Применение электрозаклепок и точечных швов в сварных со­единениях. Замена сплошных и прерывистых швов в элементах сварных металлоконструкций точечными дает ряд преимуществ: снижается коробление элементов конструкции, облегчается сварка труднодоступных мест и ее автоматизация, сокращается расход сварочных материалов и электроэнергии.

Металлургические и технологические вопросы сварки электро­заклепками и угловыми точечными швами разработаны достаточно полно [18, 25, 26, 50, 103, 1311, и в последнее время все чаще появляются сообщения об успешном практическом применении указанных способов сварки при изготовлении металлоконструк­
ций судов, автомобилей, мостовых кранов и других машин [149, 214, 230, 234].

Сварку электрозаклепками под флюсом производят двумя способами: проплавлением верхней детали дугой (для тонколисто­вых конструкций) и через отверстия, предварительно просверлен­ные или пробитые в верхней детали. Сварку электрозаклепками под флюсом для листов толщиной более 3 мм рекомендуют произ - ьодить через отверстия, что ограничивает применение этого спо­соба для сварки металла больших толщин [270]. Здесь более приемлема сварка электрозаклепками плавящимся электродом в среде С02, которая обеспечивает по сравнению со сваркой под флюсом большие глубины проплавления и устойчивость дуги, позволяет сваривать более толстый металл.

При сварке в среде С02 глубина проплавления на 20—30% больше, чем при сварке под флюсом в тех же условиях. Соедине­ния, полученные сваркой электрозаклепками в среде С02, по статической прочности не уступают соединениям со сплошными и прерывистыми швами [25, 26].

Внедрение в производство сварки электрозаклепками в среде С02 затрудняется из-за отсутствия опытных данных по прочности соединений при действии переменных нагрузок. Имеются лишь ограниченные сведения по выносливости соединений с электро­заклепками, выполненными под слоем флюса, ручной дуговой сваркой и в среде С02.

В ранних работах ЦНИИ МПС сопоставляется прочность односрезных электрозаклепочных соединений элементов из мало­углеродистой стали и соединений, выполненных контактной точечной сваркой, при одностороннем растяжении с коэффициентом асимметрии Ra — 0,25 на базе 2 • 106 циклов. Отверстия под электрозаклепки в пластинах толщиной от 2 до 4 мм прокалывали. Для обоих видов сварки рабочий диаметр ядра составлял 10 мм. Пределы выносливости точечных соединений, выполненных элек­трозаклепками и контактной сваркой, различаются мало. Экспе­рименты показали, что головка электрозаклепки увеличивает выносливость соединения на 20%. В этих работах сравнивается усталостная прочность соединений с угловыми швами и электро­заклепками. Опыты производили при пульсирующем изгибе на базе 5-Ю6 циклов на образцах из малоуглеродистой стали с наклад­ками толщиной 6 мм, приваренными электрозаклепками и угло­выми швами к пластинам консольного типа и двутавровым балкам. Отверстия диаметром 12 мм в накладках заваривали электродами УОНИ-3/45. Соединения с электрозаклепками имели более низкую прочность (на 28%), чем такие же соединения с угловыми лобо­выми и фланговыми швами.

На Узловском машиностроительном заводе им. Федунца и на других заводах [149] проведено промышленное опробование сварки электрозаклепками в среде С02 диафрагм пролетных балок коробчатого сечения для мостовых кранов. После замены

І'ис 94. Соединение диафрагмы с поясом балки:

а — нахлесточное с отбортованной стенкой диа-
фрагмы (сварка электрозаклепками); б — тавро-
вое, сваренное угловыми сплошными, прерывис-
тыми или точечными швами

ручной сварки диафрагм в узких местах внутри коробчатых балок сваркой их электрозаклепками снаружи существенно улучшились условия труда и в 2 раза повысилась производительность.

Однако для сварки тавровых соединений электрозаклепками необходима дополнительная технологическая операция — отбор­товка стенки, и, кроме того, в ряде случаев, например в местах соединения диафрагмы с поясом пролетных балок мостовых кранов, уменьшается жесткость соединения за счет появления эксцентри­ситет е от оси электрозаклепки до стенки (рис. 94).

В связи с этим на Узловском машиностроительном заводе им. Федунца предпочитают приваривать диафрагмы к стенкам балки угловыми точечными швами [18].

В ИЭС им. Е. О. Патона была показана возможность замены коротких швов угловыми точечными при полуавтоматической сварке под флюсом для соединения ребер жесткости в тонколисто­вых конструкциях. Сварку под флюсом угловыми точечными шва­ми применяют при изготовлении тонколистовых судостроительных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей толщи­ной до 2—5 мм. Применение угловых точечных швов при сварке под флюсом соединений толщиной более 5 мм требует увеличения расчетной площади сечения точек выше 45—50 мм2.

При сварке в среде С02 можно получать тавровые соединения с угловыми точечными швами на листах большей толщины, чем при сварке иод флюсом [18].

Об использовании угловых точечных швов при сварке в среде С02 для ручной прихватки отмечено Д. И. Вайнбоймом в работе [25 ]. Угловые точечные швы использовали в качестве силовых при изготовлении закладных деталей на Могилевском заводе железо­бетонных изделий. Площадь среза одной точки составляла 100 мм2.

Соединения с угловыми точечными швами, сваренными в угле­кислом газе, используются в автомобильной промышленности США для металла толщиной до 2,3 мм [230].

Для установления оптимальных режимов сварки листов толщи­ной 6 мм изучено влияние величины сварочного тока, напряжения дуги и продолжительности сварки на геометрические параметры точки и ее механические свойства [18]. Удовлетворительное фор­мирование точек достигается при сварочном токе 400—500 А, продолжительности сварки I—3 с, скорости подачи электродной проволоки 5,0—6,7 м/мин и напряжении дуги 30—40 В.

Основным показателем, характеризующим прочность точки, является размер ее ядра, который зависит от провара по горизон­тальной и вертикальной стенкам соединения. Технологию сварки угловыми точечными швами в среде С02 на листах толщиной 6 мм освоили на Узловском машиностроительном заводе им. Федунца при изготовлении кожухов механизированной крепи очистного комплекса «Тула». При замене прерывистых сварных швов угло­выми точечными швами производительность труда повысилась в 2 раза, расход сварочной проволоки снизился на 30%; необхо­димость в операции правки кожухов после сварки отпала.

Отсутствие исследований по усталости соединений с угловыми точечными швами до недавнего времени приводило к необоснован­ному выводу о невозможности их применения при сварке кон­струкций, рассчитанных на действие переменных нагрузок.

Следует отметить, что точечная контактная сварка не исполь­зуется для изготовления несущих - элементов металлоконструкций толщиной более 5 мм. Отчасти это объясняется отсутствием сва­рочных машин. Кроме того, прочность при переменных нагрузках соединений для толщин металла 5—6 мм, выполненных точечной контактной сваркой, исследована недостаточно. Вместе с тем для соединений, выполненных точечной контактной сваркой, отме­чается [45, 147 ] значительное снижение несущей способности при переменных нагрузках по сравнению со статической нагрузкой. Основной причиной снижения несущей способности точечных соединений при переменной нагрузке является наличие высоких остаточных растягивающих напряжений и большой концентрации рабочих напряжений в зоне точки [63].

Для повышения сопротивления усталости соединений, выпол­няемых контактной точечной сваркой, предлагается применять опрессовку точек в процессе сварки за счет приложения повышен­ного давления на электроды [64, 147, 148]. В этом случае в зоне точек наводятся благоприятные остаточные сжимающие напряже­ния.

Д. А, Роговин исследовал возможность применения точечной контактной сварки в крановых конструкциях и многочисленными экспериментами при переменном растяжении и изгибе образцов и натурных крановых узлов показал, что этот способ сварки приемлем для приварки отбортованных диафрагм к вертикальным листам главных балок на металле толщиной 5 и 6 мм [147].

Ниже приведены экспериментальные данные по усталости различных моделей конструкций, сваренных электрозаклепками и угловыми точечными швами.

Балки двутаврового сечения. В качестве моделей соединений с угловыми точечными швами для испытаний на выносливость в ЦНИИТМАШе 122] применяли балки составного двутаврового сечения высотой 70 и шириной полки (в рабочей части) 40 мм (рис. 95 и 96, а), аналогичные балке со сплошными и преры­вистыми швами (см. рис. 84, а). Сварку угловых точечных швов

выполняли полуавтоматом ПДПГ-500, снабженным электромаг­нитным реле времени ЭВ-237 для обеспечения шаговой подачи проволоки Св-08Г2С диаметром 2 мм в зону сварки [18J. Источ ником питания служил преобразователь ПСГ-500, отрегулирован­ный на полого возрастающую характеристику. Держатель ДШ-54 переоборудован под сварку в среде С02.

Исследования проводили с учетом следующих факторов: пара­метров точечных швов (катет, длина и шаг), расположения точек (шахматное, цепное), режимов сварки (табл. 47), положения изде­лия при сварке («в угол» в нижнем положении, «в лодочку») и дефектов сборки и сварки.

Балки с точечными швами (серии № 6, 7, 8) преднамеренно были взяты с дефектами (зазор между сопрягаемыми листами 2—2,5 мм; подрез глубиной до 1,5—2 мм и непровар.

Усталостная прочность балок с точечными швами 10-20Z65, выполненными в среде СОа по режиму 2 (табл. 47), на 22—36% ниже прочности балок с двусторонними сплошными швами и на 9—22% ниже прочности балок с прерывистыми швами (серии № 2 и 3 см. табл. 38 и серии № 2, табл. 48). Высокой отпуск привел к снижению усталостной прочности балбк на 10%, что, по-види-

Режимы сварки угловых точечных швов № ре­ жима Nc серии Ток, А Напря­жение дуги, Б Время сварки, с Скорость подачи электродной проволоки, м/мин Усилие среза ! на одну точку, кгс і 1 350—400 32 0,5—0,6 12 1900—2100 2 2, 3, 4, 5, 8, 11, 12 460 31—32 1,5—1,8 6,25 3200—3400 3 9 500 31—32 1,5-1.8 6,6 3300—3500 4 6 300—310 35 4 — — 5 7 300—310 40 2 — — 6 10 480 33 1,5-1,8 6,4 — 7 13 450—470 31 2 6,25 —

Результаты испытаний на усталость балок двутаврового
сечения с угловыми точечными швами

Таблица 48 № серии Типы швов Сварка полуавтома­ тическая Предел выносли­вости, кгс/мм2 (на базе 2* 10е циклов) 1 Двусторонние точечные шахматные 6-12Z65 * (рис. 97, в) В среде угле­кислого газа 9,5 2 Двусторонние точечные шахматные 10-20Z65 (рис. 97, б) То же 10,5 3 То же » 9,5** 4 » » 11,5 *** 5 » » (113 5—15,51**** 6 Двусторонние точечные шахматные (с дефектами в виде подреза) » 7,5 7 То же (с дефектами в виде непровара) » 7,5 8 То же (балки собраны под сварку с зазором) » 5,5 9 Двусторонние точечные шахматные 10-20Z65, выполненные на форси­рованном режиме » 9,5 10 Двусторонние точечные шахматные 10-20Z65, сваренные «в лодочку» » 9,5—10,5 11 Двусторонние точечные шахматные 10-20Z40 (рис. 97, в) § 8,5—11,5 12 Двусторонние точечные цепные 10-20/40 (рис. 97, г) 7; 5 13 Двусторонние точечные шахматные 10-20Z65 (рис. 97, б) Под флюсом 9,5 * Первая цифра обозначает катет шва, последующие — длину и шаг точеч- ного шва, мм. ** Отпуск при температуре 620® С, 3 ч. *** Швы упрочнены пучком проволоки. **** Швы упрочнены бойком с помощью пневмомолотка.

Рис. 99. Балка коробчатого сечения с угловым точечным швом для испытания на вы­носливость

Анализ расположения усталостных трещин показывает, что наибольшее число повреждений происходит около края точки по границе точки с переходом на полку (типы III, IV, рис. 98). В балках серии № 1 со швами катетом 6 мм разрушение происхо­дило вдоль точечного шва (типы I, II). В балках серии № 5 с по­верхностно упрочненными точечными швами изломы шли поперек точки (тип V) и вне точки, по рабочему сечению балки. Указанные типы изломов в балках серии № 5 свидетельствуют о высокой эффективности поверхностного упрочнения, которое нейтрализует край точки, являющийся концентратором напряжения.

Балки коробчатого сечения. Предел выносливости балок короб­чатого сечения с диафрагмой, приваренной односторонним еди­ничным точечным швом (катетом 10 и длиной 20 мм), расположен­ным поперек полки (см. рис. 96, б и 99), составил 7,5—9,5 кгс/мм2, что на 10—30% ниже предела выносливости балки двутаврового сечения с двусторонними точечными шахматными швами 10-20Z65, расположенными вдоль полки (серии № 2, см. табл. 48).

Усталость соединений с электрозаклепками, выполненными в среде СОг, определяли на балках (рис. 100), имитирующих узел соединения отбортованной диафрагмы толщиной 6 мм с вертикаль­ными поясами пролетных балок мостовых кранов [1211. Мате­риал — листовая сталь СтЗ мартеновской плавки толщиной 6 мм (от = 24,5 кгс/мм2; ав -- 40,6 кгс/мм2; 610 = 35%).

Полки, накладываемые на собранную из двух согнутых уголь­ников коробку, приваривают электрозаклепками с двух сторон в средней рабочей части балки. В головках образцов угольники сваривали между собой ниточными швами с катетом 3—4 мм. Составную балку без электрозаклепок по длине рабочей части не сваривали.

Сварку в среде С02 выполняли полуавтоматом ПДПГ-500 со встроенным реле времени РВ4-1, электродной проволокой марки

Рис. 100. Балка коробчатого сечения с электрозаклепками для испытания на выносли­вость

Св-08Г2С диаметром 2 мм (ГОСТ 2246—70). Сварочный ток соста­влял 500 А, напряжение на дуге 40 В; продолжительность сварки одной электрозаклепки 4,5 с [26]. Диаметр ядра электрозаклепок в месте контакта листов составлял 8—10 мм. В качестве электро- заклепочника применяли держатель типа ДШ-54, приспособленный для сварки электрозаклепок и угловых точечных швов 118]. Использовали осушенную. углекислоту, содержащую не менее 98,5% СОг (ГОСТ 8050—64).

Прочность балок коробчатого сечения с электрозаклепками (без дополнительной обработки после сварки) оказалась на 56% ниже прочности аналогичных балок составного сечения (табл. 49). Столь значительное снижение прочности объясняется совместным действием концентрации напряжений, создаваемой электрозаклеп­кой (Ко = 2,3), и значительными по величине растягивающими остаточными напряжениями.

Таблица 49 Результаты испытаний на усталость балок с электрозаклепками № серии Наименование серии испытаний сварных балок на базе 2*10® циклов II ' ” кгс/мм* % a-ik 1 В исходном состоянии.......................... 5,5 44 2,3 2 После отпуска (при 620° С, 2 ч) . . 7,5 60 1,7 3 После поверхностного наклепа элек­трозаклепок..................................... 9,5-10,5 76—84 1,3—1,2 4 Балки составного сечения (без элек­трозаклепок) ................................... 12,5 100 — Примечание, о— предел вьінослиіюсти составных балок из основ­ного металла; о ^ — предел выносливости балок с электрозаклепками

Рис. 101. Типы изломов от уста­лости балок с электрозаклепками: I — по краю электрозаклепки в полке; II — по электрозаклепке в полке; III — по краю ядра элек­трозаклепки в стенке

Разрушение от уста­лости в большинстве балок начиналось от края элек­трозаклепки с внешней стороны полки (рис. 101, тип I) и при продолжении испытаний переходило на стенку. Только в двух балках излом произошел по электрозаклепке (тип II). При этом трещины начинались изнутри от контура ядра электрозаклеп­ки, в месте соприкосновения полки с отбортованной частью стенки. В этих двух балках был больший по сравнению с остальными бал­ками зазор между листами и недостаточная глубина проплавления. После применения высокого отпуска выносливость балок повы­силась на 36% (см. табл. 49). Усталостные трещины в этих балках были расположены у края электрозаклепок с внешней стороны полки (рис. 101, тип I).

Однако высокий отпуск не всегда эффективен для повышения прочности соединений. Так, в ступенчатых балках, сваренных электродами ЦМ-7 и в среде С02 (серии № 19 и 22; см. табл. 41), а также в балках с угловыми точечными швами (серия № 3, см. табл. 47) после отпуска замечено снижение сопротивления уста­лости на 10—15%.

Высокий отпуск, снижая сварочные остаточные напряжения, одновременно разупрочняет металл в околошовной зоне. Совме­стное влияние указанных факторов определяет эффективность применения отпуска для повышения сопротивляемости соединений усталостному разрушению.

Наибольшее сопротивление усталости достигнуто в результате наклепа поверхности электрозаклепок и прилегающей зоны основ­ного металла пучком проволоки; прочность этих балок по сравне­нию с неупрочненными повысилась на 73—90% и составила 76— 84% от прочности составных балок (табл. 49). Разрушение упроч­ненных балок носило иной характер: трещина начиналась не от поверхности полки, где действуют максимальные напряжения, а от контура ядра электрозаклепки в отбортованной части стенки (рис. 101, тип III).

В ГДР исследовано влияние сварных электрозаклепочных швов, выполненных в углекислом газе, на несущую способность конструкций лонжерона [214]. Модели лонжерона сечением 30x160 мм изготовляли из стали St. V23 (TGL9559) [4] толщиной

2 мм, содержащей 0,20% С; диаметр ядра электрозаклепок 7,4— 9,1 мм. Предел выносливости моделей при симметричном изгибе и шаге между электрозаклепками, равном 200 мм, составил 7 кгс/мм2, а при шаге, равном 100 мм, — 15 кгс/мм2. Несущая способность электрозаклепок при сварке внахлестку листов толщиной до 2 мм (образцы шириной 50 мм) оказалась большей, чем у точек, выпол­ненных контактной сваркой, а при сварке листов тощиной 2,5 мм — наоборот.

Сварные профили специальной формы. Проведенные в ГДР исследования прочности соединений с точечными швами, сварен­ными под флюсом специальным аппаратом, показали, что точечные валиковые швы могут конкурировать с прерывистыми [234].

Образцы (см. рис. 93) с точечными швами 5-10Z30, сваренными под флюсом в шахматном порядке, имели предел выносливости на 30% ниже, чем аналогичные образцы с прерывистыми шах­матными швами 4-75Z150, также выполненными под флюсом [234 ]. Однако указанные образцы с точечными швами имели предел выносливости 15 кгс/мм2, что соответствует прочности шахматного uiBa4-75Z150, выполненного ручной сваркой (ог — 13-ь 16 кгс/мм2), и почти вдвое превышает прочность образцов с цепным швом (ог = 6-ь9 кгс/мм2) [255].

Это открывает возможность в определенных случаях применять сварку точечными валиковыми швами для конструкций, работаю­щих при переменных нагрузках.

Весьма перспективным является применение в некоторых кон­струкциях, работающих при переменных нагрузках, электро­заклепок и валиковых точечных швов, в особенности с дополни­тельной обработкой их поверхностным пластическим деформиро­ванием. Часто точечные угловые швы по прочности не уступают прерывистым швам, поэтому их используют в конструкциях кра­нов, автомобилей, судов и др.