5. Применение промышленных роботов в сварочном производстве

В последнее время в сварочном производстве все шире ис­пользуют промышленные роботы (рис.В.36 - В.38). Роботизация сварочного производства, несмотря на высокую стоимость обо­рудования, обеспечивает значительное повышение производи­тельности труда с одновременным сокращением издержек произ­водства.

Промышленным роботом называют автоматический манипу­лятор с программным управлением способный выполнять техно­логические операции, обычно производимые вручную. Причем использование роботов возможно в труднодоступных и опасных для человека условиях (в агрессивных средах, при действии ра­диации и т.д.).

Возможно применение роботов как с одной или двумя степе­нями (осями) подвижности «руки» манипулятора и ограниченной рабочей зоной (ограниченными технологическими возможностя­ми), так и шестиосевых роботов с обширной рабочей зоной и об­ширными технологическими возможностями.

Идеальная конструкция робота должна выполнять все движе­ния руки человека. Как известно рука человека обладает шестью степенями подвижности (рис.3.15, а):

• поступательные движения вверх-вниз;

• поступательные движения вправо-влево;

• поступательные движения вперед-назад;

• вращательные движения кисти (вокруг разных осей);

• вращательные движения предплечья.

Откуда следует, что идеальная конструкция робота должна также обладать шестью степенями подвижности (рис.3.15, б).

Универсальность роботов с шестью степенями подвижности дает возможность автоматизировать любые операции, выполняе­мые рукой человека и полностью заменить ручной труд.

Рис.3.15. Степени подвижности сварочного робота а - степени подвижности руки человека; б - степени подвижности робота FS20C

При переходе от ручной сварки к роботизированной следует ожидать существенного повышения производительности. Одна­ко, для качественного выполнения процесса сварки скорость движения робота должна быть небольшой, а движение плавным, без рывков.

Поэтому повышение производительности обеспечивается главным образом за счет сокращения времени на подготовитель­ные операции и сокращения времени холостых ходов.

Основные требования, предъявляемые к роботам:

• обеспечение максимальных скоростей холостых ходов (бо­лее 1000 мм/с);

• высокая жесткость конструкции;

• отсутствия люфтов и неравномерности движения;

• недопустимость рывков и колебаний горелки.

• Технология сварки. В память робота оператор в «режиме обучения» вводит программу выполнения технологических опе­раций сварки. Вводятся: скорость движения горелки, параметры режима сварки, порядок перехода от одного шва к другому и т. д. Для этого опытный сварщик на первом узле последовательно пе­ремещает холодную горелку от одного рабочего положения к другому, вводя координаты каждой из этих точек в запоминаю­щее устройство (память) робота. Выполнение программы начина­ется тогда, когда собранная конструкция займет рабочее положе­ние. Сигнал об этом поступает в память робота, и он производит запрограммированные действия.

Управление роботом осуществляет оператор с панели управ­ления (рис.3.16). Команды для робота вводятся посредством кла­виатуры или через цифровое меню. Возможно редактирование запрограммированных действий и положений робота или провер­ка правильности выполнения программ. Система позволяет при необходимости отключить запрограммированные действия и производить перемещения робота вручную. В системе имеется кнопка экстренного выключения робота.

На рис.В.39 представлены роботизированные сварочные по­сты. Сварочные посты оборудованы поворотным столом и пози­ционером-кантователем (рис. В.39, а, б). Сварка происходит в закрытом сварочном помещении. Управляет сварочным процес­сом оператор с пульта управления (рис. В.39, в, г).

Качественное выполнение дуговой сварки роботом возможно лишь в том случае, когда расположение мест укладки швов до­статочно точно повторяет то расположение, которое введено в память робота. Однако отклонения практически неизбежны, их источниками являются следующие составляющие:

Рис. 3.16. Схема роботизированной сварки 1— источник сварочного тока; 2 —прибор дистанционного управления;

3 —система управления роботом; 4 —механизм подачи проволоки;

5 —сварочная горелка; 6 —система подачи проволоки

• неточности в размерах собираемых деталей и узлов;

• погрешности позиционирования собранного узла на план­шайбе манипулятора изделия;

• погрешности в позиционировании сварочной горелки в про­странстве;

• отклонения в размерах зазоров между свариваемыми заго­товками

• отклонения в положении свариваемых кромок из-за несо­вершенства сборочного приспособления;

Применение робототехники, а именно робототехнических комплексов наиболее целесообразно в крупносерийных произ­водственных линиях. Когда запрограммированный однажды ро­бот изо дня в день производит одни и те же операции. В условиях мелкосерийного производства технологические операции при переходе от одного узла серии к другому могут оказаться настолько различными, что каждый узел серии придется про­граммировать заново. Поэтому применение роботов в этом слу­чае не эффективно. В условиях производства строительных ме­таллических конструкций робототехника начинает внедряться, заменяя

тяжелый и вредный труд сварщиков и сборщиков

На рис.В.36 - 38 представлены сварочные роботы зарубежных фирм. На рис.В.37 представлены сварочные роботы «Tiesserobot», выполняющие сварку поясных швов балки переменного сечения. На рис.В.38 представлена роботизированная установка «Weltech», прикрепленная к передвижной консоли и порталу. Роботизиро­ванная установка используется для сварки протяженных швов.

В робототехнический комплекс кроме промышленных робо­тов входит оборудование предназначенные для поворота и вра­щения деталей. Примером такого оборудования могут служить манипуляторы, вращатели (рис.3.17, в, г), ориентаторы и позици­онеры (рис.3.17, а, б).

Ориентаторы ориентируют положение деталей, предназна­ченные под сварку, и подают их в рабочую зону робота.

Позиционеры, манипуляторы и вращатели предназначены для поворота и вращения деталей, с целью достижения наиболее оп­тимального расположения сварочной горелки относительно шва.

Рис. 3.17. Сварочные позиционеры, манипуляторы и вращатели

4. ВИДЫ СВАРНЫХ ШВОВ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ СВАРКОЙ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

   1. Классификация сварных швов

- по типу соединения швы делятся на стыковые (рис.4.1,а) и угловые (рис.4.1,б).

Стыковые швы применяют в стыковых соединениях. Угловые швы применяются в угловых, тавровых и нахлесточных соедине­ниях (рис.4.11). В строительных металлоконструкциях в основ­ном применяют угловые швы (90%). На долю стыковых швов приходится 10%.

Рис. 4.1 Типы сварных швов а — стыковой шов; б — угловой шов

- по виду разделки кромок швы бывают без разделки кромок (рис.4.2, а) и с разделкой кромок. Без разделки кромок сваривают листы малой толщины. Элементы большой толщины могут быть сварены без разделки только при большой силе тока.

Разделку кромок делают в листах большой толщины. Разделка кромок бывает V-образная (рис.4.2, б); K-образная (рис.4.2, в); X-образная (рис.4.2, г); U-образная (рис.4.2, д). Все перечислен­ные разделки кромок бывают с притуплением или без притупле­ния; с зазором или без зазора.

Скос кромок осуществляют абразивным инструментом или кислородной резкой. В конструкциях из высокопрочных сталей после кислородной резки требуется зачистка кромок абразивным инструментом. Для обеспечения равномерного зазора неровности металла в зоне притупления после кислородной резки следует устранить зачисткой абразивным инструментом.

Рис. 4.2. Виды разделки кромок: а — без разделки; б — V- образная разделка; в — K - образная разделка; г — X - образная разделка; д — U - образная разделка

- по положению шва в пространстве различают нижнее (рис.4.3, а), горизонтальное (рис.4.3, б), вертикальное (рис.4.3, в), потолочное (рис. 4.3, г) и «в лодочку» (рис. 4.3, д).

Наиболее простым и качественными по выполнению является нижний шов и шов «в лодочку», так как при этом создаются наиболее благоприятные условия для получения швов хорошего качества. Сварку в нижнем положении выполнять удобно, а кро­ме того легко наблюдать за сварочным процессом. В этом поло­жении расплавленный металл переносится в сварочную ванну в направлении силы тяжести.

Выполнение вертикальных и горизонтальных швов также тре­бует специальных навыков. При сварке в вертикальном положе­нии металл в сварочную ванну переносится перпендикулярно си­ле тяжести Г оризонтальные швы сваривать труднее, чем верти­кальные, т.к. расплавленный металл может стечь на кромки ниж­него листа.

а б в г д

Рис. 4.3. Положение шва в пространстве: а — нижнее; б — горизонтальное; в — вертикальное; г — потолочное; д — в лодочку

По технике выполнения сварка потолочных швов наиболее трудная. В данном случае сила тяжести препятствует переносу капель металла электрода в сварочную ванну и они (капли) стре­мятся стечь вниз.

- по отношению к действующим усилиям

Cтыковые швы бывают - прямыми или косыми (рис. 4.4, а, б);

Рис. 4.4. Виды сварных стыковых швов по отношению к действующему усилию а — прямой стыковой шов; б — косой стыковой шов;

Угловые швы в нахлесточных соединениях бывают фланго­выми и лобовыми (рис.4.5, а, б). Фланговые швы расположены вдоль усилия, лобовые - поперек. Лобовые швы бывают прямы­ми и косыми.

Рис. 4.5. Виды сварных угловых швов по отношению к действующему усилию а — фланговый шов(1), прямой лобовой шов(2) б — фланговый шов(3), косой лобовой шов(4)

В длинномерных конструкциях типа балок и колонн различа­ют продольные и поперечные швы (рис. 4.6).

- по протяженности швы бывают непрерывными (рис.4.7, а) и прерывистыми (рис. 4.7, б, в). Прерывистые швы применяют в том случае, когда соединение может быть не плотным и не несет никакой нагрузки. Прерывистые швы бывают цепными (рис.4.7, б), и шахматными (рис.4.7, в).

Рис. 4.6. Виды сварных швов по отношению к действующему усилию

- по количеству наплавленного металла швы бывают нор­мальные, выпуклые и вогнутые (рис.4.8). В нормальных и выпук­лых швах нет плавного перехода от основного металла к металлу шва, В этом месте происходит концентрация напряжений, что может привести к преждевременному разрушению шва.

iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii		Гии mi и him ii.inil		[Тнми ниш мши
1 1 1 МММ 1 1 1 МММ 1 1 1 МММ 1 1 1 1 м	Г	III 1 III 1 llllll llllll 1 Л	Г	1 IIIII 1 1 II 1 1 III г

а б в

Рис. 4.7. Виды сварных швов по протяженности: а — непрерывный шов; б, в — прерывистые швы

Вогнутые швы (рис.4.8,в) следует выполнять с плавным пере­ходом к основному металлу. Такие швы рекомендуется приме­нять в конструкциях, воспринимающих динамические и вибраци­онные нагрузки, а также в конструкциях, возводимых в районах с расчетными температурами ниже -40°С, и в конструкциях из ста­ли с временным сопротивлением 590 МПа.

Придание угловым швам вогнутого профиля и плавного пере­хода к основному металлу осуществляют либо подбором режи­мов сварки, либо соответствующим пространственным располо­жениям свариваемых элементов конструкции либо механизиро­ванной зачисткой абразивным инструментом.

Рис. 4.8. Виды сварных швов по количеству наплавленного металла: а — нормальные; б — выпуклые; в — вогнутые.

- по количеству проходов (слоев) сварки стыковые швы могут быть однопроходные (рис.4.9, а), двухпроходные (рис.4.9, б) и многопроходные (рис. 4.9, в) односторонние или двусторонние.

Рис. 4.9. Виды сварных стыковых швов по количеству проходов

В тавровых соединениях швы могут быть односторонние (рис. 4.10, а), и двусторонние (рис.4.10, б), а также однопроходные, двухпроходные и многопроходные (рис. 4.10, в).

Рис. 4.10. Виды сварных угловых швов по количеству проходов

Каждый последующий валик многопроходного шва наклады­вают после тщательной очистки предыдущего валика от шлака и брызг металла. При двусторонней сварке стыковых швов, перед выполнением шва с обратной стороны его необходимо зачистить корень этого шва до чистого бездефектного металла.

• по восприятию действующих нагрузок швы бывают расчет­ными и конструктивными. Размеры расчетных швов проверяют на прочность или подбирают на основе расчета. Из всего объема сварных швов на долю расчетных приходится примерно 30^35%. Остальные швы - конструктивные на их долю приходится соот­ветственно 65^70% всей протяженности сварных швов.

2. Классификация сварных соединений

Сварным соединением называют неразъемное соединение де­талей, выполненное сваркой.

Различают:

• стыковые соединения - соединения двух элементов распо­ложенных в одной плоскости (рис.4.11, а). Стыковые соединения в основном применяют в конструкциях из листового металла; В стыковых соединениях неодинаковой толщины обеспечивают плавный переход от элемента большей к элементу меньшей тол­щины. При разнице в толщинах не превышающей 5 мм, переход осуществляется за счет наклона поверхности шва. При большей разнице толщин на более толстом элементе должен быть сделан скос с уклоном не более 1:5.

• угловые соединения - соединения двух элементов, располо­женных под прямым или иным углом друг к другу (рис.4.11, б). Угловые соединения применяют при приварке элементов к кром­кам листов или профилей;

• тавровые соединения - соединения, в которых к боковым поверхностям одних элементов приваривают торцом другие элементы (рис. 4.11, в). Такие соединения наиболее широко ис­пользуют при изготовлении строительных металлических кон­струкций;

• нахлесточные соединения - соединения, в которых сварива­емые элементы параллельно расположенные накладываются друг на друга (рис.4.11, г);

торцевые или боковые соединения - соединения, в которых листы равной ширины соединяют и сваривают по смежным торцам (рис.4.11, д)

.

Рис. 4.11. Виды сварных соединений а — стыковые соединения; б—угловые соединения; в — тавровые соединения; г — нахлесточные соединения; д — торцевые или боковые соединения;

а

I: I' : I

Рис. 4.12. Соединения с накладками: а — соединение листов; б — соединение прокатных балок

- соединения с накладками - соединения, в которых стыки пе­рекрывают накладками (рис. 4.12, а, б). Эти соединения требуют дополнительного расхода металла, поэтому применяют только в тех случаях, когда технологически не может быть выполнен сты­ковой шов.

4. ПРОЧНОСТЬ И КАЧЕСТВО СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

   1. Прочность сварных соединений

Прочность сварного соединения - это обеспечение высоких эксплуатационных характеристик при воздействии внешних сил статического или динамического характера.

Факторы, влияющие на прочность сварных соединений:

• Выбор правильного и качественного технологического про­цесса сварки. При правильном и качественном технологическом процессе сварки обеспечивается полное проплавление шва, от­сутствие пор, трещин, шлаковых и газовых включений. Обеспе­чивается качественная защита расплавленного металла шва от воздействия окружающей среды.

• Прочность основного металла конструкции. Свариваемый металл должен иметь гарантированные механические характери­стики, в том числе положительные показатели свариваемости.

• Прочность наплавленного металла. Прочность наплавлен­ного металла шва определяется правильно выбранными свароч­ными материалами - электродами или сварочной проволокой, флюсами или защитными газами. Сварочные материалы должны быть подобраны в соответствии с прочностью свариваемой стали.

• Квалификация сборщиков и сварщиков. Необходимо обеспе­чить качественную подготовку деталей под сварку, рабочее со­стояние оснастки и сварочного оборудования, а также обеспечить качественное выполнение технологического процесса сварки. К проведению ответственных сварочных работ допускаются свар­щики, прошедшие аттестацию и имеющие соответствующее удо­стоверение.

• Вид сварки. Шов, выполненный автоматической сваркой, более прочный и качественный по сравнению со швом, выпол­ненным ручной дуговой сваркой Выбор вида сварки зависит от характера производства, технологической операции, протяженно­сти и пространственного расположения сварных швов.

• Положение шва в пространстве при сварке. Наиболее проч­ным и качественным является шов, выполненный «в лодочку».

Наименее прочным шов, выполненный в потолочном поло­жении.

• Вид сварного соединения. Механические свойства различ­ных видов сварных соединений различны. При работе под нагрузкой в стыковых соединениях напряжения в сварном шве распределены равномерно. В тавровых и нахлесточных соедине­ниях напряжения в швах не равномерны. На концах швов наблю­дается значительная концентрация напряжений, которая может привести к срезу.

• Вид и направление действующей нагрузки. Различные виды нагрузки (статическая, динамическая, вибрационная, малоцикло­вая и т.д.) по-разному влияют на прочность сварных соединений. При динамических, вибрационных, малоцикловых нагрузках прочность сварного соединения исчерпывается быстрее, чем при статических нагрузках.

• Применение жесткой сборо-сварочной оснастки и сборо­сварочных кондукторов. При применении жесткой сборо­сварочной оснастки и кондукторов значительно повышается точ­ность сборки и сварки. Являясь более жесткими, чем свариваемая конструкция кондукторы препятствуют образованию сварочных напряжений и деформаций или значительно снижают их величи­ну.

• Качество сварки и надлежащий контроль качества. Каче­ство сварки - это соответствие всех конструктивно- технологиче­ских факторов сборки-сварки установленным требованиям. Кон­троль качества должен осуществляться на всех стадиях техноло­гических процессов сборки и сварки и в готовой продукции.

2. Контроль качества сварных соединений

Показателями качества сварных соединений служат такие свойства, как прочность, отсутствие дефектов и количество пра­вок сваренной конструкции. От качества сварных швов и соеди­нений зависит работоспособность сварных конструкций и их без­опасность в процессе эксплуатации для окружающей среды и людей. Поэтому контроль качества сварных соединений является неотъемлемой составляющей процесса изготовления строитель­ных металлических конструкций.

1. Основные дефекты возникающие при сварке

В процессе сварки в металле шва и околошовной зоне могут возникать различные дефекты, которые приводят к снижению прочности, эксплуатационной надежности, точности. Дефекты сварных соединений различают по причинам возникновения и месту их расположения.

В зависимости от причин возникновения дефекты можно раз­делить на две группы.

• к первой группе относят дефекты, связанные с металлургиче­скими и тепловыми явлениями, происходящими в процессе свар­ки: горячие и холодные трещины в металле шва и в околошовной зоне, поры, шлаковые включения;

• ко второй группе относят дефекты формирования швов, возникающие из-за неисправности оборудования, низкой квали­фикации сварщика и других нарушений технологического про­цесса и т.д. К дефектам этой группы относят несоответствие швов расчетным размерам, непровары, подрезы, прожоги и др.

В зависимости от места проявления дефекты делят на внут­ренние и внешние:

• к внутренним дефектам относят: - внутренние поры, неме­таллические включения, внутренние трещины;

• к внешним дефектам относят: - нарушение размеров и формы шва, непровар, подрез зоны сплавления, прожог, трещины и поры и на поверхности шва и т.д.

2. Способы контроля качества сварных соединений

Контроль качества надо осуществлять, начиная с проверки ка­чества свариваемой стали, проверки подготовки сварки, заканчи­вая проверкой качества полученного сварного соединения. Тру­доемкость контрольных операций может доходить до 30% от об­щей трудоемкости изготовления сварной конструкции.

Качество сварных соединений контролируют в процессе изго­товления следующими методами контроля, которые по воздей­ствию на материал делятся на:

• разрушающие методы;

• неразрушающие методы.

По времени действия виды контроля делятся на:

• предварительные методы;

• текущие методы;

• окончательные методы.

На стадии предварительного контроля проверяют качество исходных материалов (свариваемый металл и сварочные матери­алы). Производят контроль подготовки деталей под сварку и сборку узлов, а также состояния оснастки, сварочного оборудо­вания и приборов, квалификации сборщиков и сварщиков. На стадии предварительного контроля выполняют испытания стали на свариваемость.

В процессе текущего контроля проверяют выполнение сва­рочных работ. Проверяют соблюдение технологии и режимов сварки, зачистку промежуточных швов, заварку кратеров и т.д.

При окончательном контроле готовых сварных конструкций проверяют соответствие размеров и формы сварного соединения требованиям, предъявляемым к изделию. Кроме того проверяют наличие дефектов сварного шва.

При окончательном контроле готовое сварное соединение подвергают внешнему осмотру. Внешний осмотр позволяет вы­явить наружные дефекты шва. Осмотр производят невооружен­ным глазом или с помощью лупы. Размеры сварных швов прове­ряют шаблонами и измерительным инструментом. Остаточные деформации сварных конструкций проверяют также измеритель­ными приборами.

Для определения качества и прочности сварного шва изделие подвергается металлографическим и механическим испытаниям. Химический состав металла шва и околошовной зоны определя­ют на основе химического анализа.

Металлографические испытания позволяют выявить качество провара и отсутствие внутренних дефектов.

Механические испытания сварного соединения производят либо на специально сваренных контрольных образцах, либо на образцах, вырезанных из сварного соединения. Определяют ме­ханические характеристики, ударную вязкость и т.д.

Химический анализ позволяет определить состав основного и наплавленного металла и его соответствие установленным техни­ческим условиям на изготовление сварного изделия.

Для обнаружения пор, трещин, непроваров, шлаковых вклю­чений используют физические методы контроля качества свар­ных соединений, основные из которых:

• радиационный контроль;

• ультразвуковой контроль;

• магнитный и электромагнитный контроль;

• капиллярный контроль.

При радиационном контроле проникающее излучение прохо­дит через изделие и затем регистрируется детектором. В связи с разной плотностью металла и дефектов проникающие лучи ослабляются по-разному и на детекторе изображаются соответ­ствующие различные сигналы. При радиационном контроле ис­пользуют либо рентгеновское, либо гамма-излучение. Этими ме­тодами обнаруживают поры, трещины, непровары, шлаковые включения. Толщина металла, которая может контролироваться рентгеновскими аппаратами, 25^100 мм. Гамма-излучение обла­дает еще большей проникающей способностью и позволяет кон­тролировать металл толщиной до 350 мм. Оба метода отличаются большой точностью, однако и рентгеновское и гамма-излучение вредны для человека.

Ультразвуковой метод контроля основан на способности уль­тразвуковых колебаний проникать на значительную глубину в толщу металла и отражаться от неметаллических включений и других дефектных участков шва. Для получения ультразвуковых колебаний обычно используют пьезоэлементы. Пьезопластина, к которой приложено переменное электрическое поле, излучает колебания, которые образуют акустическое поле. В этом поле механическая энергия передается в виде волн. При наличии не- сплошности (дефекта) образуется отраженное поле, регистрируе­мое с помощью приемника искателя.

Ультразвуковой метод контроля позволяет обнаружить все ос­новные дефекты сварных швов.

Магнитные методы контроля основаны на создании неодно­родного магнитного поля с образованием потоков рассеяния в местах расположения дефектов шва при намагничивании контро­лируемого изделия.

Капиллярные методы контроля используют при испытаниях сварных швов на непроницаемость. При капиллярных методах контроля используют проникновение веществ в поверхностные и сквозные дефекуты при сварке.

Испытания сварных швов на непроницаемость выполняют в резервуарах, газгольдерах, трубопроводах большого диаметра. Испытания сварных швов на непроницаемость (капиллярный ме­тод контроля) проводят ниже следующими методами:

• испытание керосином;

• испытание сжатым воздухом;

• испытание вакуум-аппаратом;

• гидравлическое испытание.

Испытание керосином применяют для контроля сварных швов емкостей, работающих без избыточного давления. Сварной шов с внешней стороны покрывают водным раствором мела. Меловому покрытию швов дают просохнуть, а затем с внутренней стороны шов смачивают керосином. Керосин просачивается сквозь тре­щины и поры, а на покрытой мелом поверхности появляются темные пятна. Время выдержки (0,5+24 ч) зависит от толщины металла и температуры воздуха и ответственности сооружения.

При испытаниях сжатым воздухом и вакуум-аппаратом швы покрывают мыльной эмульсией и по мыльным пузырям, образу­ющимся в месте проникновения сжатого воздуха, определяют наличие в них дефектов.

Гидравлическое испытание производят с целью проверки не только плотности швов, но и их прочности. Такому испытанию подвергают сварные трубопроводы, сосуды и резервуары для газа или жидкости, работающие под давлением. Для этой цели их за­полняют водой. С помощью гидравлического пресса создают давление, в 1,5 раза превышающее рабочее давление изделия, и выдерживают в течение времени, указанного в технических усло­виях на изготовление изделия. По истечении указанного времени проверяют наличие потения и пропусков воды в швах.

4. РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

   1. Расчет стыковых соединений на сжатие и растяжение

При действии на стыковое соединение статической нагрузки (сжимающей или растягивающей) и полном проваре соединяе­мых элементов условие прочности сварного шва имеет вид

Издание второе, переработанное и дополненное 1

2.2. Сварочная проволока и электроды 20

2.2.3. Порошковая проволока 24

П—-Л QBQ Д 26

2.3. Защита металла шва от атмосферных воздействий 26

2.4. Техника безопасности при сварке 33

3. соблюдать правила пожарной безопасности.ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СВАРКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 38

3.1. Ручная дуговая сварка 38

3.2. Ручная дуговая сварка неплавящимся электродом в среде инертного газа 43

3.3. Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа 47

3.4. Автоматическая сварка под флюсом 53

Vv+v, (6.Ю) 94

^м W_f 2-ft, -к, •/;' ' ^J 94

у. 97

=^Й+Ув^Мп + ^l/₂4^Si+У>^{Сг +}Ут^т+Уз^Си+ _(81} ⁺УУ¹ +X^F+X^p+0,0024‘^f’ 105

A - площадь поперечного сечения сварного шва;

К = tмин - расчетная наименьшая толщина соединяемых эле­ментов (рис.6.1,г);

- расчетная длина сварного шва;

R_w - расчетное сопротивление сварного шва (см. табл. 3 [4]); у_с - коэффициент условий работы свариваемых элементов.

При расчете сварных стыковых швов принимают l_w—b, если начало и конец шва выведены на выводные планки (рис.6.1,а).

При отсутствии выводных планок (рис.6.1,6), вследствие непро-

вара в начале и конце шва (рис.6.1,в), принимают l_w=b — 2t. Сварные швы могут иметь внутренние дефекты - непровары, шлаковые включения, поры, трещины. При работе сварного со­единения на сжатие внутренние дефекты не оказывают суще­ственного влияния на прочность шва. Поэтому при расчете свар­ных стыковых соединений на сжатие принимают расчетное со­противление сварного шва сжатию равным расчетному сопротив­лению основного металла R — R.

wy у

Рис. 6.1. К расчету стыковых соединений

При работе сварного соединения на растяжение внутренние дефекты существенно влияют на прочность шва. Поэтому при расчете сварных стыковых соединений на растяжение расчетное сопротивление шва принимают равным:

R_M,_V = R_v - расчетное сопротивление сварного шва растяже­нию и изгибу при сварке с последующим физическим контролем качества шва и удалением дефектов (см. п. 5.2);

R_M,_V = R_v ~ расчетное сопротивление сварного шва растяже­нию при сварке косых стыковых швов (рис.4.4,6);

R_wv - 0,85А. - расчетное сопротивление сварного шва рас­тяжению и изгибу без применения физического контроля каче­ства швов.

Внутренние дефекты сварных швов выявляют физическими методами контроля качества швов - ультразвуковой дефектоско­пией, просвечиванием проникающими лучами и др. (см. п. 5.2.2).

При сварке стыковых соединений из сталей различной проч­ности расчетное сопротивление R_y следует принимать для стали

с меньшей прочностью.

Усиление шва и концентрация напряжений в расчете не учи­тываются ввиду их незначительного влияния на прочность.

2. Расчет стыковых соединений на изгиб

При действии на стыковое соединение изгибающего момента (рис.6.2.) условие прочности стыкового шва при работе на изгиб имеет видм.

Рис. 6.2. К расчету стыковых соединений на изгиб

(6.2)

<R -у ,

— wv I с ^?

мил т_Гг

W

w

где M - максимальный изгибаю-

^ мах

щий момент в стыковом соединении;

W_w — момент сопротивления свар­ного шва равный

t -I² W = — —

W _г •>

6

(6.3)

где ^ и l_w - размеры сварного шва (см.п.6.1)

R_w - расчетное сопротивление сварного шва растяжению и изгибу (см. п.6.1) или табл.3 СНиП [4]

3. 

   Рис. 6.3. К расчету стыковых соединений на срез

   Расчет стыковых соединений на срез (сдвиг)

При действии на стыковое соедине­ние статической сдвигающей нагрузки и полном проваре соединяемых эле­ментов (рис. 6.3), условие прочности сварного шва при сдвиге (срезе) имеет вид

Q Q

т = ■

(6.4)

Л- к

где т - касательные напряжения в шве;

Q - внешняя сдвигающая нагрузка (поперечная сила);

R_ws ~ расчетное сопротивление сварного шва срезу R_ws — R_s (см. табл.З СНиП[4]).

4. Расчет угловых швов

При сварке угловых швов в зоне сварного соединения часто образуется механическая неоднородность металла шва и основ­ного металла. В связи, с этим СНиП рекомендует расчет сварных

. ■t

W

W

угловых соединений выполнять по двум опасным сечениям, по которым возможно разрушение - по металлу шва и по металлу границы сплавления (зоне сплавления) (рис. 6.4). При работе шва на срез более слабым может оказаться любое из указанных выше сечений. Это зависит от большого количества факторов. Оцени­вают прочность выше указанных сечений по отношению

РгКг/РЛ,. (6-5)

Рис. 6.4. Схема расчетных сечений углового шва:

1 - по металлу шва;

2 - по металлу границы сплавления

где P_f и /?_ - коэффициен­ты глубины проплавления соответственно по металлу шва и по границе зоны сплавления;

R_w/ - расчетное сопро­тивление сварного углового соединения срезу по металлу шва (см. табл.56 СНиП [1]);

R_wz - расчетное сопро­тивление сварного углового

соединения срезу по металлу границы сплавления, равное

К_г=0,45Ц_т,

где R - нормативное сопротивление основного металла по вре­менному сопротивлению (см. табл.51 СНиП [1]).

Если отношение ft_f R_Klj ft_ZR_KZ <1, то металл границы сплав­ления более прочен, чем металл шва и расчёт углового шва вы­полняют по металлу шва (рис.6.4, сеч. 1) по формуле

О»

(6.6)

Т = ■

^Kf-Гс-к

■ ■ К

n-p_f

где n - количество сварных швов; k_f - катет углового шва;

l_w - длина шва. Длину шва принимают на 10 мм меньше

полной длины шва, учитывая непровар в начале и конце шва

/_и =/ —Юлш;

Y_w - коэффициент условий работы углового сварного шва.

Коэффициент у —1 при строительстве в климатических районах I; II и при сварке сталей с нормативным сопротивлением по пределу текучести менее R_vn =41 кН / см². В прочих случаях принимают y_w — 0,85.

Если отношение PfR_wf/P_zR_wz >1, то металл шва более про­чен, чем металл границы сплавления и расчет углового шва вы­полняют по металлу границы сплавления (рис.6.4, сеч.2)

= Ялш < r . у . у /₆₇₎

п 1 1 WZ / с / W ’ V ^- ' /

П-Р: '^kf -К

Оп^1ты показали, что распределение напряжений по длине уг­ловых и фланговых швов - неравномерное. Наибольшие напря­жения развиваются у начала и конца шва. Если шов, работающий на срез, имеет большую длину, то середина шва оказывается ма- лонагруженной (рис.6.5) и не принимает участия в работе шва.

Рис. 6.5. Распределение напряжений в длинном шве

На срез работают только концевые участки шва. Суммарную длину участков шва, где напряжения имеют значительную вели­чину, называют расчетной I . Согласно СНиП[4] расчетная длина углового шва, работающего на срез должна быть не более

/рис, = 85 • P_f ■ k_f. (6.8)

Не зависимо от того, по какому сечению выполняют расчет шва, в формуле для определения расчетной длины всегда исполь­зуют коэффициент /З_г . Расчет длинных сварных швов выполня­ют по формулам (6.6) или (6.7), в которых l_w заменяют на l .

5. Расчет угловых швов на действие сдвигающей силы, приложенной с эксцентриситетом

В соединении, представленном на рис.6.6, действует сдвига­ющая сила, приложенная с эксцентриситетом е. В этом случае расчет следует выполнять на действие поперечной силы F и из­гибающего момента M = F-e, вызванного эксцентриситетом приложения этой силы F.

Рис. 6.6. К расчету сварных швов на изгиб и срез

Возможны два случая работы сварного шва.

1. Шов выполнен с глубоким проплавлением (рис.6.6, а).

В этом случае шов рассчитывают как стыковой на совместное действие нормальных и касательных напряжений и, следователь­но, в шве проверяют приведенные напряжения а

(6.9)

где <т - нормальные напряжения от действия момента М, их определяют согласно указаниям п.6.2 по формуле (6.2).

т - касательные напряжения от действия сдвигающей силы F, которые определяют по формуле (6.3).

При определении напряжений сг и т длину шва принимают равной /_и = h_w —10лш, а толщину шва, равной толщине приты­каемого элемента.

2. Шов выполнен с неполным проплавлением (рис.6.6, б).

В этом случае шов рассчитывают как угловой на срез от дей­ствия поперечной силы F и изгибающего момента M. Проч­ность в этом случае проверяют на суммарное действие касатель­ных напряжений от силы F и касательных напряжений от мо­мента M .

т =

Vv+v, (6.Ю)

где т_р - касательные напряжения от силы F, определяются по формулам (6.6) или (6.7) в зависимости от соотношения (6.5);

т_м - касательные напряжения от действия момента М, определяются по формуле

F-е 6-F-е

^тм = = 7, (6.11)

^м W_f 2-ft, -к, •/;' ' ^J

где е - эксцентриситет приложения силы F (рис.6.6);

Wf - момент сопротивления двустороннего углового (флан­гового) шва

W_f= ^f ^ ^{f w} (6.12)

6

При определении напряжений следует учитывать количество угловых швов. В рассматриваемом случае п = 2.

6. Расчет угловых швов на действие взаимно перпендикулярных сдвигающих сил

Если шов работает на срез от действия силы F и от действия перпендикулярной ей силы N (рис.6.7), то в шве возникают напряжения т_р от силы F и напряжения t_n от силы N. Здесь также возможны два случая работы сварного шва.

1. Сила N приложена перпендикулярно шву в середине его длины (рис.6.7,а).

Проверку прочности в этом случае производят на геометриче­скую сумму напряжений т_р и т,.

^т - л1^т/ ^{2 +T}N² _; (6.13)

где t_f и Ту — касательные напряжения от сил N и F, опре­деляются по формулам (6.6) или (6.7) в зависимости от отноше­ния (6.5).

2. Сила N приложена с эксцентриситетом относительно середины шва.

Если силы F или N приложены с эксцентриситетом е и создают момент, то наличие момента также следует учесть при проверке прочности.

Рис. 6.7. К расчету угловых швов на срез

В рассматриваемом случае (рис.6.7, б) сила N приложена с эксцентриситетом е и создает момент относительно середины шва. В этом случае прочность сварного соединения следует определять по формуле

2 ²

^Т=\1^ГР+ ^TN+^TN-e , (б-¹⁴)

где t_f - касательные напряжения от силы /■'. по формулам (6.5) или (6.6);

г,. - касательные напряжения от силы N, по формулам (6.5) или (6.6);

т ,_{/ с} - касательные напряжения от момента М = N- е, опре­деляются аналогично (6.10)

N-е 6-N-e

₂ (6.15)

4. СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

   1. Общие понятия о деформациях и напряжениях

Деформацией называют изменение формы и размеров элемен­тов конструкции под действием усилия. Если форма элементов конструкции восстанавливается после прекращения действия си­лы, то деформацию называют упругой. Если элемент не прини­мает первоначальную форму, то он получил остаточную, пласти­ческую деформацию.

До достижения в элементе напряжений, равных пределу теку­чести стали а_т, напряжения и деформации линейно связаны, т.е. увеличение напряжений происходит пропорционально увеличе­нию деформаций. При напряжениях равных пределу текучести деформации растут без изменения нагрузки (металл течет) и эти деформаций являются остаточными.

Деформации, развивающиеся при сварке, бывают временными и остаточными. Временные деформации - развиваются в период сварочного нагрева. Остаточные деформации сохраняются в те­чение длительного периода времени. Сварочные деформации де­лятся на общие, распространяющиеся на всей конструкции, и мест­ные, изменяющие размеры и форму отдельных узлов или деталей.

В результате неравномерного нагрева при сварке в элементах конструкций возникают остаточные сварочные напряжения. В зависимости от направления действующих усилий по отношению к рассматриваемому сечению элемента напряжения могут быть растягивающими, сжимающими, касательными и от кручения.

Напряжения от внешних усилий при эксплуатации сварной конструкции накладываются на остаточные напряжения от свар­ки и суммируются с ними.

2. Тепловые процессы при сварке и образование сварочных напряжений и деформаций

При сварке происходит местный разогрев элемента теплом сварочной дуги. Распределение температуры в момент сварки в элементе неравномерное. Наибольшая температура в зоне шва в момент прохождения сварочной дуги (рис.7.1, а). Сварочная дуга, перемещаясь по свариваемому изделию, представляет собой по­движный линейный источник тепла с переменной координатой. В теории сварочных процессов, разработанной Н.Н.Рыкалиным, доказано, что при перемещении источника тепла (сварочной ду­ги) по плоскости изотермы нагрева имеют вид вытянутой яйце­видной формы (рис. 7.1, б).

У N
сварочная	дуга

у.

■20 -16 -12 -а -4 о

Рис. 7.1. Распределение температуры при сварке

Температура в сечениях элемента распределена не равномерно В большей мере нагрета зона, расположенная в непосредственной близости от сварочной дуги. Перед источником тепла (сварочной дугой) температура резко нарастает (рис.7.1, в), а за источником тепла она постепенно убывает. На некотором удалении от зоны сварки температура изделия остается равной той, которая была до сварки.

Распределение температур зависит от мощности сварочной дуги и от толщины свариваемого металла. Распределение темпе­ратуры изменяется с течением времени.

Образование высоких температур в зоне шва в момент про­хождения дуги и большая разность температур по сечению пре­пятствует свободному расширению нагретого металла. (Свобод­ному расширению нагретого металла препятствуют соседние хо­лодные участки сварного соединения). Это и является причиной развития временных сварочных напряжений и деформаций Они существуют только в момент времени, когда температура шва высока. Металл в зоне шва (в зоне термопластичности) обжима­ется холодными участками соединения. В холодном металле в свою очередь развиваются напряжения растяжения. Временные напряжения уравновешены по сечению. В зоне шва развиваются временные сварочные напряжения сжатия, а в оставшейся части сечения временные напряжения растяжения.

Временные напряжения в зоне шва, превышающие предел те­кучести стали, являются причиной образования временных сва­рочных пластических и упругих деформаций. Последующее охлаждение изделия и пластические деформации, образовавшие­ся в момент нагрева, приводят к развитию остаточных сварочных напряжений и деформаций. Они остаются в конструкции после ее изготовления.

Знак временных и остаточных напряжений и деформаций про­тивоположный. После остывания в зоне шва возникают остаточ­ные сварочные напряжения растяжения, причем величина их зна­чительная а_жт = а_Т . На остальных участках изделия образу­ются не значительные по величине остаточные напряжения сжа­тия. Их величина тем меньше, чем шире изделие.

Временные деформации вызывают в изделии удлинение, эле­мента, а остаточные - укорочение.

Остаточные сварочные напряжения практически не влияют на прочность и работоспособность конструкций, если они работают при статической нагрузке и сталь, из которой они изготовлены, обладает достаточной пластичностью. СНиП [1] допускает не учитывать сварочные напряжения в расчетах конструкций из ма­лоуглеродистых и некоторых низколегированных сталей.

Остаточные сварочные деформации вызывают отклонение размеров и формы конструкций от проектных и в случае, если их величина превышает допускаемую СНиП [3], необходим их учет и компенсация до сварки или правка готовых изделий. Это в свою очередь приводит к удорожанию конструкций.

3. Остаточные сварочные деформации и их влияние на работоспособность и точность конструкций

Как отмечено выше, остаточные сварочные деформации неиз­бежно возникают при сварке металлических конструкций. Они ухудшают работоспособность и точность конструкции и могут привести к преждевременной потере прочности и устойчивости элементов конструкции.

Остаточные сварочные деформации принято разделять на об­щие и местные. Общими деформациями называют те, которые распространились по всему элементу или на большей его части. Местные деформации распространяются на отдельной части эле­мента конструкции. Все перечисленные виды деформаций явля­ются следствием развития продольной и поперечной усадки сварных швов.

К общим деформациям относятся:

- продольное и поперечное укорочение конструкций, которое возникает в результате продольной и поперечной усадки всех сварных швов в конструкции (рис.7.3);

Рис. 7.3. Продольное укорочение балки

- серповидность или саблевидность длинномерных элементов (рис.7.4) возникает в результате продольной усадки швов, распо­ложенных несимметрично относительно центра тяжести элемен­та, а также при несимметричном расположении ребер жесткости, косынок, накладок. Серповидность возникает также при сварке элементов несимметричного (например, таврового) сечения;

- грибовидность и перекос полок двутавровых балок и колонн. Грибовидность (рис.7.5, а) возникает в результате не равномер­ной усадки по сечению угловых швов (угловой деформации) при двустороннем их расположении.

Рис. 7.4. Деформации серповидности в балках

Перекос полок (рис.7.5, б) возникает в результате неравномер­ной усадки (угловой деформации) односторонних поясных швов по высоте.

Рис. 7.5. Угловые деформации двутавровых элементов

- винтообразность или скручивание длинномерных элементов (рис.7.6) возникает в результате неправильно выбранного направления сварки (когда швы выполняются в разных направле­ниях).

Рис. 7.6. Деформации винтообразности К местным деформациям относятся:

- деформации листовых конструкций в зоне сварных швов - сердечки (рис.7.7, а) и домики (рис.7.7, б). Сварной шов в листо­вой конструкции сокращается от сварки, в то время как окружа­ющий холодный металл не имеет усадки.

Рис. 7.7. Деформации в листовых конструкциях: а - сердечко; б - домик

- деформации отсеков стенок балок и колонн между ребрами жесткости - хлопуны (рис.7. 8). Усадка сварных швов происходит по контуру отсека, в то время как в средней части стенки усадки нет и металл в этой области выпучивается.

Г¹

Рис. 7.8. Хлопуны в отсеках стенки

• деформации в зоне шва при сварке трубопроводов (корсет- ность);

• деформации кольцевых швов в зоне приварки патрубков и люков в листовых конструкциях;

• угловые деформации при приварке ребер жесткости, косы­нок, накладок и прочих мелких элементов, поставленных кон­структивно.

4. Основные мероприятия по уменьшению сварочных напряжений и деформаций

Для уменьшения величины и опасного влияния остаточных сварочных напряжений и деформаций на работоспособность и точность металлических строительных конструкций следует при проектировании и изготовлении конструкций предусмотреть ме­роприятия по их снижению

.Мероприятия по снижению остаточных сварочных напряже­ний и деформаций разделяются на три группы:

• мероприятия, назначаемые до сварки на стадии проектиро­вания конструкций;

• мероприятия, используемые в процессе сварки;

• мероприятия, используемые после сварки.

1. Мероприятия, назначаемые до сварки на стадии проектирования конструкций

До сварки конструкций на стадии проектирования назначают конструктивно-технологические мероприятия, которые в процес­се сварки и последующего охлаждения снизят величину остаточ­ных сварочных напряжений и деформаций. В процессе проведе­ния этих мероприятий:

• необходимо компенсировать ожидаемую величину усадки припусками на длину и ширину изделия;

• по возможности снижать катеты угловых швов и величину усиления в стыковых и угловых швах;

• избегать в конструкциях большого количества рядом распо­ложенных сварных швов и их пересечений друг с другом;

• избегать швов замкнутого контура, т.к. внутри контура при сварке образуется выпучивание и суммирование собственных сварочных напряжений;

• располагать сварные швы и ребра жесткости симметрично относительно центра тяжести элемента;

• ограничивать применение накладок и косынок.

2. Мероприятия, используемые в процессе сварки

В процессе сварки элементов конструкций следует:

• выполнять швы с меньшим количеством наплавленного ме­талла;

• применять те марки электродов и сварочной проволоки, ко­торые создают пластичный металл шва;

• преимущественно применять швы с глубоким, равномерным проплавлением. При этом усадка шва будет равномерной и угло­вых деформаций не возникнет;

• по возможности применять автоматическую и полуавтома­тическую сварку, т.к. при этих видах сварки величина сварочных напряжений и деформаций меньше;

• использовать сборо-сварочные приспособления и кондукто­ры, обеспечивающие заданную точность сборки и жесткость кон­струкции во время сварки. При сварке в кондукторах величина сварочных напряжений и деформаций снижается;

• соблюдать правильную последовательность и направление при выполнении сварных швов. Первыми следует выполнять швы, расположенные ближе к центру тяжести конструкции;

• уравновешивать деформации последующих швов деформа­циями предыдущих. Например, деформации от сварки односто­ронних поясных швов в двутавровых сварных балках с одной стороны стенки компенсируются деформациями от приварки од­носторонних ребер жесткости с другой стороны стенки;

• создавать до сварки деформации обратного знака. В этом случае в конструкции до сварки создают выгибы или другие от­клонения, обратные по величине ожидаемым сварочным.

3. Мероприятия, используемые после сварки

После сварки и последующего остывания сваренных кон­струкций в случаях, когда уровень сварочных напряжений и де­формаций превысил допустимый СНиП [3], следует:

• применять холодную правку деформированных после сварки изделий. Холодная правка производится домкратами, ударами молотка или кувалды, прессами и т. п. На заводах металлокон­струкций используют специальные правильные установки;

• применять горячую правку деформированных после сварки изделий. При горячей правке осуществляется местный нагрев де­формированного участка конструкции сварочными горелками до температуры пластического состояния. При остывании на этом участке возникнут деформации обратные по величине остаточ­ным сварочным;

• устранять остаточные сварочные напряжения и деформации термической обработкой готовых изделий. Если позволяют раз­меры и форма, то конструкции подвергают отжигу, нормализа­ции или высокому отпуску.

4. СВАРИВАЕМОСТЬ СТАЛЕЙ

   1. Общие сведения о свариваемости сталей

Свариваемость - технологическая характеристика металлов, выражающая их реакцию на процесс сварки. Если свариваемые металлы образуют сварное соединение, отвечающее конструк­тивным и эксплуатационным требованиям, то они хорошо свари­ваются. Свариваемость - можно определить, как способность стали переносить тепловой режим при сварочном процессе без образования в соединении участков металла с пониженными пла­стическими свойствами. Снижение пластических свойств способ­ствует возникновению трещин при сварке конструкций или раз­рушению сварных соединений в эксплуатации.

Различают физическую и технологическую свариваемость.

Физическая свариваемость - свойство материалов давать мо­нолитное соединение с химической связью. Такой свариваемо­стью обладают все практически чистые металлы.

Технологическая свариваемость - технологическая характери­стика стали, определяющая ее реакцию на воздействие сварки и способность при этом образовывать сварное соединение с задан­ными эксплуатационными свойствами.

Свариваемость различных металлов и сплавов не одинакова. Свариваемость стали зависит от химических и физических свойств, кристаллической решетки, степени легирования, нали­чия примесей и других факторов. По свариваемости стали услов­но разделяют на четыре группы:

• к 1-й - группе (хорошо сваривающиеся) относят стали с со­держанием углерода до 0,25% , т.е. это те стали, которые приме­няют в строительстве;

• к 2-й - 4-й группам относят высоколегированные и кон­струкционные стали. Эти стали не применяют при изготовлении строительных конструкций.

Все малоуглеродистые стали хорошо свариваются всеми спо­собами сварки. Обеспечивается равнопрочность сварного соеди­нения, швы обладают удовлетворительной стойкостью против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низ­ким содержанием углерода. Однако, в сталях с содержанием уг­лерода 0,25%, вероятность образования холодных трещин повы­шается, особенно с ростом скорости охлаждения.

Низколегированные стали также хорошо свариваются всеми способами сварки, а предварительный подогрев, и последующая термическая обработка позволяют получать необходимые меха­нические свойства сварных соединений.

При сварке термоупрочненных сталей получение равнопроч­ного соединения вызывает определенные трудности и требует специальных технологических приемов. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении последующих швов эти зоны стано­вятся участками деформационного старения, приводящего к сни­жению пластических и повышению прочностных свойств метал­ла. Это способствует возникновению холодных трещин.

Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает угле­род. С увеличением содержания углерода свариваемость сталей ухудшается. На свариваемость влияют также и другие легирую­щие элементы.

2. Показатели свариваемости

Мерой количественной оценки свариваемости является сово­купность показателей свариваемости. Некоторые из них пред­ставлены ниже.

В легированных сталях доля влияния каждого легирующего элемента на свариваемость может быть отнесена к доле влияния углерода. Ориентировочным количественным показателем свари­ваемости легированной стали является эквивалентное содержа­ние углерода, которое определяют согласно ГОСТ 27772-88 по формуле

=^Й+Ув^Мп + ^l/₂4^Si+У>^{Сг +}Ут^т+Уз^Си+ _(81} ⁺УУ¹ +X^F+X^p+0,0024‘^f’

где t - толщина свариваемого металла.

В формуле (8.1) содержание углерода и легирующих элемен­тов дается в процентах.

Если С_э< 0,25%, то трещины в околошовной зоне не возни­кают и свариваемость считают хорошей.

Если С_э = 0,25^0,35%, то свариваемость удовлетворительная. Трещины могут возникнуть и во избежание их появления необ­ходимо применить предварительный подогрев. Сварку без подо­грева допускают при толщине металла до 10 мм.

Если С_э = 0,35^0,4%, то свариваемость ограниченная. Необ­ходим предварительный и сопутствующий подогрев.

Если С > 0,4%, то сталь не сваривается обычными методами сварки плавлением.

Основными показателями свариваемости стали являются:

• чувствительность стали к тепловому воздействию сварки;

• окисляемость стали при сварочном нагреве;

• сопротивляемость к образованию горячих трещин;

• сопротивляемость к образованию холодных трещин;

• чувствительность к образованию пор;

• соответствие свойств сварного соединения заданным экс­плуатационным требованиям. Сварное соединение должно обла­дать прочностью, пластичностью, выносливостью, коррозийной стойкостью и др.

3. Образование горячих и холодных трещин при сварке

Основным критерием свариваемости является сопротивляе­мость образованию горячих и холодных трещин (рис.8.1).

Горячие трещины при сварке - хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердожидком состоянии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии.

Возникновение горячих трещин обусловлено химическим со­ставом металла шва, условиями и характером процесса кристал­лизации, внутренними кристаллическими неоднородностями. Кроме того на развитие трещин значительное влияние оказывают жесткость сварного соединения и самой изготавливаемой кон­струкции.

Рис. 8.1. Трещины в сварных соединениях:

1, 2— продольные в шве и околошовной зоне;

3, 4—поперечные в шве и околошовной зоне;

5— поперечные в свариваемом металле

Главной причиной образования горячих трещин является по­теря способности металла к деформации. Кристаллизующийся металл шва находится под воздействием растягивающих времен­ных сварочных напряжений, развивающихся в сварном соедине­нии, а также неравномерно нагретого основного металла. Под действием этих факторов металл шва деформируется, а при недо­статочной деформационной способности в нем образуются горя­чие трещины.

Холодные трещины - локальные межкристаллическое разру­шение металла шва и околошовной зоны. Холодные трещины могут возникать после полного остывания сварного соединения и даже постепенно в течение нескольких последующих суток после сварки. Холодные трещины могут быть обнаружены при визу­альном наблюдении после полного остывания сварного соедине­ния. Они могут быть открытыми или закрытыми и иметь разную протяженность.

На образование холодных трещин оказывают влияние оста­точные сварочные напряжения, закалочные явления (мартенсит- ные превращения) и присутствие водорода и фосфора.

Чаще всего холодные трещины возникают при сварке средне и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного клас­сов, восприимчивых к закалке. Реже они возникают в низколеги­рованных сталях. В малоуглеродистых сталях возникновение трещин наблюдается крайне редко.

4. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

   1. Общая схема технологического процесса изготов­ления строительных металлических конструкций

Технологический процесс изготовления сварных строитель­ных металлических конструкций состоит из следующих основ­ных операций:

1. Подготовка и обработка металла.

Процесс подготовки и обработки металла включает следую­щие основные операции:

• обработку и разметку металла;

• роспуск (разрезка) листов на детали на газорезательной ма­шине или на гильотинных ножницах;

• правку листов, строжку, сверление или пробивку отверстий;

2. Сборка-сварка отдельных деталей или узлов.

Процесс включает следующие основные операции:

• подготовка отдельных элементов к сборке и сварке;

• сборка элементов;

• сварка элементов

• определение дефектов швов и отклонений размеров от про­ектных;

• устранение дефектов и правка элементов конструкции.

3. Окончательная сборка-сварка отправочной марки кон­струкции.

Процесс включает следующие основные операции:

• подготовка отдельных элементов и узлов к сборке и сварке;

• сборка элементов и узлов в конструкцию;

• сварка швов в конструкции;

• определение дефектов швов и отклонений размеров от про­ектных;

• устранение дефектов и правка готовой конструкции.

4. Заключительные операции.

Включают следующее:

• зачистка и грунтовка;

• приемка и складирование готовой конструкции.

2. Разработка технологии сборки и сварки металлических конструкций

Изготовление строительных металлоконструкций выполняется на основе «Карты технологического процесса сварки», которая дополняется инструктивными картами для каждого рабочего ме­ста и для каждой операции. Требования к составлению и оформ­лению карт приведены в ГОСТ 3.1407-86 и ЕСТПП (Единая си­стема технологической подготовки производства).

Карты для серийного, мелкосерийного или единичного произ­водства отличаются глубиной проработки.

Карта технологического процесса изготовления должна предусматривать:

• уменьшение трудоемкости всех производственных операций за счет их комплексной механизации и автоматизации, примене­ния усовершенствованной аппаратуры, сборочных приспособле­ний и кондукторов для сборки сварки;

• снижение продолжительности производственного цикла из­готовления конструкции;

• снижение отходов металла и сварочных материалов;

• рациональное использование производственного оборудова­ния и площадей;

• рациональное использование электрической энергии.

Перед разработкой технологической карты детально изучают

чертежи изготавливаемой конструкции, определяют степень от­ветственности и район строительства здания или сооружения, для которого изготавливается конструкция.

3. Подготовка элементов под сварку

Работоспособность, надежность и долговечность сварного со­единения в большой степени зависят от качественной подготовки элементов под сварку. Некачественное выполнение заготови­тельных и сборочных операций приводит к резкому возрастанию вероятности появления дефектов в сварных соединениях и в кон­струкции в целом. Анализ дефектов, обнаруженных в сварных соединениях, показывает, что значительная часть брака появляет­ся из-за плохого качества подготовки и сборки

1. . Подготовка элементов до сборки

Перед сваркой до сборки необходимо тщательно подготовить поверхность свариваемых деталей от загрязнений и неровностей, образовавшихся при прокатке, транспортировке и хранении ме­талла. В местах сварки металл зачищают до металлического блеска от ржавчины, масла, влаги, краски, рыхлого слоя окалины, льда и т. д. Продукты очистки необходимо удалить с поверхности и из зазора между кромками соединения, иначе на продуктах за­грязнения образуются газы, которые препятствуют сплавлению, образуют непровары и поры в сварных швах. Необходимо уда­лить загрязнения со всех поверхностей металла, расположенных даже вне зоны сварки, так как при кантовке и транспортировке загрязнения могут попасть в разделку шва. Зачистка уже собран­ного узла не может обеспечить получение качественного сварно­го соединения из-за того, что не удается зачистить свариваемые кромки. Это может послужить даже причиной образования де­фектов в результате попадания продуктов зачистки в зазор.

Зачистку поверхностей металла и сварного шва производят приводными или ручными металлическими щетками. В ряде слу­чаев пользуются абразивным инструментом. Абразивные круги также находят широкое применение для обработки кромок и за­чистки сварных швов. Однако в процессе работы и после нее остается большое количество пыли.

Следует иметь в виду, что работа с приводными щетками, и абразивными кругами, как и обращение с любым вращающимся инструментом требует соблюдения мер предосторожности: - ис­пользовать очки с прозрачными стеклами из поликарбоната, ис­пользовать рукавицы или перчатки, защищать органы дыхания.

2. Сборка элементов конструкций

Сборка - одна из главных операций при изготовлении кон­струкций. Сборочные операции осуществляют с целью обеспече­ния правильного взаимного расположения деталей конструкции или узлов, собираемых под сварку. Сборка конструкции, предше­ствуя сварке, должна обеспечивать возможность качественной сварки. Для этого детали устанавливают в проектное положение, выдерживают между ними заданный зазор и закрепляют между собой так, чтобы взаимное расположение деталей не нарушалось 104 в процессе кантовки, перевозки и сварки. Положение деталей фиксируют - прихватками. Прихватки - это короткие швы, слу­жащие для предварительного соединения подлежащих сварке деталей. Сечение прихваток меньше сечения шва, но не более 25­30 мм². Длина прихваток колеблется в пределах 20^120 мм. Рас­стояние между прихватками - 300^800 мм. Собранный на при­хватках узел обладает необходимой жесткостью и прочностью, поэтому его можно транспортировать к месту сварки и кантовать. Выполняют прихватки ручной дуговой или полуавтоматической сваркой в углекислом газе. Для выполнения прихваток применя­ют также сварочные головки. Поверхность сборочных прихваток тщательно очищают от шлака и подвергают внешнему осмотру.

В некоторых случаях взаимное расположение деталей фикси­руют зажимными приспособлениями. Для фиксации заготовок применяют специальные планки-гребенки, струбцины, клинья и ряд других приспособлений. По концам сварного шва обычно устанавливают выводные планки для вывода начала и конца сварного шва за его пределы.

Для повышения точности изготовления свариваемых кон­струкций используют сборо-сварочные кондукторы. Сборка и последующая сварка в сборо-сварочных кондукторах обеспечи­вает заданную точность сборки и жесткость конструкции во вре­мя сварки. После сварки конструкций в сборо-сварочных кондук­торах и полного остывания в них сварочные напряжения и де­формации снижаются, а точность конструкции повышается.

• Основные требования, предъявляемые к сборке:

• соблюдение требуемой последовательности сборки и сварки;

• применение необходимых инструментов и приспособлений, повышающих производительность труда сборщика;

• сборку преимущественно осуществлять в жестких сбороч­ных стационарных кондукторах, стеллажах или плитах;

• сборку производить только из тщательно выправленных де­талей, очищенных от заусенцев, грязи, масла, ржавчины и т.п.;

• прихватывать детали необходимо качественным сварочным материалом. Размеры и расположение прихваток должны быть согласно технологической схеме;

• зазоры, форма, размеры, углы скоса кромок должны соот­ветствовать проектным.

4. Сварка металлических конструкций

Сварка является главной операцией при изготовлении ме­таллических конструкций, позволяющей получить изделие, отве­чающее конструктивным и эксплуатационным требованиям. Сварку проводят сварочным оборудованием с применением сва­рочной оснастки - приспособлений и вспомогательных устройств для выполнения сварочных работ. Сварку элементов конструкций выполняют в следующей последовательности:

• Выбор вида сварки. Выбор вида сварки зависит от характера производства, технологической операции, протяженности и про­странственного расположения сварных швов. Виды сварки, при­меняемые при изготовлении металлических строительных кон­струкций, подробно описаны выше (см. гл. 3).

• Выбор типа сварного шва. При разработке технологической карты необходимо выбрать тип шва для каждого сварного соеди­нения отправочной марки. Выбор типа шва зависит от вида свар­ки, толщины свариваемых деталей, условий эксплуатации и сте­пени ответственности конструкции (см. гл. 4).

• Выбор режима сварки. В технологической карте необходи­мо выбрать режимы сварки (сварочный ток, напряжение дуги и скорость сварки) для выполнения сварных швов и прихваток. Со­блюдение указанных режимов обеспечивает качественный про­цесс сварки, получение швов заданных размеров, формы при от­сутствии дефектов. Режим сварки выбирается в зависимости от вида сварки, толщины свариваемого металла, толщины или кате­та сварного шва.

• Выбор сварочного оборудования. Сварочное оборудование, применяемое на заводах металлических конструкций, для выпол­нения сварных швов и прихваток подробно описано выше (см. гл. 3). Выбор сварочного оборудования зависит от вида сварки, пространственного положения и длины шва.

• Выбор сварочных материалов. Сварочные материалы это электроды, сварочные проволока, флюсы, защитные газы и др. Выбор сварочного материала зависит от марки свариваемой ста­ли, вида сварки, климатического района и условий эксплуатации конструкции, группы конструкций по степени ответственности (см. гл 2).

• Выбор сборочно-сварочной оснастки. Сборо-сварочная оснастка - это вспомогательные устройства (прижимы, упоры и т.д.), а также приспособления (стеллажи, сборочные кондукторы, кантователи, и т. д.). При помощи сборо-сварочной оснастки устанавливают в проектное положение собираемые под сварку элементы конструкции. В них выполняют прихватки и сварку.

В сварочном приспособлении свариваемые элементы устанав­ливают в удобное для сварки положение - преимущественно нижнее или «в лодочку». Применение кондукторов при сварке рекомендательно, т.к. в них значительно повышается точность сборки, отпадает необходимость в сварке прихваток (на сварку прихваток расходуется 10^20% всего наплавленного металла). Являясь более жесткими, чем свариваемая конструкция кондук­торы препятствуют образованию сварочных напряжений и де­формаций или значительно снижают их величину.

• Выполнение сварных швов. В технологической карте дают рекомендации по выполнению швов их сечению и длине, а также рекомендации по рациональной последовательности наложения швов и направлению при их выполнении. В рекомендациях ука­зывают мероприятия, позволяющие при сварке уменьшить вели­чину сварочных напряжений и деформаций (см. п. 7.4). Учет этих рекомендаций при проведении сварочных работ, позволит полу­чить швы заданной формы, размеров и качества, а также мини­мальные сварочные напряжения и деформации.

5. Пооперационный контроль качества

Для сварных конструкций показателем качества шва является соответствие его размеров проектным и отсутствие дефектов (не- проваров, шлаковых включений, трещин и т.д.).

Для выявления дефектов в сварных швах, а также изменений геометрической формы свариваемых элементов в процессе вы­полнения всех операций изготовления конструкций проводят контроль качества.

• При сборке элементов под сварку контролируют:

• форму разделки швов, углы скоса кромок (при V, K и X об­разной разделке кромок). Производят выборочный обмер кромок с помощью шаблонов;

• наличие или отсутствие зазора между кромками. Произво­дят выборочный замер зазора с помощью щупа;

• расположение и размеры прихваток. Расположение и разме­ры прихваток должны соответствовать схеме.

• При сварке элементов контролируют:

• соблюдение режима сварки. Параметры сварки контроли­руют по приборам. Отклонение параметров режима не более 5%;

• соблюдение технологической последовательности выполне­ния сварных швов.

• После сварки элементов контролируют:

• внешний вид и размеры швов. Производят наружный осмотр всех швов с проверкой размеров. Наплавленный металл должен быть плотным по всей длине шва, не иметь трещин, пор, раковин; иметь гладкую или равномерно чешуйчатую поверхность (без наплывов, прожогов, сужений и перерывов) и не иметь резкого перехода к основному металлу. Размеры и форма швов должны соответствовать ГОСТ.

• непровары, подрезы, шлаковые включения не должны пре­вышать допускаемых СНиП III-18-75 [3];

• качество швов контролируют физическими методами. Вы­полняют 100% контроль качества сварных швов 1 группы кон­струкций по степени ответственности и выборочный контроль швов 2 и 3 групп конструкций.

При обнаружении дефектов сварных швов их следует устра­нять следующими способами:

• обнаруженные перерывы швов и кратеры заваривают с нахлестом;

• швы с другими дефектами, превышающими допускаемые, удаляют на длину дефектного места плюс по 15 мм с каждой сто­роны и завариваются вновь;

• подрезы основного металла, превышающие допускаемые, зачищаются и заваривают с последующей зачисткой, обеспечи­вающей плавный переход от наплавленного металла к основному.

• исправленные дефектные швы или части их должны быть вновь освидетельствованы.

1. Если устранение дефекта невозможно, то производят отбра­ковку продукции. Справочник строителя. Сварка и резка в промышленном строи­тельстве /Под ред. Б.Д.Малышева - в 2 т. - М.: Стройиздат, 1989.

2. Справочник сварщика и газорезчика /Под ред. Г.Г.Чернышева - М., 2004.

*

3. СНиП III-18-75 Металлические конструкции. Правила изготовле­ния, монтажа, приемки. / Госстрой России. - М.: 2004.

4. СНиП II-23-81 . Стальные конструкции / Госстрой России. - М., 2004.

5. Металлические конструкции: Учебник для студентов вузов / Под ред. Ю.И.Кудишина -10 изд., стер. - М.: Издательский центр "Акаде­мия" , 2007.

6. Сварочные работы: современное оборудование и технология работ /Е.А.Банников, Н.А.Ковалев.- М. АСТ: Астрель, 2008.

7. Оботуров В.И. Сварочные работы в строительстве: Учебное посо­бие. - М: Издательство АСВ, 2006.

8. Куркин С.А., Николаев Г.А. Сварные конструкции. Технология из­готовления, механизация, автоматизация и контроль качества в свароч­ном производстве: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 1991.

9. Изготовление стальных конструкций. /Под ред. В.М. Краснова (Справочник монтажника). - М.: Стройиздат, 1987.

10. Волченко В.Н. Контроль качества сварных конструкций.- М.Машиностроение, 1986. - 152 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Издание второе, переработанное и дополненное 1

2.2. Сварочная проволока и электроды 20

2.2.3. Порошковая проволока 24

П—-Л QBQ Д 26

2.3. Защита металла шва от атмосферных воздействий 26

2.4. Техника безопасности при сварке 33

3. соблюдать правила пожарной безопасности.ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СВАРКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 38

3.1. Ручная дуговая сварка 38

3.2. Ручная дуговая сварка неплавящимся электродом в среде инертного газа 43

3.3. Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа 47

3.4. Автоматическая сварка под флюсом 53

Vv+v, (6.Ю) 94

^м W_f 2-ft, -к, •/;' ' ^J 94

у. 97

=^Й+Ув^Мп + ^l/₂4^Si+У>^{Сг +}Ут^т+Уз^Си+ _(81} ⁺УУ¹ +X^F+X^p+0,0024‘^f’ 105

Лицензия № ЛР № 020675 от 09.12.97 г.

Подписано в печать 11.01.2012 г. Формат 60х84 1/16 Печ. офс.

И - 248 Объём 7 п.л + вклейка цветная 32 полосы. Тираж 100 Заказ 5

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет». Ред.-изд. центр. Тел. (499) 188-29-75, (499) 183-97-95, e-mail: staty amgsu@y andexru., e-mail: ■rio@mgsu.ru.

Отпечатано в типографии МГСУ.

Тел. (499) 183-91-90, (499) 183-67-92, (499) 183-91-44. E-mail: info@mgsuprint.ru 129337, Москва, Ярославское ш., 26

1 Рисунки В.1 - В.38 помещены на цветной вклейке в данном учебном пособии.