеевых соединений и области применения клеев, наиболее, часто используемых в промышленности, приведены в табл. 5.

Таблица 5

Механические характеристики клеевых соединений и области применения клеев

Клей	Предел прочности, МПа	Назначение
при отрыве	при сдвиге
Неорганический		—	Склеивание, металлов, работающих при температурах до 500 °С
Поливинил - ацетальфеновый			Склеивание стекла и дуралюмина для рабочих температур 40°С
Эпоксидный (ЭД-5, Э-40 и др.)			Склеивание металлов и неметаллов для рабочих температур ±60 °С
Полиуретановый (ПУ-2 и др.)	34,5		Склеивание металлов и неметаллов для рабочих температур ±60 °С
Фенолформальдегидный (БФ-2, ВС-10 и др.)			Склеивание металлов и неметаллов для рабочих температур ±60 °С
Синтетический	20-40	10-20	Склеивание металлов, древесины, стекла, резины, кожи и др.
Полиакриловый		30-40	Склеивание металлов, древесины, стекла, резины, кожи и др.

Чаще всего с помощью клея выполняют соединения, работающие на сдвиг или равномерный отрыв. Такие соединения для стальных изделий обеспечивают предел прочности на сдвиг 20-35 МН/м² (200-350 кг/см²), а в ряде случаев значительно выше.

Прочность клеёного шва пластмасс обычно превышает прочность самого материала.

Достоинстваклеевых соединений:

1. Коррозионная и бензомаслостойкость.

2. Уменьшение массы конструкции по сравнению с другими видами неразъемных соединений.

3. Невысокая концентрация напряжений в месте соединения.

4. Возможность соединения практически любых конструкционных материалов.

5. Возможность соединения деталей практически любой толщины.

6. Герметичность и достаточная надежность соединения.

7. Высокая усталостная прочность.

8. Значительно меньшие, чем при сварке и клепке, трудовые затраты на единицу продукции.

Недостаткиклеевых соединений:

1. "Старение", т.е. снижение прочности соединения с течением времени (некоторые клеи обладают устойчивостью против старения).

2. Низкая теплостойкость.

3. Невысокое сопротивление растяжению и сдвигу, особенно в случае неравномерного отрыва.

4. Необходимость тщательной зачистки и пригонки склеиваемых поверхностей.

5. Ухудшение механических характеристик при пониженных и повышенных температурах, при воздействии биосреды, химических реагентов и других, факторов.

В последнее время получают распространение клеевые соединения с использованием анаэробных клеев на акрилатной и метакриловой основах, т. е синтетических клеев, способных затвердевать без доступа воздуха. Эти клеи (например «Анатерм») представляют собой однородную вязкую жидкость, время отверждения при 20 °С — трое суток, а при +120⁰С — 0,5 ч, после отверждения достигается прочность при сдвиге 10МПа. Жидкий полиуретановый клей ПУ-2 отверждается при комнатной температуре за 3 ч и достигает прочности при сдвиге 16 МПа. Эпоксидные клеи состоят из жидких эпоксидных смол, отвердителя и металлического порошка, склеивание происходит при температуре ≈ 150 °С в течение 1ч.

Виды соединений. Клеевые соединения конструктивно подобны сварным и паяным: основные типы соединений те же, см. табл. 4. При проектирований клеевых соединений следует иметь в виду, что клеевые швы обладают достаточно большой прочностью при сдвиге и равномерном отрыве, а при неравномерном «отдире» (отрыв с изгибом), как показано на рис. 8, а, прочность соединений существенно снижается. Поэтому везде, где возможно, клеевое соединение должно быть сконструировано работающим на сдвиг (рис. 8., б) или сжатие.

Рис. 8. Способы устранения отрыва («отдира») в соединениях.

Расчет клеевых соединений. Расчет клеевых соединений на прочность ведется по формулам, аналогичным для расчета паяных соединений. Например, для соединений типа вал-ступица при одновременном действии на соединение вращающего момента Т и осевой силы F_a расчет ведут по равнодействующей сдвигающей силе F_S = и по условию прочности клеевого соединения на сдвиг (срез) F_S £ πdl[τ], откуда потребная длина соединения l:

l =

где Т — вращающий момент; F_a — осевая сила; d — диаметр вала (диаметр сопряжения); [τ] — допускаемые напряжения среза (сдвига).

При определении допускаемых напряжений [τ] принимают коэффициент запаса s по отношению к пределам прочности при сдвиге (см. табл. 5) равным s = 2,5...3 при статической нагрузке; s = 4... 5 при переменных нагрузках, а при наличии в спектре нагрузок, существенных перегрузок, (при вибрациях, ударных нагрузках и т. п.) запас принимают еще больше.

Для получения особо прочных соединений, испытывающих произвольную нагрузку, включая неравномерный отрыв, вибрационную и ударную нагрузки, применяют комбинированные соединения: клеесварные, клеезаклепочные, клееболтовые и клеевые соединения а натягом.

2.4. Заклепочные соединения. Характеристика, классификация и области применения. Виды заклепок. Достоинства и недостатки соединения.

Заклепочные соединения

Заклепочные соединения применяют для создания прочных швов в металлоконструкциях, герметичных швов в резервуарах и прочноплотных швов в паровых котлах, а также в случаях, затрудняющих использование сварки.

Основным элементом заклепочного соединения служит заклепка, представляющая собой цилиндрический стержень с расположенными по его концам головками, из которых закладную делают заранее перед постановкой заклепки.

При клепке происходит силовое воздействие на свободный конец заклепки, формируется замыкающая головка и расклепывается стержень, плотно заполняя все отверстие. Силовое воздействие может быть как ручным, так и машинным.

Клепка бывает горячей, при которой заклепки перед постановкой в гнезда нагревают до температуры 1000—1100°С (светло-красный цвет), и холодной, применяемой для заклепок диаметром менее 12 мм. Используют также смешанную клепку, во время которой нагревают только свободный конец заклепки.

Заклепки, поставленные горячим способом, создают большую силу сжатия склепываемых листов и трения между ними, что облегчает работу заклепочного соединения. При постановке заклепок холодным способом более плотно заполняются отверстия.

В качестве материала для изготовления заклепок применяют вязкие стали, для специальных случаев — медь, латунь, алюминиевые сплавы. Заклепки из цветных металлов ставят только в холодном состоянии.

Материал заклепок должен быть достаточно пластичным для обеспечения возможности формирования головок и однородным с материалом соединяемых деталей во избежание электрохимической коррозии. Стальные заклепки обычно изготовляют из сталей Ст2, СтЗ, 15, 09Г2 и др. Из легких сплавов для заклепок применяют сплавы В65, АД1 (на основе алюминия) и ОТ4, ВТ16 и др. (на основе титана).

Диаметр отверстия под заклепку должен превышать диаметр заклепки на 0,5—1 мм. Отверстие выполняют путем сверления или пробивания с последующей просверловкой.

Размер и форма сплошных заклепок для прочных и плотнопрочных швов определены соответствующими ГОСТами.

Конструкции некоторых видов стандартных заклепок и варианты соединения деталей с помощью этих заклепок показаны на рис. 9.

Рис. 9. Некоторые виды стандартных заклепок.

Заклепки со стальным стержнем (рис. 9, а, б) применяют в основном при выполнении прочных и прочноплотных соединений. Пустотелые заклепки (рис. 9, в, г) — при соединении тонких листов и неметаллических деталей, не допускающих больших нагрузок.

Используют также специальные заклепки. На рис. 10, а в качестве примера показана взрывная заклепка, применяемая в случае невозможности образования замыкающей головки обычным способом, например в труднодоступных местах. Взрыв, вызывается нагревом заклепки или ударом. Если нет доступа к замыкающей головке, используют заклепки с односторонним доступом (рис.10, б). Замыкающая головка 1 в таких заклепках образуется при протягивании стержня 2 с наконечником через коническое отверстие заклепки.

Рис. 10. Специальные заклепки.

В последнее время широкое применение нашли так называемые болты-заклепки (рис. 11), характеризуемые высокой технологичностью и надежностью. Стержень болта-заклепки 1 состоит из рабочего и технологического участков, между которыми расположена отрывная шейка 2. Кольцо, 5 выполнено из пластичной стали в виде цилиндрической втулки. При сборке соединения постановочный инструмент захватывает стержень за технологический хвостовик 4, а фильера 3, перемещаясь в противоположном постановочному инструменту направлении, сжимает пакет. При этом одновременно происходит обжим и формирование замыкающей головки. После достижения требуемой степени сжатия пакета и полного обжатия кольца технологический хвостовик обрывается.

Рис. 11. Болт-заклепка.

По конструкции заклепочные соединения подразделяют на: соединения внахлестку, с одной накладкойи с двумя накладками. Первые два соединения являются односрезными, последнее — двухсрезным. По числу рядов заклепок соединения бывают одно- и многорядные.

Стандартные вытяжные заклепки позволяют осуществить неразъемное соединение с доступом только с одной стороны. Они производятся различной длины и диаметров, бывают с куполообразным (стандартным), увеличенным и потайным бортиком, могут быть из алюминия, стали, нержавейки, меди, в зависимости от вида применения. Для некоторых применений имеют специальную конструкцию: закрытые, многозажимные, лепестковые, рифленые, контактные и самоперфорирующие.

Усиленные вытяжные заклепки позволяют осуществить неразъемное соединение с доступом только с одной стороны. Усиленные заклёпки изготавливают из алюминия, стали, нержавейки, в зависимости от вида применения. При установке создают надежное соединение, сравнимое по структуре с соединением полнотелой заклепкой. Обладают высокой сопротивляемостью к нагрузкам на растяжение и сдвиг. Они подходят для закрепления предметов подверженных вибрации. Главный сектор применения: корпуса автомобилей, металлические контейнера, электрошкафы и др.

Штифты с обжимным кольцом - это система быстрой установки для сборки частей испытывающих высокие механические нагрузки или подвергающиеся высокой вибрации. Состоят из штифта и обжимающего кольца, штифт имеет насечки для жёсткой фиксации обжимного кольца. При установке требуется доступ с обратной стороны. Выпускаются различных длин и диаметров, в зависимости от толщины пакета и нагрузок. Материал: сталь, алюминий и нержавейка.

Заклепочные гайки и болты являются эффективным решением для получения наружной или внутренней резьбы на тонкостенной детали, в том числе и цилиндрической. Они устанавливаются в предварительно подготовленное (пробитое или просверленное) отверстие с одной стороны, обжимаются вытягиванием штока инструмента с формированием с обратной стороны замыкающего бортика. Материал: сталь, нержавейки, алюминия и бронзы.

Достоинствазаклепочных соединений:

1. Высокая прочность и надежность соединения.

2. Простота контроля качества соединения.

3. Возможность соединения деталей из любых материалов.

4. Неизменность физико-химических свойств материалов соединяемых деталей.

5. Высокая работоспособность при ударных и повторно-переменных нагрузках.

6. При разборке скрепляемых деталей (разрушении заклепок), соединяемые детали обычно почти не повреждаются и могут быть использованы повторно.

Недостаткизаклепочных соединений:

1. Неполное использование материала соединяемых деталей в результате их ослабления заклепочными отверстиями.

2. Сложность технологического процесса изготовления клепаных конструкций.

3. Трудность соединения деталей сложной конструкции.

4. Соединение деталей встык требует применения специальных накладок.

5. Заклепки и соединяемые детали должны быть однородными, с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения.

Расчетзаклепочных соединений. В соответствии с обычными условиями работы заклепочных соединений основными нагрузками для них являются продольные силы, стремящиеся сдвинуть соединяемые детали друг относительно друга. При нагружении заклепочного соединения продольными силами нагрузка передается силами трения. В случае если заклепка установлена в отверстие без зазора или с натягом, то тело заклепки также принимает участие в работе. Условие равновесия внешних и внутренних сил может быть записано в виде

F₁ = σ_рS f + τ'S i,

где F₁— внешняя нагрузка, отнесенная к одной заклепке; σ_р и τ' — соответственно напряжения растяжения и среза в поперечном сечении заклепки; S — площадь сечения заклепки; f — коэффициент трения между соединяемыми деталями; i —- число срезов.