книги из ГПНТБ / Майзель В.С. Сварные конструкции учебник

В таких случаях необходимо улучшать конструкцию, устра­ няя в ней труднодоступные места и изменяя, если это возможно, конструктивные решения, которые требуют применения большого числа коротких швов.

Применение коротких швов, кроме того, может быть нежела­ тельным еще и потому, что они создают концентрацию напряже­ ний, которая, не являясь опасной при статической нагрузке, оказывает отрицательное влияние при действии вибрационной нагрузки. В таких случаях замена коротких швов непрерывными дает двойной эффект — не только обеспечивает возможность при­ менения автоматической сварки, но и способствует повышению выносливости элементов конструкций.

Примером подобного сочетания условий является конструк­ тивное решение, принятое в цельносварных пролетных строениях железнодорожных мостов.

При проектировании стержневых элементов сварных ферм вместо обычно применяемых составных стержней со сквозным сечением, состоящих из отдельных веток, связанных между собой большим количеством элементов соединительных решеток, при­ вариваемых короткими швами, были приняты стержни со сплош­ ным сечением, составленные из отдельных полос, связанных ме­ жду собой непрерывными поясными швами.

Короткие швы, выполняемые электродуговой сваркой, в не­ которых случаях могут быть заменены сварными точечными со­ единениями, выполняемыми высокопроизводительным способом контактной сварки. Это относится к узлам легких стропильных ферм и другим элементам строительных конструкций.

Сварные точечные соединения применяются достаточно широко в узлах легких тонкостенных конструкций. За последние годы появились новые брлее мощные машины для точечной сварки, что позволило расширить применение этого способа сварки в область конструкций, характеризующихся применением элементов с более значительной толщиной. Многие строительные конструкции вы­ полняются в настоящее время с применением сварных точечных соединений. Это позволяет значительно повысить уровень приме­ нения механизированных способов сварки и снизить стоимость изготовления конструкций.

§ 23. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

В ПРОЕКТИРОВАНИИ И ИЗГОТОВЛЕНИИ

СВАРНЫХ конструкций

Возможность выбора наиболее удачной для заданных условий формы сварных соединений позволяет достигать высоких показа­ телей технологичности сварных конструкций.

Проектирование технологии сварки. В большой степени каче­ ство сварной конструкции зависит от выбора надлежащего режима сварки, обеспечивающего получение заданных свойств металла

в швах и околошовных зонах, правильное формирование швов, отсутствие пороков в сварных соединениях, а также от соблюде­ ния требуемой точности проектных размеров и форм самой кон­ струкции.

Не менее важное значение для качества сварных конструкций имеет точность изготовления отдельных деталей — заготовок, а также точность и последовательность выполнения всех сборочных операций.

Подготовка и сборка деталей для осуществления более совер­ шенных соединений, какими являются соединения встык и впри­ тык, вместо нахлесточных соединений требует и более высокого уровня организации процесса производства.

Правильное решение вопроса изготовления сварной конструк­ ции в ряде случаев является задачей достаточно сЛЬжной, охва­ тывающей все стадии производственного процесса, и поэтому этот вопрос требует подробной предварительной проработки во всех его деталях. Для многих сложных сварных конструкций необходима даже разработка специального проекта технологиче­ ского процесса, в котором должны быть указаны методы получе­ ния заготовок, последовательность сборки и сварки, выбранные способы сварки и их режимы, меры обеспечения необходимой точности конструкции, а также способы контроля качества свар­ ных соединений. При этом отмечавшаяся ранее тесная связь между прочностью сварной конструкции и вопросами выбора для нее материалов, форм сопряжений и узлов, а также связь этих вопросов с вопросами самой технологии требует того, чтобы вопросы технологии изготовления сварной конструкции решались одновременно с решением всех основных вопросов, связанных с разработкой проекта самой конструкции.

Рациональный технологический процесс изготовления сварной конструкции может быть выбран после сравнения нескольких вариантов, характеризующихся различными производственными показателями. Правильная оценка различных вариантов возможна только на основании соответствующих технологических расчетов. Поэтому расчетные методы проектирования технологических про­ цессов изготовления сварных конструкций являются необходимыми и находят в современных производственных условиях все более широкое применение.

Применяя существующую методику расчета, можно подобрать режим сварки так, чтобы форма шва полностью соответствовала установленным для нее технологическим допускам. При этом могут быть обеспечены достаточно плавные переходы от поверх­ ности стыкового шва к основному металлу, обеспечивающие такое снижение концентрации напряжений, при котором вибрационная прочность в сечении по зоне у шва может быть повышена до проч­ ности в сечении по основному металлу. При этом надобность в до­ полнительной механической обработке поверхности переходной зоны у шва полностью отпадает, и применение такой механической

обработки может рассматриваться не как обязательная мера, а лишь как средство исправления дефектов формы для случаев, когда они окажутся полученными в результате отклонения от установленного технологического режима.

В зависимости от установленного режима сварки расчетом можно определить и ожидаемые деформации. Это дает возможность, выбирая соответствующую последовательность сварки всех швов конструкции, обеспечить такую точность ее размеров, при кото­ рой возможные отдельные отклонения будут укладываться в пре­ делы допусков. В случае, когда одним выбором рациональной последовательности сборки и сварки нельзя избежать нежела­ тельных деформаций, можно предусмотреть применение специаль­ ных мер для их предупреждения. При этом эффективность при­ менения так»* мер также может быть проверена расчетом. Таким образом, применение расчетной методики проектирования тех­ нологического процесса дает возможность более совершенного изготовления сварной конструкции и обеспечивает не только более высокое ее качество, но и снижение производственных рас­ ходов.

Простота форм сварных соединений позволяет достигать и более высокой степени механизации и автоматизации процессов изго­ товления сварных конструкций. Широкое применение таких прогрессивных методов производства, как машинная газовая резка и автоматическая сварка, способствует повышению произ­ водительности труда, сокращает сроки изготовления конструкций и обеспечивает улучшение технико-экономических показателей производственного процесса. При этом необходимо учитывать также и то, что применение автоматической сварки способствует также и получению более стабильного качества сварных швов. Поэтому дальнейшее увеличение применения автоматической сварки относится к числу первоочередных задач, которые находят отражение в наших народнохозяйственных планах.

Комплексная механизация. Современное состояние сварочной техники характеризуется переходом к комплексной механизации технологического процесса в целом, к поточным и автоматическим линиям.

На ряде заводов созданы механизированные поточные линии для изготовления различных сварных изделий и узлов (двутавро­ вых балок, труб большого диаметра, железнодорожных цистерн, деталей и узлов автомобилей и др.).

В настоящее время поставлена задача по механизации свароч­ ных процессов не только на заводах, но и на строительных пло­ щадках.

Впервые автоматическая сварка вертикальных монтажных стыков была проведена при изготовлении самого большого в мире цельносварного моста через реку Днепр в Киеве. Вертикальные монтажные стыки выполнялись автоматической сваркой в про­ летных строениях железнодорожного моста, построенного по

проекту, разработанному с участием Института электросварки им. Е. О. Патона и НИИмостов. При строительстве НовоАрбатского моста в Москве также широко применялась автомати­ ческая сварка вертикальных монтажных стыков.

Вбольшом объеме автоматическая монтажная сварка была применена при строительстве крупных доменных печей в Нижнем Тагиле и в Кузнецке.

Вряде случаев более рациональным решением вопросов мон­ тажа конструкции может быть такое, при котором наибольшая часть работ будет сосредоточена на заводе, а работы на строи­ тельной площадке будут сведены до минимума.

Вкачестве примера такого решения можно привести изготов­ ление крупногабаритных сварных резервуаров для хранения нефти, которые относятся к числу негабаритных конструкций.

Продолжительное время их сборка и сварка осуществлялась полностью на монтаже полистовым методом. Это сильно ограни­ чивало возможность применения автоматической сварки, а также сборочно-сварочных приспособлений, что значительно удорожало производство и снижало качество изготовления сварных резер­ вуаров.

Большим достижением явился разработанный по предложению

Г.В. Раевского в Институте электросварки имени Е. О. Патона АН УССР поточный метод заводского изготовления вертикальных цилиндрических резервуаров, который получил название метода сворачивания (или рулонирования).

Этот метод заключается в том, что стенка и днище вертикаль­ ного резервуара изготовляются целиком на заводе в ьиде отдель­

ных плоских полотнищ, которые после сварки сворачиваются в рулоны, имеющие габариты, доступные для перевозки по желез­ ной дороге. Способ рулонирования обычно применяется при тол­ щине металла до 12 мм. Сворачивание сваренных полотнищ про­ изводится в рулоны, имеющие длину до 12 м и диаметр до 3,2 м (рис. 5.10). Применение метода рулонирования позволяет большую часть сборочных и сварочных работ перенести с монтажной пло­ щадки на завод, где можно широко использовать сборочно-свароч­ ные приспособления и осуществить сварку всех швов автоматиче­ ским способом. На месте монтажа производится разворачивание днища, установка рулона стенки в вертикальное положение с по­ следующим разворачиванием его с помощью тракторов. При этом на монтаже остается только сравнительно небольшая часть сва­ рочных работ при выполнении замыкающих швов. Трудоемкость монтажных работ при этом уменьшается в четыре раза.

Новая технология изготовления и монтажа сварных верти­ кальных цилиндрических резервуаров привела к необходимости внесения некоторых изменений в их конструкцию. Все заводские соединения листов стенки осуществляются встык, при этом вер­ тикальные стыки предусматриваются совмещенными. Для тонких листов днища и кровли применяют соединения внахлестку.

В настоящее время метод рулонирования широко применяется при изготовлении листовых конструкций и настолько развит, что представляется возможным выполнять сворачивание обечаек для кожухов доменных печей, оболочек каплевидных резервуаров и некоторых других конструкций.

Анализ структуры стоимости изготовления строительных кон­ струкций показывает, что такие операции, как заготовка деталей, сборка и сварка конструкции, по своим затратам равноценны между собой. Поэтому вопросы механизации технологического

Рис. 5.10. Монтаж рулонированного вертикального резервуара

процесса изготовления сварных конструкции должны решаться комплексно, иначе эффект механизации сварочных процессов будет мал.

В качестве примера комплексной механизации может быть приведена поточная линия для изготовления сварных двутавровых балок, действующая на Днепропетровском заводе металлокон­ струкций им. Бабушкина.

Поточная линия по производству сварных балок представляет собой комплекс неразрывно связанных между собой агрегатов, выполняющих последовательно все необходимые операции по заготовке деталей, сборке и сварке балок и окончательной их обработке.

На линии установлено свыше 300 единиц различного обору­ дования.

Процессы перемещения отдельных деталей и узлов от одного рабочего места к другому полностью механизированы и осуще­ ствляются в основном с помощью транспортных рольгангов. Операции сборки и кантовки осуществляются с применением электромагнитных кантователей.

Листы для изготовления стенок и широкая полоса для изготов­ ления полок балок двумя параллельными потоками по рольгангам

проходят через заготовительный участок, на котором они на от­ дельных позициях подвергаются соответствующей обработке (обрезке, зачистке, сварке, правке) и в виде уже готовых мерных деталей поступают в питатель сборочного участка, где произво­ дится механизированная предварительная припасовка полок

кстенке и передача их в таком положении в сборочный стан.

Вспециальном сборочном стане производятся окончательная сборка профиля и закрепление поясов и стенки двумя сплошными

Рис. 5.11. Поточная линия изготовления сварных балок: а — схема расположения рабочих мест на участке сварки; б — схема кантователя на 45°; в — схема кантователя на 180°; г — схема правки грибовидное™

Сварка поясных швов производится трехдуговыми автоматами в специальных кантователях, которые осуществляют поворот балок на 45° и обеспечивают выполнение швов в наиболее удобном для их формирования положении «в лодочку» (рис. 5.11, а, б). Скорость сварки швов с катетом 8—18 мм составляет 80— 120 м/ч.

Для обеспечения заданного темпа работы поточной линии (12 мин) на участке сварки имеются четыре рабочих места, рас­ положенных последовательно (рис. 5.11, а). На каждом рабочем месте выполняется только один поясной шов. Перемещение балок на участке сварки осуществляется продольными и подъемно­ поперечными рольгангами. Ранее выполненные малокалиберные временные сварочные швы в начале используются в качестве предварительной подварки, обеспечивающей возможность выпол­ нения первых двух основных швов, расположенных с противо­

положной им стороны балки, а затем полностью развариваются последующими двумя другими основными швами. Для обеспечения принятой последовательности сварки отдельных швов на участке сварки расположены еще два кантователя, обеспечивающие по­ ворот балок на 180° (рис. 5,11, в).

На участке окончательной отделки производится отрезка выводных планок, очистка поясных швов от шлака и правка гри­ бовидное™ полок (возникающей от угловых деформаций поясных швов). Правка грибовидное™ производится на специальных пра­ вильных машинах тремя роликами при горизонтальном положе­ нии балки (рис. 5.11, г). Рабочий нажимный ролик может разви­ вать усилие до 150 тс.

Поточная линия служит для изготовления сварных двутавро­ вых балок из малоуглеродистой и низколегированной стали вы­ сотой 600—2000 мм, толщиной стенки 8—20 мм при длине балок до 12 м.

Производительность поточной линии составляет 5 балок в час. Съем продукции с одного метра производственной площади увеличился в 2,5 раза по сравнению с индивидуальным способом производства, существовавшим на заводе до пуска поточной линии. Производительность труда увеличилась в 3,5 раза, а себестоимость

продукции снизилась на 16%.

Комбинированные конструкции. Большие возможности для повышения технологичности конструкций открываются с приме­ нением комбинированных сварных конструкций. Сварка является таким технологическим процессом, который допускает возмож­ ность образования монолитных комбинированных конструкций, составленных из отдельных частей, изготовляемых из различных материалов с применением различных технологических процессов при изготовлении отдельных частей конструкции.

Применение комбинированных сварных конструкций из литых, кованых, штампованных деталей, а также из проката значительно уменьшает трудности получения качественных отливок, поковок и штамповок больших размеров, создает возможность для более широкого применения наиболее прогрессивных высокопроизво­ дительных методов литья, ковки и штамповки, повышает каче­ ство и долговечность изделий, уменьшает затраты металла, сни­ жает трудоемкость и сокращает сроки изготовления изделий. При этом сочетание таких благоприятных отдельных свойств различных технологических процессов, как, например, хорошее формообразование при отливке, высокая степень чистоты поверх­ ности при штамповке наряду с современными возможностями сварки, обеспечивающими большую производительность процесса и высокую прочность сварных соединений, приводит к тому, что комбинированные сварные конструкции являются наиболее прочными и наиболее технологичными.

Значительный экономический эффект от применения сварных комбинированных конструкций получен на Ленинградском ме­

таллическом заводе им. XXII съезда КПСС, где широко приме­ няют сварку при изготовлении уникальных турбин для крупней­ ших гидроэлектрических станций.

Вместо крупных отливок завод широко применяет сварные комбинированные конструкции из штампованных деталей и ли­ стового проката.

При этом повышение технико-экономических показателей происходит в основном за счет значительного уменьшения объема механической обработки и экономии металла.

Применение штампованных н прокатных деталей, характери­ зующихся высокой чистотой поверхности, значительно умень­ шает площади поверхностей, подлежащих механической обра­ ботке, и, кроме того, позволяет уменьшать припуски на обработку за счет соблюдения более точных размеров по толщине штампован­ ных заготовок.

Экономия металла достигается главным образом за счет приме­ нения прокатных деталей с более тонкими стенками по сравнению со стальными отливками.

Втабл. 5.3 приведены некоторые технико-экономические показатели для деталей турбины Куйбышевской ГЭС.

Восновном в этих случаях были приняты сварные конструкции из штампованных деталей и листового проката.

Приведенные данные свидетельствуют о значительном сокра­ щении расхода металла, уменьшении трудоемкости и снижении

стоимости, что только по указанным деталям дало заводу около 1 млн. руб. экономии.

Снижение стоимости сварных деталей определяется указанными преимуществами и, кроме того, происходит еще и потому, что отпадает необходимость исправления брака литья, что для таких (достаточно сложных) стальных деталей имеет большое значение. Так, например, по данным того же завода, при исправлении брака крупных стальных отливок сваркой расход наплавленного ме­ талла в отдельных случаях составлял До 35% и более от общего веса детали (доходящего до 900 кг), тогда как для сварной кон­ струкции вес наплавленного металла сварных швов обычно со­ ставляет около 2%.

Приведенные в табл. 5.3 показатели не являются предельными для комбинированных сварных конструкций и могут быть повы­ шены за счет более широкого применения комбинаций из отдель­ ных отливок и поковок.

В судостроении широко применяют сварные комбинированные конструкции, составленные из отдельных отливок или поковок для изготовления крупных и сложных изделий. Примером таких деталей могут служить ахтерштевни и форштевни, устанавливае­ мые в носовой и кормовой оконечностях судна и воспринимающие весьма значительные нагрузки в виде ударов при швартовках и при встрече с различными плавающими предметами. Особенно мощными должны быть эти детали у ледоколов.

Наиболее сложными по форме являются ахтерштевни ледоко­ лов. При отходах задним ходом во время работы во льдах на ахтер­ штевни действуют большие динамические нагрузки.

Применение сварных конструкций в таких ответственных де­ талях корпуса морских судов свидетельствует о большом доверии к сварке, сложившемся на основе результатов большого успешного опыта, накопленного в судостроении.

Рис. 5.12. Схема сварной комбинированной конструкции ахтерштевня. Цифрами указаны номера отдельных деталей

На рис. 5.12 представлен общий вид лито-сварного ахтер­ штевня ледокола «Ленин» весом 83 т, который выполнен из девяти отдельных частей, соединенных между собой электрошлакоЕой сваркой.

Опыт работы судостроительных заводов показал, что изготов­ ление таких сложных деталей в виде целой отливки приводит к весьма значительному браку. Избежать этот брак можно только путем расчленения заготовок на более мелкие части. При этом сварка оказывается наиболее надежным и экономичным способом соединения таких заготовок в одно целое. Наиболее эффективным для подобных случаев является электрошлаковый способ, который обеспечивает возможность соединения деталей без ограничения толщины (до 500 мм и более).

На Черноморском судостроительном заводе в содружестве с Институтом электросварки им. Е. О. Патона отработана аппаратура и технология электрошлаковой сварки стыков