Способ сборки и односторонней сварки стыковых соединений тонколистовых материалов

 

Использование: в судостроении для дуговой сварки в монтажных условиях тонколистовых корпусных конструкций из стали. Сущность изобретения заключается в том, что формирующую подкладку устанавливают в пазе гребенки с нормированным зазором между сопрягаемыми боковыми поверхностями, величина которого находится в пределах 0,05-0,025 от толщины свариваемого листа. 1 ил. 1 табл.

Изобретение относится к сварочному производству, преимущественно к дуговой сварке в монтажных условиях прямо- и криволинейных стыковых соединений тонколистовых корпусных конструкций из сталей, титановых и алюминиевых сплавов, и может быть использовано в судостроительной промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Известно множество способов и устройств для сборки и сварки встык соединений листовых изделий, но почти все они используются в стационарных установках, применяемых при изготовлении плоскостных конструкций (секций) из плоских и оребренных листов.

Для формирования шва при сварке в монтажных условиях применительно к алюминиевым сплавам японскими специалистами предложен способ сборки и сварки, включающий использование тонкой подкладной ленты из материала с высокой температурой плавления типа нержавеющей стали, а также полосы из алюминиевого сплава для закрепления подкладной ленты на обоих свариваемых листах путем присоединения полосы к одному из листов электроприхватками (заявка Японии N 61-219484 от 29.09.86 г.). Этот способ сборки совершенно не связывает свариваемые листы, потому для листов толщиной менее 5-6 мм, кромки которых до сварки обычно не находятся в одной плоскости, применять его не представляется возможным.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ сборки и односторонней дуговой сварки стыковых соединений листов в монтажных условиях (К.Тераи, М. Арикава. Современное состояние односторонней автоматической сварки. Перевод с англ. под ред. Ф.Ф.Бенуа. Л.Судостроение, 1974, с.90), который включает применение П-образных гребенок, присоединенных к листам сборочными электроприхватками, металлических подкладок с формирующей канавкой и клиньев, размещенных в пазах гребенок и прижимающих подкладки и листы друг к другу.

Недостатком прототипа является то, что при его применении зазор между листами в процессе сварки протяженных швов не выдерживается в регламентируемом диапазоне и уменьшается настолько, что не удается добиться полного сплавления кромок. Поэтому становится неизбежной вырубка корня шва и подварка шва с обратной стороны, т.е. односторонняя сварка превращается в двустороннюю. Кроме того, в стыковых соединениях тонколистовых материалов (δ ≅ 5-6 мм) образуются недопустимые остаточные сварочные деформации. В результате поперечного укорочения охлаждающего шва в соединении формируются угловые деформации, так называемые "домики", появление которых ведет к снижению теплоотвода из зоны сварки в подкладку и выпучиванию нагретых околошовных зон, что способствует возникновению разностенности и продольного изгиба соединения. Подварка шва после снятия сборочно-формирующего устройства увеличивает деформации соединения. Деформированное сварное соединение характеризуется высокой концентрацией напряжений при рабочем нагружении конструкции, отрицательно сказывается на ходкости и эстетичности судового корпуса, подлежит правке часто с предварительной разрезкой и повторной сваркой. Работы по устранению дефектов шва и деформаций соединения требуют значительных затрат труда, материалов и не всегда дают результаты, удовлетворяющие требованиям эксплуатации судна.

Цель предлагаемого изобретения предотвращение дефектов формирования шва, устранение недопустимых сварочных деформаций и повышение работоспособности стыковых соединений тонколистовых материалов, выполненных односторонней дуговой сваркой преимущественно в монтажных условиях.

Поставленная цель достигается тем, что формирующую подкладку устанавливают в пазе гребенки с нормированным зазором между сопрягаемыми боковыми поверхностями, величина которого находится в пределах 0,05-0,25 от толщины свариваемого листа.

Величина указанного зазора выбирается в зависимости от поперечной усадки стыкового соединения и величины досварочного зазора таким образом, чтобы максимальные значения не превышали "возможно достигаемую" усадку и обеспечивали сохранение досварочного зазора между соединяемыми листами, а минимальные назначали из условия избежания разрушения сварного шва в результате образования горячих или подсолидусных трещин.

На чертеже изображен общий вид собранных элементов и листов под сварку. Сборка предусматривает использование П-образных гребенок 1, присоединенных к свариваемым листам, установленных с гарантированным зазором сборочными электроприхватками 2 и 3, металлических подкладок с формирующей канавкой 4 и клиньев 5, размещенных в пазах гребенок 1 и прижимающих подкладки 4 и листы друг к другу, причем размеры и форма формирующей канавки воспроизводят размеры и форму обратного усиления шва. Подкладка 4 размещается в пазах гребенок 1. Концевые гребенки под подкладку присоединяются к листам перед, а промежуточные после прорезки зазора с соблюдением заявляемой величины зазора (0,05 - 0,25)δ между сопрягаемыми боковыми поверхностями гребенки и подкладки.

Охлаждающийся шов стремится уменьшить зазор между свариваемыми кромками листов, что сопровождается адекватным изменением величины зазора между сопрягаемыми боковыми поверхностями гребенки 1 и подкладки 4. После взаимного сближения кромок на величину (0,05 - 0,25)δ подкладка 4 начинает оказывать распирающее действие на гребенку 1, а через прихватки 2 и на листы, благодаря чему при касательных напряжениях в прихватках 2, меньших предела текучести, дальнейшее перемещение свариваемых листов не происходит и сварка листов продолжает осуществляться с гарантированным зазором. Распирающее действие подкладки 4 на свариваемые листы оказывает, по крайней мере, двойной положительный эффект на качество сварного соединения. Во-первых, дополнительное поперечное растяжение формирующегося в процессе сварки шва позволяет полностью устранить угловые деформации, или так называемые "домики". Во-вторых, в процессе охлаждения сварного шва (и, следовательно, его усадки) под действием растягивающих нагрузок оказывается околошовная зона, нагретая выше температуры потери металлом упругих свойств, что приводит к формированию эпюры более благоприятных остаточных поперечных напряжений после сварки. Так, экспериментальные исследования остаточных сварочных напряжений в стыковых соединениях тонколистовых материалов показали, что величина максимальных растягивающих поперечных напряжений в околошовной области снижается на 30-90% при сварке по предлагаемому варианту по сравнению с прототипом, причем наибольший эффект достигается при минимальных значениях (0,05δ) зазора между сопрягаемыми боковыми поверхностями подкладки и гребенки (как результат максимальной жесткости закрепления сварного соединения).

Пример конкретного выполнения. Ручная односторонняя аргонодуговая сварка неплавящимся электродом стыковых соединений листов из алюминиевого сплава АМг61 толщиной 2-6 мм на подкладке из нержавеющей стали, имеющей канавку сферической формы. Свариваемые листы собираются в приспособлении с гарантированным зазором. Заявляемый зазор между сопрягаемыми боковыми поверхностями подкладки и гребенки устанавливали в зависимости от толщины свариваемых листов по соотношению (0,05 - 0,25)δ, причем минимальным зазорам между свариваемыми листами соответствовали минимальные заявляемые зазоры между боковыми поверхностями подкладки и гребенки. Конструктивные элементы подготовки кромок и режимы ручной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом соответствовали требованиям ОСТ 5.9153-83. Качество сварного соединения оценивали по результатам визуального осмотра, замеров кривизны поперечного и продольного сечений, определением остаточных сварочных напряжений в околошовной зоне неразрушающимся рентгенографическим методом измерений, испытанием плоских образцов на усталостную долговечность при циклическом растяжении. Результаты представлены в таблице, из которой видно, что выполнение сварки по предлагаемому техническому решению обеспечивает получение бездефектных соединений с максимальным уровнем растягивающих остаточных сварочных напряжений и максимальными значениями усталостной долговечности по сравнению с прототипом.

Предлагаемый способ сборки и односторонней дуговой сварки стыковых соединений в отличие от существующих способов, применяющихся при изготовлении корпусных конструкций, особенно в монтажных условиях, обеспечивает высокое качество формирования поверхности швов, отсутствие сварочных деформаций и увеличение работоспособности сварных стыковых соединений тонколистовых материалов. При этом способе исключаются вырубка корня шва и правка соединения, в результате чего снижается стоимость изготовления корпусных конструкций, повышается прочность, ходкость и эстетичность судовых корпусов.

Формула изобретения

Способ сборки и односторонней сварки стыковых соединений тонколистовых материалов в монтажных условиях, включающий сборку и сварку листов с гарантированным зазором, который обеспечивают присоединением к листам сборочными электроприхватками П-образных гребенок, размещением в пазах гребенок с зазором относительно их стенок подкладок с формирующей канавной и обеспечением прижатия подкладок и листов друг к другу прижимными деталями, отличающийся тем, что зазор между сопрягаемыми боковыми поверхностями гребенки и подкладки устанавливают в пределах 0,05 0,25 толщины свариваемого листа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2