Підвищення міцності зварних з’єднань, Довідник для конструкторів, інженерів, технологів.
Міцність зварних з'єднань підвищують конструктивними (раціональне розташування швів щодо діючих зусиль, доцільна форма швів) та технологічними прийомами (захист шва від шкідливих впливів при зварюванні, термічна обробка, що зміцнює обробку холодною пластичною деформацією). Конструктивні прийоми підвищення міцності наведено на рис. 1
На видах 1 - 3 показано послідовне посилення вузла приварювання фланця, навантаженого крутним моментом, шляхом збільшення діаметра кільцевого шва. Опір зрізу (пропорційний квадрату діаметра з'єднання) в конструкції 2 при однаковому перерізі шва в 7 разів, а в конструкції 3 в 18 разів більше, ніж у конструкції 1
При правильній конструкції шва додаткові кріплення [на різьбленні (вигляд 4), пресової посадки (вигляд 5) та ін.] зайві
У центруючих з'єднаннях деталі, що зварюються, встановлюють на посадках із зазором (посадки H10, e9, f9). При необхідності більш точного центрування застосовують посадки ковзання H8, h7 та напружені посадки типу k7, m7
Доцільно розвантажувати зварні шви, переносячи сприйняття навантажень на ділянки цілого матеріалу та залишаючи за зварними швами лише функцію з'єднання деталей. Деякі приклади розвантаження зварних швів показані на видах 6, 7 (стрижень, навантажений осьовою силою) та на видах 8, 9 (упорний фланець)
У вузлі кріплення кришки до обичайки циліндричного резервуара, навантаженого внутрішнім тиском (вигляд 10), зварні шайби кришки обичайки піддаються вигину та зрізу силами тиску. У покращеній конструкції 11 зварний шов обичайки розвантажений закладом обічайки у фланець, а шов днища - затисканням днища між фланцями обичайки та днища
Силові шви слідуютьнавантажувати переважно на зсув і розтяг, усуваючи вигин. Конструкція 12 приварного стрижня, навантаженого поперечною силою Р, недоцільна. Сила Р, повертаючи стрижень навколо точки, викликає високі розривні напруги в області, протилежній цій точці. Крім того, шов піддається зрізу
Дещо краще конструкція 13, де стрижень центрований в гнізді деталі, завдяки чому шов розвантажений від зрізу. Однак небезпечний переріз стрижня ослаблений зварним швом.
У конструкції 14 вигин та зріз силою Р сприймають цілі (не ослаблені зварюванням) перерізи стрижня. Шов практично розвантажений від дії сили і служить тільки для фіксації стрижня в деталі
Шов приварної стінки (вигляд 15), що згинається силою Р, доцільно розвантажити введенням ребра (вигляд 16). Вигинання стикового шва (вид 17) можна усунути введенням накладки (вид 18), шви якої працюють переважно на розтяг. Стиковий шов у цій конструкції працює на стиск
Стикове з'єднання куточків (вигляд 19) недостатньо міцне. Доцільніше зварювати куточки по площині полиць (вид 20) з посиленням (для важких умов роботи) хустками (вид 21). Косинки доцільно приварювати не встик (вигляд 22), а внахлестку (вигляд 23)
Приварні ребра рекомендується розташовувати так, щоб вони працювали не на розтягування (вид 24), а на стиснення (вид 25), що практично повністю розвантажує зварні шви
На видах 26-29 показано послідовне посилення листового з'єднання, навантаженого розтягувальною силою Р і згинальним моментом Мізг Порівняння міцності різних конструкцій наведено в таблиці
Міцність стикового з'єднання 26 прийнята за одиницю
Приварні листи, накладки, косинки і т. д. великої протяжності і малої товщини доцільно, крім обварювання поконтуру, з'єднувати з основною деталлю точковим зварюванням (вид 30) щоб уникнути відставання листів при деформаціях системи
Косі шви нахлесточного з'єднання (вид 31), що піддаються розтягуванню, зазнають додаткових навантажень від зсуву вздовж лінії шва. У врівноваженому з'єднанні з двостороннім скосом (вид 32) шви розвантажені від зсуву
На видах 33-36 показані конструкції вузла зварювання швелерів. У з'єднанні зі швеллером, розташованим полицями вгору (вид 33), верхні ділянки m вертикальних зварних швів піддаються високим напругам, що розривають, від дії сили Р
У конструкції зі швелером, розташованим полицями донизу (вид 34), зусилля сприймає горизонтальний шов n великої протяжності; слабкі кінцеві ділянки вертикальних швів працюють на стиск. У конструкції з приєднанням швелера в шип (вид 35) зварні шви розвантажені від вигину силою Р; згинальний момент сприймають флангові шви та поперечний шов t, що працюють на зріз. На вигляді 36 зображено з'єднання, посилене косинкою. Слід уникати позацентрового застосування сил, що викликає вигин шва
Відбортовані шви у вузлах, що піддаються розтягуванню (вид 37), зазнають вигину. Доцільніше конструкції зі стиковим швом (вигляд 38). У вузлі приварювання днища до циліндричного резервуару з відбортуванням (вид 39) зварний шов під дією внутрішнього тиску піддається вигину. Стиковий шов (вид 40) працює переважно на розрив
Слід уникати розташування зварних швів у зоні високої напруги. У зварних балках, що піддаються вигину, доцільно розташовувати шви не у полиць (вид 41), а в нейтральній лінії перерізу (вид 42), де нормальні напруги мають найменшу величину
У з'єднаннях, схильних до дії циклічних і динамічних навантажень, слідуникати розташування зварних швів на ділянках концентрації напруг, наприклад, у переходах від одного перерізу до іншого (вид 43). Шов у цих умовах піддається підвищеним напругам і, крім того, посилює концентрацію напруги внаслідок неоднорідності, своєї структури. Покращена конструкція наведена у вигляді 44
Якщо вивести шов за межі ділянки концентрації напруг неможливо, рекомендується застосовувати увігнуті шви (вид 45) з глибоким проплавленням, що досягається зварюванням короткою дугою. Профіль шва має бути по можливості симетричний щодо дії навантажень. У таврових з'єднаннях, що піддаються розтягуванню (вигляд 46), доцільно застосовувати двосторонні шви (вигляд 47). Нахлесточные з'єднання (вид 48) слід по можливості замінювати стиковими (вид 49). У стикових з'єднаннях доцільно застосовувати двосторонню обробку кромок (вид 51), так як у з'єднаннях з несиметричним швом (вид 50) відбувається викривлення силового потоку, що супроводжується стрибками напруг
Циклічну міцність зварних швів можна значно підвищити механічною обробкою з наданням шву раціональної форми, що зменшує концентрацію напруги. Кутові шви доцільно обробляти по радіусу з плавним переходом на поверхні деталей, що з'єднуються (вид 52). Стикові шви обробляють урівень з поверхнею виробу, видаляючи напливи (посилення) як з боку основного шва, так і з боку підварювання (вид 53)
Для плавного з'єднання шва зі стінками виробу в більшості випадків необхідно одночасно з обробкою шва підрізати стінки (штрихові лінії на видах 52, 53), для чого слід передбачити припуски на обробку. Значно (на 30 - 40%) підвищує циклічну міцність загладжує оплавлення швів вольфрамовим електродом ватмосфері аргону
Зміцнення швів пластичною деформацією в холодному стані (накочування, дробоструминна наклеп, карбування пневматичним інструментом з пучковими карбуваннями) дозволяє довести циклічну міцність шва до міцності основного металу.