При виготовленні металевих конструкцій часто застосовується зварювання за допомогою електричної дуги.
Вперше електрична дуга була відкрита російським ученим проф. В. В. Петровим в 1802 р Виявивши плавлення металу в полум'я отриманої їм електричної дуги, проф. Петров вказав на можливість використання цього явища в техніці. Однак електродугове зварювання була винайдена лише в кінці XIX століття російськими інженерами Н. Н. Бенардосом (1882 г.) нашим земляком і Н. Г. Славяновим (1888 г.) і отримала згодом широке поширення в усьому світі.
Сутність електрозварювання за методом Славянова полягає в тому, що, розплавляючи електричною дугою матеріал електрода (сталь), заповнюють їм стик елементів, що з'єднуються, також прогріваються дугою до температури плавлення. В результаті, після охолодження розплавленого металу, утворюється шов, міцно з'єднує стикуються елементи. Схема зварювання показана на Рис.1. Електрична дуга горить між металевим електродом і зварюваних металом, розплавляючи електрод і крайки елементів, що з'єднуються металу, між якими утворюється так звана зварювальна ванна.
Для захисту плавиться металу від потрапляння шкідливих включень з навколишнього повітря на поверхню електрода наноситься товста захисна обмазка, що виділяє при плавленні електрода велику кількість шлаку і газів, завдяки чому плавиться метал ізолюється від навколишнього повітря.
Цим забезпечується висока якість металу зварного шва, механічні властивості якого можуть різко погіршитися під впливом кисню та азоту повітря (при відсутності обмазки або при тонкої обмазці). З тією ж метою автоматичне зварювання проводиться під шаром флюсу, що захищає плавиться метал від попадання кисню та азоту повітря.
При правильному виборі конструкції з'єднань, матеріалів і технології зварювання зварні з'єднання по надійності не поступаються Заклепувальний при дії як статичних, так і динамічних навантажень (в тому числі ударних і знакозмінних). У той же час електрозварювання має ряд переваг перед клепкою, з яких найважливішими є менша трудомісткість зварювальних робіт і відсутність ослаблення перетинів з'єднуються отворами. Це дає значну економію коштів і металу, крім економії, одержуваної за рахунок більшої компактності з'єднань. Великі економічні вигоди, принесені електрозварюванням, і що дається нею спрощення конструкцій привели останнім часом до поступового витіснення клепаних з'єднань зварними.
Значного розвитку електрозварювання отримала в СРСР завдяки працям радянських вчених Патона, Вологдина, Нікітіна, Хренова і ін. Розробили нові методи зварювання, що забезпечують високу міцність з'єднань.
Методи розрахунку зварних з'єднань тісно пов'язані з технологією зварювання, причому для багатьох видів з'єднань розрахунок носить досить умовний характер. Взагалі методику розрахунку зварних з'єднань не можна ще вважати усталеною.
Що стосується норм допустимих напружень для матеріалу швів, то вони приймаються різними в залежності від способу зварювання (ручна і автоматична), а також від складу і товщини захисної обмазки електродів.
У таблиці наведено допустимі напруження для зварних швів в конструкціях із сталі марки ст. 3 за існуючими нормами.
Таблиця. Допустимі напруги при зварюванні.
При перевірці міцності зварних швів враховується можливий непровар на початку шва і освіту кратера в кінці. Тому розрахункова довжина шва приймається меншою, ніж дійсна або проектна на 10 мм.
Необхідно відзначити, що найбільш простим і надійним видом з'єднання є з'єднання встик, утворене шляхом заповнення зазору між торцями елементів, що з'єднуються наплавленим металом. З'єднання встик здійснюється, в залежності від товщини елементів, що сполучаються, по одному з типів, показаних на Рис.2. Перевірка міцності проводиться на розтягнення або стиснення за формулою:
Тут умовна робоча площа перерізу шва, де розрахункова довжина шва. а висота шва h приймається рівною товщині зварюваних елементів t.
Оскільки напруга, що допускається для зварного шва нижче, ніж для основного металу, прагнуть до збільшення довжини стикового шва. З цією метою застосовують з'єднання встик з косим швом (Рис.3). Дослідження таких з'єднань, вироблені Інститутом електрозварювання Академії наук УРСР, показали, що равнопрочность їх з основним металом завжди забезпечується.
Перевірка міцності косих швів проводиться і за нормальними і по дотичним напруженням, що виникають по перерізу шва mn:
Тут розрахункова довжина шва за технічними умовами приймається рівною.
Як встановлено досвідом, найбільш раціональним кутом нахилу шва до лінії дії сил є. Недоліком з'єднання косим швом є незручність центрировки елементів, що стикуються при зварюванні, тому його застосовують рідко.
Іноді з'єднання листів проводиться внахлестку або встик з перекриттям накладками. Це викликає необхідність зварювати листи, що не лежать в одній площині, що здійснюється за допомогою так званих валикових (або кутових) швів - лобових або торцевих (перпендикулярних до напрямку діючої сили) і бічних або флангових (паралельних їй).
Валікова шов в перерізі має досить невизначену форму (Ріс.104). У теоретичних розрахунках на міцність перетин шва приймається у вигляді рівнобедреного трикутника (окресленого пунктиром) до розрахункової висоти).
З'єднання торцевими (лобовими) швами показані на рис.5. Руйнування таких швів відбувається за найбільш слабким перетину AB. як це встановлено дослідами.
Як це видно з фіг. 4 б. повне напруження, що виникає в перерізі АВ. може бути розкладено на нормальну і дотичну складові. Оскільки опір стали зрушення нижче, ніж при розтягуванні, розрахунок лобових швів проводиться умовно на зріз в припущенні рівномірного розподілу дотичних напружень по площі перетину АВ. Маючи на увазі, що на сприйняття сили Р в цих з'єднаннях (Рис.5) працюють два лобових шва, верхній і нижній, отримаємо:
Так як площа перерізу шва. а розрахункова довжина. то умова міцності набуде вигляду:
Насправді, матеріал шва відчуває складний напружений стан, причому напруги в перетині АВ розподіляються нерівномірно. Дослідження, проведені методами теорії пружності і підтверджені експериментально, показали, що в кутах шва має місце висока концентрація напружень.
Якщо врахувати, що, внаслідок укорочення швів при охолодженні, в зоні зварювання виникають додаткові напруги і в основному металі, що ведуть до переходу його в крихке стан, то слід мати на увазі, що концентрація напружень може стати причиною появи тріщин в основному металі з'єднання.
Тому таке з'єднання не може бути рекомендовано, особливо при змінної або ударного навантаження. Значно надійніше робота з'єднання встик без накладок.
З'єднання фланговими (або бічними) швами показано на Рис.6 а. Руйнування шва, показане на Рис.6 б. відбувається на значній його довжині шляхом срезиванія наплавленого металу в напрямку, паралельному шву по найбільш слабкою площині АВ.
Умова міцності для двох симетрично розташованих швів має вигляд:
Якщо стик перекритий двосторонніми накладками, число швів подвоїться і умова міцності набуде вигляду:
Звідси звичайно визначають необхідну розрахункову довжину флангових швів. Проектна ж довжина кожного шва приймається рівною.
Як показали досліди, руйнування флангових швів відбувається за типом руйнувань пластичних матеріалів із значними залишковими деформаціями. Це робить роботу флангових швів більш сприятливою, ніж роботу лобових швів. Однак слід мати на увазі, що у кінців флангових швів також має місце висока концентрація напружень.
При проектуванні часто прагнуть забезпечити більшу надійність з'єднання, застосовуючи замість зварювання встик, або на додаток до неї, перекриття стику накладками, які приварюються фланговими або торцевими швами, а іноді і тими і іншими разом. Як вже зазначалося, при змінних і ударних навантаженнях таке «посилення» стику може принести більше шкоди, ніж користі.
Що стосується розрахунку такого комбінованого стику, то при одночасному застосуванні лобових і флангових швів вважають, що опір з'єднання дорівнює сумі опорів всіх швів, т. Е.. де опір торцевого шва при розрахунковій довжині одно. а опір двох флангових швів - ширина накладки. В результаті підстановки отримуємо:
Знаючи довжину торцевого шва, визначають довжину флангових швів При двосторонніх накладках число швів подвоюється, т. Е. Праву частину отриманого співвідношення випливає подвоїти.
Так як торцеві шви більш жорсткі, то при спільній роботі з фланговими вони перевантажуються, що веде до нерівномірної роботі з'єднання. Якщо врахувати, що в такому поєднанні і термічні напруги досягають великих значень, то пристрої такого стику слід уникати.
Іноді при з'єднанні внахлестку, на додаток до фланговим швах, застосовують прорізні шви, які здійснюються шляхом наплавлення металу в вузький проріз, зроблену в одному з елементів, що з'єднуються паралельно діючому на з'єднання зусиллю.
При довжині прорізного шва і ширині прорізу d опір такого шва зрізу одно:
де - зусилля, що припадає на прорізний шов.
У комбінованому з'єднанні з фланговими швами для запису розрахункового умови приймають, що або
Поставивши собі за розмірами одного з швів (зазвичай флангового), знаходять необхідну довжину іншого. При цьому ширина прорізу d приймається рівній подвійній товщині прорізаного металу, довжина - не більше двадцяти товщини.
Недоліками з'єднання з прорізними швами є: 1) ослаблення перетину прорізами внаслідок неминучого непровару і 2) висока концентрація напружень в основному металі в зоні зварювання, що веде до появи тріщин близько кутів прорізного шва; тому таке поєднання може застосовуватися лише в крайніх випадках, за умови добре продуманої технології зварювальних робіт.
На закінчення зазначимо, що в тому випадку, коли доводиться вдаватися до з'єднання внахлестку, найкраще обмежитися одними фланговими швами, уникаючи комбінованих з'єднань.