Прочность клеесварных конструкций выполненных контактной сваркой при статических нагрузках

Одной из основных прочностных характеристик сварных и клеесварных точечных соединений является разрушающая нагрузка при испытании на срез. Следует отметить, что при испытании тонколистовых образцов разрушающая нагрузка на срез — понятие условное, так как сварные точки могут разрушаться как со срезом литого металла ядра, так и с вырывом ядра из основного металла. С вырывом обычно разрушаются сварные точки на более пластичных сплавах (АМц, АМг), со срезом — на более высокопрочных сплавах (Д16Т, АМг6). Однако четкого разграничения по характеру разрушения нет и в зависимости от размеров литого ядра, величины нахлестки и ширины образца могут иметь место как срез, так и вырыв сварной точки.

Экспериментально исследовали прочность на срез клеесварных соединений на образцах из сплава Д16Т с применением различных клеев. Сравнительные испытания проводили при комнатной температуре на одноточечных образцах внахлестку, выполненных способом сварки по клею и введением клеев после сварки. Результаты испытаний приведены в табл. 1. Прочность при работе на срез клеесварных соединений во всех рассмотренных случаях заметно выше однотипных сварных. При нагружении клеесварного соединения растягивающими усилиями клеевая прослойка воспринимает значительную часть напряжений, разгружая тем самым сварную точку, что и приводит к повышению прочности. По данным, приведенным в табл. 1, видно, что чем меньше толщина соединяемых деталей, тем выше эффект от применения клея. Например, при толщине свариваемых деталей 0,6 мм введение клея ВК-1МС увеличивает разрушающую нагрузку при испытании на срез в 4,5 раза, а при толщине 2 мм — только в 1,9 раза. Аналогичные зависимости наблюдаются у всех исследованных клеев.

Изучение изменения напряжений сдвига клеевой прослойки в зависимости от толщины соединяемых листов на клеевых и клеесварных соединениях показало, что если в клеевом соединении прочность при сдвиге растет с увеличением толщины склеиваемых листов, то в клеесварном, наоборот, наблюдается довольно резкое падение прочности. С увеличением толщины свариваемых деталей путем изменения эксцентриситета приложения нагрузки значительно увеличиваются отрывающие усилия, действующие на клеевую прослойку в клеесварном соединении. У деталей толщиной 3…4 мм и более отрывающие усилия могут превышать прочность клеевой прослойки при неравномерном отрыве. В случае малых толщин (0,5…1,5 мм) усилия, возникающие под действием изгиба деталей при испытании, незначительны и не превышают прочности клеевой прослойки. Кроме того, по мере увеличения толщины свариваемых деталей увеличивается зазор между ними и соответственно толщина клеевой прослойки, что также способствует снижению прочностных свойств клеесварных соединений.

 

Таблица 1. Прочность клеесварных соединений при испытании на срез

 

Марка клея

Метод нанесения клея

Толщина образцов, мм

Средний диаметр точки, мм

Средняя разрушающая нагрузка, Н

Отношение разрушающих нагрузок образцов клеесварного и сварного

ВК-1МС

После сварки

0,6+0,6

1+1

1,2+1,2

2+2

3,5

5,0

5,5

7,5

6020

7050

7940

1185

4,4

3,0

2,55

1,92

Сварка по клею

1,2+1,2

2+2

5,5

7,5

7880

1175

2,5

1,9

К-4С

После сварки

1,2+1,2

2+2

5.5

7,5

8270

1225

2,7

1,98

КЛН-1

1,2+1,2

2+2

5.5

7.5

5250

7450

1,7

1,2

ВК-39

0,6+0,6

1,2+1

2+2

3,5

5,5

7,5

6120

8320

1225

4,6

2,7

1,98

Сварка по клею

1,2+1,2

2+2

5,5

7,5

8270

11850

2,6

1,9

Без клея

0,6+0,6

1,2+1,2

2+2

3,5

5,5

7,5

1320

3090

6170

 

Прочность клеесварных образцов обратно пропорциональна толщине соединяемых элементов; при толщине листов  мм прочность от введения клея повышается столь незначительно, что применение их нецелесообразно. При толщине листов  мм статические прочности при растяжении соединений, выполненных контактной точечной сваркой, и клеесварных находятся в соотношении 1:3.

Исследованные клеевые прослойки в различной степени способствуют повышению прочности сварного соединения. При данных геометрических параметрах и материале соединения его прочность обусловливается только прочностными и технологическими свойствами клея. Технология изготовления соединений (сварка по клею или введение клея после сварки) практически не влияет на разрушающую нагрузку при срезе (см. табл. 1).

Одни исследователи утверждают, что наиболее высокой прочностью обладают клеесварные соединения, выполненные с нанесением клея после сварки, а другие, наоборот, — что более высокой прочностью обладают соединения, выполненные методом сварки по клею. Такие принципиально неверные выводы объясняются только некачественным изготовлением образцов, выполненных сваркой по клею и нарушениями технологии нанесения клеев после сварки.

В табл. 2 приведены прочностные свойства сварных, клеевых, клепаных, клееклепаных и клеесварных соединений при статическом срезе. Как видно из таблицы клеесварные соединения обладают большей прочностью, чем сварные и клепаные. Например, прочность клеесварного нахлесточного соединения толщиной 1+1 мм больше, чем сварного и клепаного соответственно в 3,4 и 5,4 раза, а при толщине 2+2 мм — в 1,9 и 2,25 раза. Прочность клеесварных, клееных и клееклепаных соединений при испытании на срез практически находится на одном уровне.

 

Таблица 2. Прочность сварных, клепаных, клеесварных, клеевых и клееклепаных однорядных и двурядных соединений при испытании на срез (средние данные по пяти образцам)

 

Материал

Соединение

Усилие среза, Н, при толщине соединения, мм

0,6+0,6

1+1

2+2

Однорядное

Однорядное

Двухрядное

Однорядное

Двухрядное

Алюминиевый сплав Д16Т

Сварное

1220

2100

4250

6520

12250

Клепаное

734

1320

2640

5450

11200

Клеесварное

5800

7250

11200

12 200

22500

Клееное

4150

6150

9650

10 950

21000

Клееклепаное

5350

7130

10 400

12 300

21800

Титановый оплав ОТ4-1

Сварное

1600

2870

5120

Клеесварное

5510

7750

1180

Сталь 10

Сварное

1520

2340

4450

Клеесварное

5250

6820

10430

Примечания:

1. Клееные и клеесварные соединения с клеем ВК-39.

2. Клееклепаные соединения с клеем ВК-37.

3. Подготовка поверхности — химическое травление под сварку.

 

Прочность сварного и точечного соединений на отрыв характеризуется разрушающим усилием на точку, определяемым при испытании типовых крестообразных образцов. В табл. 3 приведены сравнительные данные по прочности на отрыв крестообразных сварных, клепаных и клеесварных соединений. Несмотря на высокую прочность клеевой прослойки, прочность клеесварных соединений на отрыв лишь немного превышает прочность сварных точечных и клепаных образцов, что объясняется конструктивными особенностями применяемых для указанных испытаний образцов. При испытании образцов крестообразной формы из-за их малой жесткости имеет место изгиб образцов, а не чистый отрыв сварных точек. Поэтому клеевая прослойка в клеесварном соединении воспринимает значительные напряжения неравномерного отрыва. Как известно, все клеи имеют низкие прочностные свойства при испытании на неравномерный отрыв, вследствие чего клеевая прослойка и сварная точка вступают в работу неодновременно.

 

Таблица 3. Прочность сварных, клепаных и клеесварных соединений при испытании на отрыв

 

Толщина образцов, мм

Сварные

Клепаные

Клеесварные

Средний диаметр, мм

Среднее разрушающее усилие, Н

Диаметр заклепки, мм

Среднее разрушающее усилие, Н

Средний диаметр точки, мм

Среднее разрушающее усилие, Н

1+1

1,2+1,2

1,5+1,5

2+2

4,5

5,5

6,5

7,5

705

1220

1570

2775

3

3,5

4

4,5

950

1340

2010

3160

4,5

5,5

6,5

7,5

960

1410

2090

3485

Примечания:

1. Одноточечные крестообразные образцы из алюминиевого сплава Д16Т.

2. Клеесварные образцы с клеем ВК-39.

 

Разрушающая нагрузка при испытании на отрыв сварных и особенно клеесварных соединений существенно зависит от типа образца и метода испытаний. Предложен новый тип образца, в котором работа сварной точки протекает в условиях, близких к равномерному отрыву. Данный образец состоит из двух точечных цилиндрических стаканчиков, соединенных между собой сварной точкой. Работоспособность клеесварных соединений в этом случае оказалась заметно выше, чем сварных и клепаных при таких же условиях. Например, при толщине образцов 2 мм разрушающая нагрузка на одноточечный клеесварной образец при статическом срезе в 1,9…2,2 раза больше, чем на сварных или клепаных. Таким образом, если в конструкции имеются элементы, работающие под нагрузками, близкими по характеру действия к равномерному отрыву, то применение клеесварных соединений рационально.

Применение клеесварных соединений в конструкциях, работающих на сжатие, может быть целесообразным и перспективным.

В табл. 4 приведены разрушающие усилия, соответствующие потере продольной устойчивости при сжатии некоторых типов сварных, клепаных и клеесварных панелей. Панели представляют собой конструктивные элементы реального изделия и состоят из листовой обшивки и стрингерного набора из прессованных профилей ПР102. Из приведенных данных видно, что применение клеесварных соединений существенно повышает разрушающую нагрузку при сжатии панелей. Анализ характера разрушений при сжатии сварных и клепаных панелей показывает резко выраженную местную потерю устойчивости обшивки между сварными точками или заклепками.

При нагружении клеесварных панелей стрингерный набор и обшивка работают как единое целое, что предотвращает местную потерю устойчивости и вырыв точек. Таким образом, прочностные свойства конструкций, работающих в условиях статического сжатия, могут быть повышены путем применения клеесварных соединений.

 

Таблица 4. Прочность сварных, клепаных и клеесварных панелей при сжатии

 

Тип панели

Толщина обшивки, мм

Диаметр заклепки или сварной точки, мм

Разрушающая нагрузка, Н

Характер разрушения

Клепаная

1

3

89950

Местная потеря устойчивости между заклепками

1,2

3,5

109000

Сварная

1

4,5

90500

Местная потеря устойчивости между сварными точками

1,2

5,5

112000

Клеесварная

1

4,5

116000

Общая потеря устойчивости панели

1,2

5,5

140000

Примечания:

1. Панели из сплава Д16Т размером 500×500 мм.

2. Шаг сварных точек 25 мм.

3. Клеесварная панель с клеем ВК-1МС.

 

 

rss
Карта
rss
Карта