В зависимости от свариваемости металла и его чувствительности к концентрации напряжений представления о технологичности од­ного и того же конструктивного оформления могут оказаться раз­личными. Поэтому конструктивное оформление узлов и соединений сосуда целесообразно рассматривать раздельно для разных типов используемых материалов.

Характерная для низкоуглеродистых сталей хорошая сваривае­мость и малая чувствительность к концентрации напряжений позво­ляет использовать любые типы сварных соединений. Поэтому при использовании таких материалов конструкция узлов и соединений определяется главным образом соображениями снижения трудоем­кости изготовления изделия. Примером этому служат тормозные воздушные баллоны грузовых автомобилей, изготовляемые в усло­виях крупносерийного или массового производства, когда техноло­гичность изделия особенно важна.

Воздушный баллон (рис. 2) имеет обечайку из горячекатаной стали 20кп толщиной 2 мм и два штампованных днища из стали
08кп толщиной 2,5 мм. Днища имеют бобышки, привариваемые дуговой или рельефной сваркой. Рельефная сварка осуществляется за счет специального кольцевого выступа на бобышке (рис. 3, а). Она более производительна и не требует вращения днища. Однако те бобышки, которые имеют отводную трубку, приходится привари­вать дуговой сваркой в С02 с вращением днища (рис. 3, б, в).

За счет некоторого усложнения формы штампованного днища, как показано на рис. 4, можно устранить необходимость наличия

отводной трубки и выполнить все бобышки одинаковыми с исполь­

зованием рельефной сварки. Сборка продольного стыка обечайки на медной подкладке и однопроходная сварка под флюсом или в С02

Рис. 2. Воздушный тормозной баллон гру­зового автомобиля

является достаточно простой операцией, выполняемой с помощью высокопроизводи­тельной оснастки. Сборку и сварку кольцевых швов обе­чайки и днищ в случае их выполнения встык механизи­ровать труднее.

Поэтому в рассматривае­мой конструкции баллона это соединение выполнено вна­хлестку. Такое решение поз­воляет сравнительно просто механизировать сборочную операцию путем одновремен­ной запрессовки днищ в обе­чайку с двух сторон. Эта опе­рация облегчается кониче­ской формой отбортованных частей днищ, обеспечивающих само- центровку их относительно обечайки при сборке. Наружные угловые швы полученных нахлесточных соединений можно выполнять одно­временно двумя неподвижными сварочными головками при вра­щении изделия.

Несколько иное конструктивное оформление соединения обе­чайки с днищами имеют воздушные тормозные резервуары вагонов железных дорог (ГОСТ 1561—65*), выполняемые также из низко­углеродистой стали. Кольцевые стыки собирают на подкладном кольце (рис. 5), что позволяет сваривать их автоматической свар­кой под флюсом с полным проплавлением стенки обечайки. '

порядка 0,7 мм, а коэффициент запаса по отношению к пределу проч­ности принимают не менее 3,5. Рассмотренные конструкции воздушных баллонов хотя и просты в изготовлении, однако имеют сравнительно большую массу и зна-

Рис. 3. Технология сварки штуцеров с днищами; а — положение штуцера при рельефной сварке; б — схема приварки штуцера дуговой сваркой; с — схема сварки штуцера с трубк’ой

ф

Согласно ГОСТ 1561—65 тормозные резервуары различной ем­кости отличаются по диаметру, тогда как толщина стенок и макси­мальное рабочее давление для всех типоразмеров одинаковы. Естественно, стенки более крупных резервуаров оказываются более нагруженными. При их расчете на прочность учитывают возмож­ность уменьшения толщины стенки вследствие коррозии на величину
чительную протяженность сварных швов. Уменьшить массу и тру­доемкость изготовления воздушного баллона из низкоуглеродистой стали можно путем сварки его из двух половин, полученных из штампованной заготовки последующим утонением ротационным выдавливанием [4] (рис. 6).

обечайки утоняли до толщины 1,2—1,3 мм с оставлением не - утоненной стенки на длине образующей 5 мм от кромки. Наклеп металла обеспечивает утоненной стенке обечайки не­обходимый уровень прочности, тогда как наличие повышенной толщины в месте расположения замыкающего кольцевого шва упрощает его выполнение дуго­вой сваркой в С02 и устраняет возможность разупрочнения от сварки зоны утонения. Разно­сторонние испытания опытной партии таких облегченных баллонов показали, что их работоспо­собность не уступает стандартной конструкции баллона.

Рис. 5. Воздушный тормозной резервуар железнодорожного вагона

При толщине исходной листовой заготовки 3 мм обжатием на

цилиндрическую часть

Рис. 4. Воздушный тормозной баллон

Другой путь уменьшения массы баллона — это использование более прочной стали. Примером может служить конструкция ацети­ленового баллона, выполненного из низколегированной стали 15ХСНД. Все рабочие швы баллона выполнены встык, в том числе
вварка штуцера в верхнее днище (рис. 7). Для нерабочего соедине­ния (приварки опорного башмака) сделано исключение — оно вы­полнено внахлестку прерывистым угловым швом. Сталь 15ХСНД хорошо сваривается и не требует термообработки соединений после сварки.

Рис. 6. Тормозной баллон из штампо­ванных заготовок с утонением стенки ротационным выдавливанием

Расчет таких- сосудов, как ацетиленовый баллон, выпол­няют согласно правилам Госгор­технадзора СССР [7] и ГОСТ 14249— 73 ***. Порядок расчета следующий [5].

Механические свойства стали 15ХСНД

ав = 52 кгс/мм2;

ат = 35 кгс/мм2.

Толщина стенки обечайки (см. рис. 7)

PpD

+ С + с0 + съ

2[а]р лф-Рр

І!'

где рр = 30 кгс/см2 — расчетное давление, равное рабочему;

[а]р — номинальное допускаемое напряжение принимают равным наименьшей из трех величин:

«в -2,6

ФіОО

а) по св; [ст]р<

• - и

'*1

Рис. 7. Ацетиленовый баллон

[о]р = || = 20 кгс/мм2;

б) по от; [crLsS

пТ — 1,5

35

[сг]р = y-g - = 22,6 кгс/мм2;

в) расчет по пределу длитель­ной прочности можно не произ­водить, так как рабочая температура стенки не превышает 470° С; принимаем [сг]р = 20,0 кгс/мм2;

D = 29,1 см — внутренний диаметр обечайки; с — прибавка на коррозию (скорость коррозии для химических аппаратов не должна превышать 0,1 мм в год), принимая срок

службы баллона 10 лет, имеем

с = 0,1хЮ=1 мм = 0,1 см;

с0 — прибавка на округление размеров; сх — дополнительная прибавка;

Ф = 1,0 — коэффициент сварного шва, свариваемого с двух сто­рон автоматической сваркой под слоем флюса;

т) = 0,9 — поправочный коэффициент, учитывающий класс и группу эксплуатации сосудов, работающих под давлением; тогда

t — 2 2000 - 0,9-1,0— 30 + 0,1 = 0>244 + 0,1= 0,344 см.

Принимаем толщину стенки t = 4 мм.

Толщина днища (см. рис. 7)

# ppD D | i f

^ 4 [о]р rkq>2—pp 2h

где рр = 30 кгс/см2 — расчетное давление;

[а]р = 2000 кгс/см2 — номинальное допускаемое напряжение; и — 29,1 см — диаметр днища внутренний; с — 0,1 см прибавка на коррозию;

h = (100 — 25 — 4) = 71 мм = 7,1 см — высота выпуклой

части днища внутренняя;

Ф = 1,0 — коэффициент сварного шва, свариваемого с двух сторон автоматической сваркой под флюсом; т] = 0,9 — поправочный коэффициент, учитывающий класс и группу эксплуатации сосудов, работающих под давле­нием;

k — 0,95 — конструктивный коэффициент; z = 1,0 — коэффициент неукрепленного отверстия; тогда

Толщина днища Пй D

29,1

60-29,1

: 0,366 см < 0,4 см.

4оцк(рг — П 2h 4 • 2980 • 0,9 • 0,95 • 1,0 • 1,0 — 60 2-7,1

Конструктивное оформление сварных соединений, рассмотрен­ное применительно к баллону из стали 15ХСНД, может быть исполь­зовано и для сосудов из более прочных сталей, например ЗОХГСА с пределом прочности св = 120 - ь 130 кгс/мм2 после закалки и низкого отпуска. Однако в этом случае технология изготовления сосуда заметно усложняется дополнительной операцией термообра­ботки, необходимой для

А и./ 1 i-J К § і V / /' г1 г У «2 ■s < то 3

устранения неоднородности механических свойств в зо­не сварного соединения и для обеспечения требуемо­го уровня прочности изде­лия. При использовании стали 25ХСНВФА [4], обработанной на ов =

^2

= 140 кгс/мм2, применение остающихся подкладных колец не допускается (рис. 8).

Рис. 8. Сосуд, работающий под высоким внутренним давлением

Проектирование и изго­товление сосудов из еще, более высокопрочной стали с ав = 160 -5- 200 кгс/ммв имеет ряд особенностей.

Для предотвращения возникновения холодных трещин каждую сва­рочную операцию обычно сопровождают высоким отпуском свар­ного соединения или узла, а после завершения процесса изготовле­ния производят закалку и низкий отпуск всего изделия. Особое внимание при использовании таких материалов приходится уделять предотвращению и устранению концентрации напряжений.

Концентрацию напряжений, вызываемую конструктивными фор­мами сосуда, можно свести к минимуму при проектировании. Это достигается использованием соединений встык с плавными перехо­дами от основного металла к наплавленному и от одного конструк­тивного элемента к другому. Значительно труднее получить такие очертания технологически, а также предотвратить появление де­фектов или нарушений принятых проектом форм. Так как приме­нительно к сосудам из сталей ов — 160 200 кгс/мм2 вопросы

технологического обеспечения проектных решений приобретают ре­шающее значение, то на этом следует остановиться подробнее.

Сварку высокопрочных сталей выполняют в среде защитного газа с использованием, как правило, соединений встык. В зависи­
мости от толщины металла и типа шва (продольный, кольцевой, круговой) приемы сварки могут быть различны: в один или не­сколько проходов, плавящимся или неплавящимся электродом, с присадочным или без присадочного металла и т. д. Например, при выполнении соединений встык целесообразно с помощью спе­циального устройства создавать колебания электрода поперек шва. Этим достигается благоприятное изменение характера кристал­лизации металла шва и уменьшение перегрева в околошовной зоне, а также улучшение формы сварного соединения с плавным перехо­дом от основного металла к металлу шва. В большинстве случаев сварку стыковых соединений осуществляют с одной стороны на съемной подкладке с канавкой. Кромки прижимают к подкладке при сварке прямолинейных швов клавишными прижимами, а при сварке кольцевых швов — распором внутреннего подкладного кольца. Особое внимание уделяют конструктивному оформлению и технологии выполнения замыкающего шва сосуда.

При наличии лазовых отверстий или патрубков значительного размера внутрь сосуда можно ввести разборное разжимное кольцо. В этом случае одностороннюю сварку замыкающего шва выполняют на съемной подкладке по обычной технологии. Задача усложняется, если размеры отверстий патрубков малы. Для этого типа сталей остающееся подкладное кольцо является слишком резким концент­ратором и его^использовать нельзя, поэтому приходится осуществ­лять одностороннюю сварку на весу.

При сварке в нижнем положении действие силы тяжести и давле­ния дуги вызывает прбвисание сварочной ванны, форма проплава получается выпуклой, и обеспечить плавный переход от основного металла к проплаву на всем протяжении шва обычно не удается. Хорошие результаты дает выполнение шва в потолочном положении, когда давление дуги уравновешивается силой тяжести металла сварочной ванны и при надежном проплавлении корня шва проплав формируется заподлицо с основным металлом.

Требования к механическим свойствам сварного соединения за­висят от положения шва относительно направления наибольшего главного напряжения. Так, к продольным швам цилиндрического сосуда предъявляют требование равнопрочности основному металлу, тогда как от металла кольцевого шва равнопрочности не требуется. Последнее обстоятельство иногда используют при сварке кольцевых и спиральных швов, применяя более мягкую присадочную прово­локу или подвергая эти швы местной смягчающей термообра: ботке, когда свариваемые элементы прошли закалку и низкий отпуск и после сварки термообработке не подлежат. Хотя в этих случаях прочностные показатели зоны кольцевого шва ока­зываются заметно ниже, чем у основного металла, это не снижает несущей способности сосуда, если ширина зоны разупрочнения невелика [6].

Технологические дефекты могут быть как в основном металле изделия в виде царапин и других поверхностных повреждений, так и в сварных соединениях в виде отдельных несплошностей (поры, трещины, непровары), нарушений формирования шва и смещения кромок. В сосудах из высокопрочных материалов такого рода де­фекты недопустимы. Однако в процессе изготовления полностью исключить их появление не удается. Отсюда возникает необходи­мость рекомендаций о методах их исправления.

В направлении поперек шва концентраторами являются смеще - нйя кромок и недостаточно плавные переходы от основного ме­талла к металлу шва, а в направлении вдоль шва — неровности поверхности усиления и проплава.

Стремление избавиться от таких концентраторов заставляет иногда прибегать к механическому удалению усиления и проплава 'шлифовкой. Однако эта операция не только трудоемка, но и требует принятия специальных мер по предотвращению утонения основного металла вблизи шва, в особенности в местах, где имеется смещение кромок.

Более целесообразно такую операцию выполнять путем про­катки шва между двумя роликами, между роликом и жесткой под­кладкой или машинной проковкой: Так как узлы сосуда из высоко­прочной стали обычно подвергают промежуточной термообработке после выполнения каждого шва, а после завершения всех опера­ций — закалке и низкому отпуску, то в этом случае пластическая деформация может способствовать как улучшению формы, так и свойств сварного соединения. Улучшение формы выражается в сгла­живании неровностей поверхности шва, осадке (заглаживании) уси­ления и проплава, устранении депланации листов в стыковом сое­динении, т. е. в устранении основных концентраторов напряжений, присущих сварному соединению встык. Поры, непровары и тре­щины в металле шва целесообразно устранять переваркой сварного соединения. Забоины и царапины основного металла Могут уда­ляться зачисткой с местным утонением стенки сосуда до 20% началь­ной толщины. Эксперименты показывают, что подобное местное ослабление не снижает несущей способности сосуда, если переходы выполнены плавно.

Большинство положений, рассмотренных выше применительно к конструктивному оформлению и технологии изготовления тонко­стенных сосудов из сталей, сохраняет свое значение и при проекти­ровании сосудов из других материалов с высокой удельной проч­ностью.

При проектировании сосудов из титановых сплавов приходится учитывать их повышенную склонность к замедленным разрушениям. Для устранения этой опасности необходимо, во-первых, избежать неблагоприятных изменений механических свойств при сварке из-за недостаточной защиты зоны нагрева и, во-вторых, предотвратить
повышение напряжений, которое может быть вызвано концентра­цией напряжений при нагружении или действием остаточных на­пряжений.

Технологические мероприятия в этом случае имеют целью обес­печение надежной защиты зоны сварки от действия газов воздуха, тщательное выполнение сборочных и сварочных операций и снятие остаточных напряжений с помощью последующей термообработки. При конструировании стремятся создать плавные переходы соеди­няемых деталей и узлов с использованием только стыковых соедине­ний. Иногда для понижения напряжений в зоне сварного соединения увеличивают толщину металла в местах сварных соединений, как это можно видеть на примере сферического сосуда из титанового

а — чертеж сосуда; б — схема работы стенок под внутренним давлением Рис. 9. Сферический сосуд из титанового сплава:

сплава ВТ6С на рис. 9, а. Несмотря на заметное уве­личение трудоемкости под­готовки деталей под сварку такой прием может быть полезен при условии плав­ного изменения толщины с хорошо обработанной по­верхностью в местах пере­ходов. Пренебрежение этим условием может привести к противоположному резуль­тату, так как в условиях двухосного растяжения ти­тановые сплавы весьма чув-

ствительны к поверхностным концентраторам, а отсутствие плав­ного перехода в месте изменения толщины стенки при нагружении может вызвать значительные напряжения от дополнительного мо­мента (рис. 9, б).

При изготовлении сосудов из титановых сплавов имеют место значительные деформации коробления от сварки. Это затрудняет выполнение сборочных операций и ведет к нарушениям проектных форм сосуда. Поэтому при проектировании сборочно-сварочной оснастки необходимо предусматривать мероприятия по ограниче­нию сварочных деформаций, а для правки использовать прокатку зоны шва роликами или машинную проковку.

Алюминиевые сплавы менее чувствительны к концентрации на­пряжений, чем высокопрочные стали или титановые сплавы, однако и в этом случае целесообразно использовать исключительно соеди­нения встык с плавным переходом от основного металла к наплав­ленному. Сварные швы обычно выполняют аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом с присадочной проволокой, на подкладке, формирующей шов с обратной стороны. Понижение прочности сва­ренных по такой технологии стыковых швов может быть вызвано
плохим формированием корня шва с резким переходом от основного металла к металлу проплава, в особенности, если это сочетается с наличием пор по линии сплавления и стыкуемые кромки сварены со смещением или «домиком». Для повышения надежности соедине­ния нередко усиление проплава удаляют заподлицо с основным металлом. Определенные труд­ности встречает выполнение за­мыкающего кольцевого шва, сое­диняющего две части сосуда, когда корень шва недоступен и нет возможности ввести внутрь разборное подкладное кольцо.

Щ777777777777777777777777777А

Рис. 10. Сборка фланца с оболочкой с помощью технологического буртика

Так как надежное и полное проплавление всей толщины

стенки при сварке на весу для алюминиевых сплавов получить не удается, то этот стык обычно выполняют с остающимся подкладным кольцом, предварительно прихваченным к одной из деталей перед

Рис. 11. Схема приспособления для прижа­тия кромок к подкладке в процессе сварки:

общей сборкой. Следует иметь в виду, что использование такого соединения примени­тельно к алюминиевым спла­вам требует весьма тщатель­ной сборки. При увеличении зазора между подкладным кольцом и соединяемыми кромками проплав может при­нять крайне неблагоприят­ные очертания, создавая кон­центратор напряжений, спо­собный снизить конструктив­ную прочность изделия.

1 — прижимные ролики; 2 — присадочная проволока

При выполнении стыко­вых соединений алюминиевых сплавов на съемной подклад­ке в процессе сварки возмо­жен отход кромок от подклад­ки, в результате чего возни­кают такие дефекты, как смещение кромок или «домик». Для предотвращения таких переме­щений при сварке круговых швов иногда предусматривают буртик у ввариваемой детали [8], как показано на рис. 10, а при сварке продольных и кольцевых швов — прижимной ролик (рис. 11), пере­катывающийся по свариваемым кромкам перед сварочной голов­кой [1].