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

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)

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

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