Характеристика объекта сварки

Машиностроительные конструкции условно делятся на следующие группы:

1) емкостные конструкции (сосуды и аппараты, работающие под давлением, котлы, емкости различного назначения и вместимости) и оборудование специального назначения (печи, конвертеры, миксеры);

2) рамные конструкции (рамы под оборудование, каркасы, этажерочные конструкции, несущие оборудование и трубопроводы);

3) нестандартное оборудование (бункеры, затворы, кожухи оборудования);

4) детали машин и приборов, работающие преимущественно при переменных многоцикличных нагрузках (станины, валы, колеса);

5) прочие конструкции.

Конструкции из алюминия получили широкое распространение во многих сферах жизнедеятельности человека благодаря их достоинствам: долговечности, надежности в эксплуатации, транспортабельности, легкости, простоте монтажа и демонтажа.

Металлоконструкции могут быть использованы в разных областях строительства и машиностроения. С помощью них делают: кровельные панели зданий с большими пролетами, оконные переплеты, витражи и другие архитектурные детали, несущие конструкции различного оборудования. Алюминиевые металлоконструкции широко используются там, где необходимо получить сложное по форме изделие или большое значение имеет устойчивость к коррозии.

Очень часто из алюминия собирают металлический каркас здания. Такое строение отличается высокой прочностью и легкостью. Возможность быстрой сборки и демонтажа конструкции, а также легкость всего сооружения привели к широкому распространению алюминиевого профиля при возведении торговых павильонов и других временных построек.

Перечисленные выше свойства алюминия, а также его устойчивость к агрессивным воздействиям окружающей среды стали причиной повышения спроса на металлоконструкции из этого материала. Такую высокую устойчивость металла к внешнему воздействию можно достигнуть за счет оксидирования, когда на поверхность наносится специальное защитное покрытие.

Несомненным достоинством алюминиевых металлоконструкций является их стойкость к температурным воздействиям, особенно низким температурам. Это свойство значительно расширяет географическую область применения материала, позволяя использовать его в районах с суровым климатом. Конструкции из алюминия возводятся очень быстро, так как их монтаж не представляет особой сложности. При этом алюминиевые металлоконструкции более доступны по цене, чем изделия из других металлов.

Не стоит забывать и о недостатках алюминиевых металлоконструкций. Прежде всего, это высокая стоимость, если сравнивать со стальными аналогами. Также по сравнению со сталью модуль упругости алюминиевых сплавов почти в три раза меньше. Вследствие этого, стальные балки и фермы дают меньший прогиб, их критическая сила для сжатия элементов больше, а коэффициент линейного расширения в два раза меньше, чем у алюминия (a = 23 × 10^-6 и 12 × 10^-6 K^-1).

Эти свойства алюминия являются причиной необходимости устройства температурных швов. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что место стыка алюминиевого сплава и другого материала может быть подвержено электрохимической коррозии.

Рисунок 1 - Чертеж изделия каркаса из профиля 410081

 

1.1.1 Конструктивные особенности, условия эксплуатации, требования к сварным соединени ям

Электромеханический вибростенд (или механический вибростенд) – это устройство, которое создает низкочастотные колебания с помощью особой специальной конструкции передаточного механизма.

Все механические вибростенды являются низкочастотными, т.к. верхняя частота ограничена прочностью звеньев передаточного механизма, который ввиду своей конструкции имеет большое количество резонансных частот.

Основным преимуществом механических вибростендов является постоянство отработки режимов испытаний, большая грузоподъемность и большие размеры рабочего стола.

Ввиду своих характеристик, механические вибростенды еще называют стендами транспортной тряски или стендами для технологической вибрации, т.к. они могут использоваться для проведения испытаний изделий на устойчивость и прочность при воздействии низкочастотной вибрации (до 100 Гц). Основными параметрами технологический вибрации является частотный диапазон в пределах 5 – 80 Гц и диапазон ускорений до 14G.

Эксцентриковый кулачковый механизм позволяет имитировать неровности и удары дорог, широкополосную случайную вибрацию, которые присутствуют во время транспортировки изделий. Испытания на транспортирование позволяют определить работоспособность изделий и стойкость на механические воздействия, а также оценить срок его эксплуатации.

Еще одним часто встречающимся применением таких стендов являются испытания на усталостное повреждение от моторного транспорта. Моторный транспорт создает локальные вибрации на образце, значения которых могут быть увеличены на стенде до определенного значения в соответствии с диапазоном линейности. Это позволяет многократно уменьшить время испытаний и, таким образом, ускорить проверку изделия на его работоспособность.

Рисунок 2 - вибростенд серии DBJ

 

Поскольку вибрационная прочность в значительной мере зависит от явлений концентрации напряжений, а эти явления в сварных соединениях весьма разнообразны и ярко выражены, вибрационная прочность сварных соединений получается весьма различной. Прежде всего вибрационная прочность зависит от типа соединения и связанной с ним формы соединения. Параллельно с этим вибрационная прочность в большой мере зависит от дефектов сварки и основного металла, а в соответствии с этим и от техно­логических факторов сварки. Непровары и пористости крайне резко снижают вибрационную прочность сварных соединений: так, пористость в 1% снижает вибрационную прочность на 30%, непровары в 5% площади в корне шва — на 50%. Следовательно, горячие трещины оказывают очень большое отрицательное влияние на вибрационную прочность.

Плотность шва является основой хорошей вибрационной прочности. Весьма плотный шов дает автоматическая сварка, которая и должна применяться в первую очередь. Вибрационная прочность понижается с увеличением областей напряженных (переохлажденных) структур к околошовной зоне; поэтому в конструкциях, работающих на вибрационную нагрузку, технология сварки должна быть так подобрана, чтобы размеры этих зон были наименьшими. В соответствии с этим следует избегать сварки на морозе в конструкциях, работающих на динамическую нагрузку. В то же время вибрационная прочность при понижении температуры повышается; поэтому надежная эксплуатация конструкций, хорошо сваренных и не имеющих повреждений, работающих на вибрационную нагрузку при пониженных температурах, вполне возможна.

Разделка кромок и вид тока не влияют на вибрационную прочность, но для конструкций, работающих на вибрационную нагрузку, совершенно обязательна подварка корня. Как уже было отмечено, большое влияние на вибрационную прочность оказывает масштабный фактор, т. е. размеры элементов. Особенно это важно для сварных соединений; поэтому определение вибрационной прочности последних следует производить на больших образцах.

Разрушение от усталости сварных соединений происходит по основному металлу в местах наибольшей концентрации напряжений.

Приварка к элементу дополнительных деталей (выступающих фасонок, ребер и т. д.) отрицательно отражается на вибрационной работе элемента. Так, приварка к элементу двух выступающих фасонок, даже плавно подходящих к месту крепления элемента, снижает вибрационную прочность при отношении напряжений

В целях снижения массы вибростенда внутренний каркас может быть изготовлен из алюминиевых сплавов.

Технология сварки алюминия и его сплавов достаточно многообразна. К числу основных особенностей сварки алюминия и его сплавов относятся: необходимость удаления окисной пленки с поверхности свариваемых изделий, тщательная подготовка под сварку, предварительный подогрев и др. К основным трудностям сварки алюминия относятся:

1. Наличие и возможность образования тугоплавкого окисла Al₂O₃ (T_пл = 2050ºС) с плотностью больше, чем у алюминия, затрудняет сплавление кромок соединения и способствует загрязнению металла шва частичками этой пленки.

2. Резкое падение прочности при высоких температурах может привести к разрушению (проваливанию) твердого металла нерасплавившейся части кромок под действием веса сварочной ванны. В связи с высокой жидкотекучестью, алюминий может вытекать через корень шва.

3. В связи с большой величиной коэффициента линейного расширения и низким модулем упругости сплав имеет повышенную склонность к короблению. Уровень сварочных деформаций в 1.5-2 раза выше, чем у аналогичных стальных конструкций.

4. Необходима самая тщательная химическая очистка сварочной проволоки и механическая очистка и обезжиривание свариваемых кромок. В связи с резким повышением растворимости газов в нагретом металле и задержкой их в металле при его остывании возникает интенсивная пористость, обусловленная водородом, приводящая к снижению прочности и пластичности металла. Предварительный и сопутствующий подогрев замедляет кристаллизацию металла сварочной ванны, что способствует более полному удалению газов и снижению пористости.

5. Вследствие высокой теплопроводности алюминия необходимо применение мощных источников теплоты. С этой точки зрения в ряде случаев желательны подогрев начальных участков шва до температуры 120-150⁰С или применение предварительного и сопутствующего подогрева.

6. Металл шва склонен к возникновению трещин в связи с грубой столбчатой структурой металла шва и выделением по границам зерен легкосплавных эвтектик, а также развитием значительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия (7%).

Для алюминия и его сплавов используют все виды сварки плавлением. Наибольшее применение нашли автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка неплавящимся и плавящимся электродом в среде инертных защитных газов.