Детали машин: неразъемные соединения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2091 

Кафедра инжиниринга технологического оборудования
 

Детали машин

Неразъемные соединения 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению  
Металлургия 

Москва  2011 

УДК 621.8 
 
Д38 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. А.В. Гончарук 

Детали машин : неразъемные соединения : учеб. пособие / 
Д38 А.Н. Веремеевич, И.Г. Морозова, М.Г. Наумова, Л.В. Седых. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 135 с. 
ISBN 978-5-87623-501-5 

В пособии рассмотрены вопросы исторического развития, теории и практики создания неразъемных соединений элементов конструкций. Представлены технологические возможности и оборудование их основных видов: 
сварных, паяных, клепаных и клеевых соединений. Исторические справки и 
процессы наглядно проиллюстрированы. Даны вопросы для самопроверки. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 150100 
«Металлургия». 
УДК 621.8 

ISBN 978-5-87623-501-5 
© Веремеевич А.Н.,  
Морозова И.Г.,  
Наумова М.Г.,  
Седых Л.В., 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. История развития производства металлических конструкций 
в России .....................................................................................................5 
2. Неразъемные соединения деталей и узлов машин ..........................11 
3. Сварка..................................................................................................12 
3.1. Понятие процесса и история его создания................................12 
3.2. Понятие промышленной продукции сварочного  
производства и ее качества................................................................18 
3.3. Методы определения и нормирование показателей  
качества сварки...................................................................................20 
3.4. Классификация видов сварки .....................................................22 
3.5. Сварочная дуга.............................................................................22 
3.6. Электродуговая сварка................................................................23 
3.7. Ручная дуговая сварка.................................................................26 
3.8. Сварка под флюсом .....................................................................28 
3.9. Газопламенная сварка .................................................................31 
3.10. Электрошлаковая сварка...........................................................32 
3.11. Плазменная сварка.....................................................................35 
3.12. Электронно-лучевая сварка ......................................................39 
3.13. Лазерная сварка .........................................................................42 
3.13.1. Энергетические признаки лазерной сварки .....................42 
3.13.2. Технологические признаки лазерной сварки...................44 
3.13.3. Экономические признаки лазерной сварки......................46 
3.13.4. Сравнение лазерной сварки с традиционными  
методами обработки материалов ..................................................47 
3.14. Применение волоконных лазеров  для сварки........................51 
3.15. Стыковая сварка.........................................................................56 
3.16. Контактная сварка .....................................................................57 
3.17. Диффузионная сварка ...............................................................64 
3.18. Кузнечная сварка .......................................................................72 
3.18.1. Технология кузнечной сварки ...........................................72 
3.18.2. Сварка внахлестку ..............................................................73 
3.18.3. Сварка вразруб....................................................................74 
3.18.4. Сварка встык .......................................................................74 
3.18.5. Сварка врасщеп...................................................................75 
3.18.6. Сварка с использованием «шашек» ..................................75 
3.18.7. Сварка колец .......................................................................75 
3.18.8. Кузнечная холодная сварка ...............................................76 

3.19. Сварка высокочастотными токами ..........................................79 
3.20. Сварка трением..........................................................................80 
3.21. Ультразвуковая сварка..............................................................85 
3.22. Сварка взрывом..........................................................................88 
4. Заклепочные соединения ...................................................................94 
4.1. История развития производства заклепочных соединений.....94 
4.2. Конструкция заклепочного соединения ....................................95 
4.3. Классификация и применение заклепочных соединений........98 
4.4. Типы заклепочных соединений................................................100 
4.5. Технологические особенности применения различных  
видов заклепок..................................................................................102 
4.5.1. Вытяжные заклепки............................................................102 
4.5.2. Гаечные заклепки (резьбовые) ..........................................105 
4.5.3. Заклепки взрывные.............................................................105 
4.6. Расчет заклепочных соединений..............................................106 
4.7. Пример расчета заклепочного соединения .............................108 
5. Клеевые соединения.........................................................................110 
5.1. Историческая справка ...............................................................110 
5.2. Факторы, определяющие целесообразность склеивания.......111 
5.3. Преимущества склеивания .......................................................112 
5.4. Недостатки склеивания.............................................................113 
5.5. Механические характеристики клеевых соединений  
и области применения клеев............................................................114 
5.6. Конструкция клеевых соединений...........................................115 
5.7. Виды нагружений клеевых соединений ..................................115 
5.8. Типы клеевых соединений........................................................117 
5.9. Расчет клеевых соединений......................................................119 
5.10. Инновационные направления использования клеевых 
соединений........................................................................................120 
6. Паяные соединения ..........................................................................123 
6.1. Понятие процесса ......................................................................123 
6.2. Флюсы и припои........................................................................124 
6.3. Способы пайки...........................................................................125 
6.4. Пайка соединений металлов с неметаллическими  
материалами......................................................................................128 
6.5. Обработка деталей после пайки...............................................129 
6.6. Некоторые особенности конструирования узлов  
с паяными соединениями.................................................................130 
Вопросы для самопроверки .................................................................133 
Библиографический список.................................................................134 

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА 
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 
В РОССИИ 

Понятие металлические конструкции включает в себя их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. 
Уровень развития металлических конструкций определяется, с одной 
стороны, потребностями в них народного хозяйства, а с другой – 
возможностями технической базы: развитием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники. Примеры выполнения 
различных мостовых металлоконструкций представлены на рис. 1.1.  
Исходя из этих положений история развития металлических конструкций может быть разделена на пять периодов.  
Первый период (с XII до начала XVII в.) характеризуется применением металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины 
на штырях. Одной из первых конструкций такого типа являются затяжки Успенского собора во Владимире. По зрелости конструктивного решения выделяется металлическая конструкция, поддерживающая каменный потолок и пол чердака над коридором между притворами Покровского собора – храма Василия Блаженного. Это первая известная нам конструкция, состоящая из стержней, работающих 
на растяжение, изгиб и сжатие. Затяжки, поддерживающие пол и потолок в этой конструкции, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. 
Уже в те времена конструктор знал, что для затяжек, работающих 
на изгиб, надо применять полосу, поставленную на ребро, а подкосы, 
работающие на сжатие, лучше делать квадратного сечения. 
Второй период (с начала XVII до конца XVIII в.) связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций («корзинок») глав церквей. Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замках и 
скрепах горновой сваркой. Конструкции такого типа сохранились до 
наших дней. Примерами служат перекрытия пролетом 18 м над трапезной Троице-Сергиевой лавры в Сергиевом Посаде, перекрытие 
старого здания Большого Кремлевского дворца в Москве, каркас купола колокольни Ивана Великого, каркас купола Казанского собора в 
Санкт-Петербурге пролетом 15 м и др. 

Рис. 1.1. Примеры выполнения различных мостовых 
металлоконструкций 

Рис. 1.2. Николаевский железнодорожный мост в Санкт-Петербурге 

Третий период (с начала XVIII до середины XIX в.) связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на 
замках или болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале. В 1784 г. в 
Санкт-Петербурге был построен первый чугунный мост. Совершенства чугунные конструкции в России достигли в середине XIX столетия. Уникальной чугунной конструкцией 40-х гг. XIX в. является купол Исаакиевского собора, собранный из отдельных косяков в виде 
сплошной оболочки. 
Чугунная арка пролетом 30 м применена в перекрытии Александрийского театра в Санкт-Петербурге. В 50-е гг. XIX в. в СанктПетербурге был построен Николаевский железнодорожный мост с 
восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, являющийся самым 
крупным чугунным мостом мира (рис. 1.2). В этот же период наклонные стропила постепенно трансформируются в смешанные железочугунные треугольные фермы. 

Сначала в фермах не было раскосов, они появились в конце рассматриваемого периода. Сжатые стержни ферм часто выполняли из 
чугуна, а растянутые – из железа. В узлах элементы соединялись через проушины на болтах. Отсутствие в этот период прокатного и 
профильного металла ограничивало конструктивную форму железных стержней прямоугольным или круглым сечением. Однако преимущества фасонного профиля уже были оценены, и стержни уголкового или швеллерного сечения изготовляли гнутьем или ковкой 
нагретых полос. 
Четвертый период (с 30-х гг. XIX в. до 20-х гг. XX в.) связан с 
быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того 
времени и, в частности, в металлургии и металлообработке. В начале 
XIX в. кричный процесс получения железа был заменен более совершенным – пудлингованием, а в конце 80-х гг. – выплавкой железа 
из чугуна в мартеновских и конвертерных печах. 
Наряду с уральской базой была создана в России южная база металлургической промышленности. В 30-х гг. XIX в. появились заклепочные соединения, чему способствовало изобретение дыропробивного пресса; в 40-х годах был освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа. В течение ста последующих лет все 
стальные конструкции изготовлялись клепаными (рис. 1.3). 

 

Рис.1.3. Крымский мост через Москву-реку 

Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций 
чугун, будучи материалом более совершенным по своим свойствам 
(в особенности при работе на растяжение) и лучше поддающимся 
контролю и механической обработке. 
В России до конца XIX в. промышленные и гражданские здания 
строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия которых использовались треугольные металлические фермы. Конструктивная форма этих ферм постепенно совершенствовалась: решетка получила завершение с появлением раскосов; узловые соединения вместо болтовых на проушинах стали 
выполнять заклепочными с помощью фасонок. 
В конце прошлого столетия применялись решетчатые каркасы 
рамно-арочной конструкции для перекрытия зданий значительных 
пролетов. Примерами являются покрытия Сенного рынка пролетом 
25 м и Варшавского рынка пролетом 16 м в Санкт-Петербурге, покрытие Гатчинского вокзала (Ленинградская обл.) и др.  
Пятый период (послереволюционный) начинается с 20-х гг ХХ в., 
с первой пятилетки, когда государство приступило к осуществлению 
широкой программы индустриализации страны. К концу 40-х гг. клепаные конструкции были почти полностью заменены сварными, более легкими, технологичными и экономичными. Развитие металлургии уже в 30-е гг. позволило применять в металлических конструкциях вместо обычной малоуглеродистой стали более прочную низколегированную сталь (сталь кремнистую для железнодорожного моста 
через р. Ципу в Закавказье и сталь ДС для Дворца Советов и москворецких мостов). 
В начале 30-х гг. ХХ в. стала оформляться советская школа проектирования металлических конструкций. В связи с развитием металлургии и машиностроения строилось много промышленных зданий с металлическим каркасом. 
Стальные каркасы промышленных зданий оказались ведущей 
конструктивной формой металлических конструкций, определяющей 
общее направление их развития. Советская школа постепенно отходила от европейских схем компоновки поперечных рам каркаса, для 
которых характерны стремление приблизить конструктивную схему 
к расчетным предпосылкам и введение большого числа шарниров, 
что усложняло монтаж и изготовление конструкций. Такие схемы не 
отвечали требованиям эксплуатации в отношении поперечной жесткости зданий в связи с увеличением размеров пролетов, высоты и, 

главное, грузоподъемности и интенсивности движения мостовых 
кранов. 
Требованиям эксплуатации и высоких темпов строительства в 
большей степени отвечали сложившиеся к тому времени схемы конструирования поперечных рам с жестким сопряжением колонн с 
фундаментами и ригелями. Советские проектировщики взяли за основу эти схемы и улучшили их путем аналитического определения 
оптимальных геометрических соотношений элементов, схемы решеток и т.п. 
В годы Великой Отечественной войны 1941–1945 гг. несмотря на 
временную потерю южной металлургической базы и большой расход 
металла на нужды войны в промышленном строительстве и мостостроении на Урале и в Сибири широко использовались металлические конструкции, лучше других отвечавшие основной задаче военного времени – скоростному строительству.  
Во второй половине ХХ в. строительство металлических конструкций развивалось с соблюдением основных принципов отечественной школы проектирования, установленных еще в довоенный период: экономия стали, упрощение изготовления, ускорение монтажа. 
Для этих лет характерно широкое применение стали в промышленных сооружениях больших размеров с тяжелыми технологическими 
нагрузками. Построены такие уникальные промышленные здания, 
как сборочный цех пролетом 120 м с кранами грузоподъемностью 
30 т, подвешенными к стропильным фермам на отметке 57 м, и двухпролетное здание с кранами грузоподъемностью 1200 и 600 т. 

2. НЕРАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ 
И УЗЛОВ МАШИН  

Взаимодействие деталей между собой называется связями. Эти 
связи делятся на подвижные (шарниры, зубчатые зацепления, подшипники, ременные и цепные передачи) и неподвижные (заклепочные, сварные и др.). Неподвижные связи в технике называются соединениями.  
Соединение – процесс изготовления изделия из деталей, сборочных 
единиц (узлов), агрегатов путем физического соединения в одно целое. 
Соединение является основной частью производственного процесса сборки деталей, узлов и металлических конструкций. Соединения подразделяются на разъемные, допускающие удобную разборку 
без разрушения отдельных элементов, и неразъемные, которые можно разобрать только после их полного или частичного разрушения. 
К разъемным относятся резьбовые, шпоночные и профильные соединения. 
К неразъемным соединениям относятся: 
– сварное соединение, получаемое в результате сварки – процесса, 
заключающегося в установлении межатомных связей между свариваемыми частями посредством термического, термомеханического 
или механического воздействия; 
– заклепочное (клепаное) – неразъемное соединение деталей 
(обычно листовых) при помощи заклепки – сплошного или полого 
цилиндрического стержня с закладной головкой; 
– клееное соединение – скрепление деталей или элементов конструкции между собой с помощью различных клеев и сохранение соединенных частей в эксплуатационных условиях в соответствии с 
конструктивными требованиями;  
– паяное соединение, получаемое в результате технологической 
операции, заключающейся в соединения деталей из различных материалов путем введения между этими деталями расплавленного материала (припоя), имеющего более низкую температуру плавления, чем 
материал (материалы) соединяемых деталей. 
 

3. СВАРКА 

3.1. Понятие процесса и история его создания 

Сварка – технологический процесс достижения неразъемного соединения различных материалов: однородных (металлических соединений и их сплавов, пластмасс и др.) или разнородных, например, 
стекла и металла. 
Неразъемные соединения, получаемые в результате сварки называются сварными. 
История сварки берет начало со времен бронзового века, когда 
человек начал приобретать опыт в обработке металлов для изготовления боевого оружия и орудий труда, украшений и других изделий. 
Первым способом сварки была кузнечная, которая обеспечивала 
достаточно высокое по тем временам качество соединения, особенно 
при работе с пластичными металлами, такими, как медь. С появлением бронзы (более твердая и хуже поддается ковке) возникла литейная сварка. При литейной сварке края соединяемых деталей заформовывали специальной земляной смесью и заливали разогретым 
жидким металлом. Этот присадочный металл сплавлялся с деталями 
и, застывая, образовывал шов. Такие соединения были обнаружены 
на бронзовых сосудах, сохранившихся со времен Древней Греции и 
Древнего Рима. 
С появлением железа увеличилась номенклатура используемых человеком изделий из металлов, поэтому расширился объем и области 
применения сварки. Создаются новые виды оружия, совершенствуются средства защиты воина в бою, появляются кольчуги, шлемы, латы. 
Например, при изготовлении кольчуги приходилось соединять 
кузнечной сваркой больше 10 тыс. металлических колец. Развиваются новые технологии литья, постепенно приобретаются знания, связанные с термообработкой стали и приданием ей различной твердости и прочности. Часто эти знания были получены случайно и не 
могли объяснить суть происходящих процессов. Например, в рукописи, найденной в храме Балгона в Азии, так описывается процесс, 
известный нам как закалка стали: «Нагревать кинжал до тех пор, пока не засветится подобно утреннему солнцу в пустыне, потом охладить его до цвета царского пурпура, втыкая лезвие в тело мускулистого раба. Сила раба, переходя в кинжал, придает ему твердость». 
Тем не менее, несмотря на достаточно примитивные знания, еще до