4.2.        Анализ технологичности сварных изделий

Под технологичностью сварных изделий понимается комплекс свойств этих изделий, обеспечивающих наиболее простое, быстрое и экономичное изготовление, транспортировку и монтаж, надежную и экономичную эксплуатацию при обязательном соблюдении условий прочности, устойчивости, выносливости, стойкости к агрессивным воздействиям и других эксплуатационных качеств. Технологичность обеспечивается выбором металла, формы свариваемых элементов и типа соединения, видом сварки и мероприятиями по уменьшению сварочных деформаций и напряжений.

При проработке конструкции изделия и ориентировочном подсчете размеров сечения еще не имеет существенного значения, будет ли конструкция монолитной или сварной. Вопросы, непосредственно связанные со сваркой, возникают при выборе варианта членения изделия на отдельные составные части. Намечая расположение сварных соединений, необходимо учитывать не только форму и размеры составных частей, но и методы получения исходных  заготовок, типы соединений, приемы сварки и другие. Выбор варианта расчленения в значительной степени определяет технологичность конструкции.

Рациональная сварная конструкция должна:

· обеспечивать необходимую надежность;

· иметь минимальное количество деталей и простотой формы;

· иметь минимальный объем сварочных работ;

· быть удобной для выполнения сварных соединений;

· быть простой и удобной для контроля её качества;

· быть простой в изготовлении;

· иметь минимальные массу и стоимость;

· легко транспортироваться;

· быть эстетичной.

При проектировании уникальных изделий большого размера и массы членение нередко является единственно возможным решением, когда изготовление цельного изделия невозможно из-за отсутствия оборудования или соответствующей мощности. При членении сложных деталей желательно сочетать простоту форм отдельных заготовок с рациональным расположением сварных соединений. Так, например, сложную стальную цельнолитую отливку большого размера приходится формовать в полу цеха с большими затратами ручного труда. Переход к сварному варианту из небольших простых литых заготовок позволяет применить машинную формовку и значительно сократить трудоемкость изготовления заготовки.

Нередко условия нагружения частей сварного изделия различаются весьма заметно. В этом случае целесообразно выбирать материалы и методы получения заготовок с учетом различия требований к механическим свойствам отдельных частей.

При выборе метода сварки и типа соединения необходимо учитывать свариваемость металла заготовок, удобство выполнения сборочно-сварочных операций, марку присадочного материала и  целесообразность выполнения последующей термообработки. Эти факторы предопределяют механические свойства сварного соединения, значения допускаемого напряжения, прочность и надежность всего изделия.

На стадии рабочего проектирования конструктивное оформление сварных соединений прорабатывается более детально. На чертежах указывают характер обработки кромок, допуски на размер с учетом припусков на последующую механическую обработку отдельного  узла или всего изделия.

При проектировании конструкции сварной заготовки необходимо учитывать возможность образования сварочных напряжений и деформаций, и их устранения за счет последующей термообработки, рихтовки и других специальных операций. Внешние сварочные деформации приводят к снижению точности размеров заготовок и требуют назначения больших припусков на механическую обработку.

Сварочные деформации и напряжения возникают вследствие локальной пластической деформации отдельных зон сварного соединения из-за неравномерного разогрева при сварке. Металл в зоне максимального нагрева, претерпевающий пластическую деформацию сжатия при нагреве, после полного охлаждения получает остаточное укорочение. Это укорочение приводит к изменению формы всей сварной заготовки. Абсолютное укорочение линейных размеров пропорционально их длине в зоне пластической деформации.


В соответствии с этим основные закономерности процесса развития внешних сварочных деформаций сводятся к следующему:

· абсолютное укорочение возрастает с увеличением зоны пластической деформации, т.е. с увеличением объема наплавляемого металла и зоны разогрева заготовки;

· при симметричном размещении наплавляемого металла относительно центра тяжести сечения свариваемых элементов изменяются только размеры самих элементов, т.е. происходит деформация поперечной и продольной усадок;

· при несимметричном расположении наплавляемого металла относительно центра тяжести сечения изменяется форма сварных заготовок, т.е. происходит угловая деформация и изгиб;

· величина деформации определяется величиной остаточного укорочения и сопротивлением сварной заготовки деформации.

Мероприятия, уменьшающие внешние сварочные деформации, направлены на снижение остаточного укорочения и устранение несимметричности его распределения, а также на повышение сопротивления свариваемых элементов деформированию. Они могут быть реализованы на этапе конструирования или изготовления сварного узла. Как правило, полностью устранить сварочные деформации не удается, поэтому при необходимости возможно применение правки уже готовых сварных заготовок.

Поперечную и продольную усадку заготовок можно скомпенсировать увеличением размеров заготовки под сварку на величину предполагаемой деформации или сваркой элементов, ориентированных «зеркально» относительно предполагаемой деформации. Угловая деформация может быть устранена или снижена:

· предварительным угловым изгибом заготовок перед сваркой в противоположном направлении;

· уменьшением сечения шва заменой V-образной разделки на U-образную;

· симметричным размещением наплавленного металла относительно центра тяжести сечения шва;

· заменой  V-образной заделки на Х-образную;

· жестким закреплением свариваемых элементов при сварке в специальных кондукторных приспособлениях или применением ребер жесткости.

Деформацию изгиба можно исключить:

· предварительным обратным прогибом балки перед сваркой;

· рациональной последовательностью укладки швов относительно цента тяжести сечения сварной балки;

· термической (горячей) правкой путем нагрева зон, сокращение которых необходимо для исправления деформации заготовки, до температур термопластического состояния.

Остаточные сварочные напряжения представляют собой систему внутренних сил, находящихся в равновесии. При нарушении этого равновесия напряжения перераспределяются, что сопровождается упругими и пластическими деформациями в дополнение к сварочным деформациям,  полученным ранее в процессе сварки. Поэтому при механической обработке  сварных заготовок часто невозможно добиться высокой точности их размеров.

Для предупреждения возникновения высоких сварочных напряжений не следует допускать скопления сварочных швов и пересечений их друг с другом, рекомендуется использовать способы сварки, обеспечивающие минимальный разогрев заготовок. Для снятия напряжений применяют высокий отпуск сварных заготовок, а  также прокатку или проковку сварных швов.

Основным количественным показателем технологичности сварной конструкции является коэффициент механизации, определяемый по формуле:

,                                                        (4.1)

где Lм – суммарная длина швов, выполняемых автоматическими и механизированными способами;  Lобщ – общая длина сварных швов.

Коэффициент механизации отражает производительность изготовления сварных изделий и при современном уровне развития сварочной техники достигает не менее 0,75…0,8.

Для уменьшения вероятности образования холодных трещин при сварке желательно полностью исключить геометрические концентраторы напряжений и по возможности максимально удалять сварные швы от концентратора. С этой же целью необходимо сводить к минимуму рихтовочные и правочные операции после сварки.