8.11. Соединение металлических конструкций

Соединения деталей и элементов металлических, железобетонных и других конструкций бывают неразъемными (сварные и заклепочные) и разъемными (болтовые). Все соединения конструкций, выполняемые на строительстве, называют монтажными.

Сварные соединения. На строительстве применяют, как правило, ручную дуговую сварку с помощью стальных электродов со специальным покрытием. Каждому виду металла соответствует свой тип электрода с определенным покрытием.

Заклепочные соединения предназначены для конструкций, воспринимающих большие динамические нагрузки. Заклепка представляет собой круглый стержень с головкой. Стержень вводят в подготовленное отверстие в соединяемых деталях, головку прижимают поддержкой, а выступающую часть стержня ударами обжимки расплющивают, образуя замыкающую головку. При этом стержень утолщается, полностью заполняет высверленное отверстие и элементы конструкции соединяются наглухо. Заклепки обычно изготовляют из низкоуглеродистой пластичной стали Ст2 и Ст3.

Болтовые соединения нетрудоемки и достаточно надежны даже в особо нагруженных конструкциях. Болты для монтажных соединений изготовляют диаметром 6...24 мм, с интервалом 2 мм. Завертывают их так, чтобы в теле болта создалось напряжение 150...200 МПа. При этом используются упругие свойства стали: благодаря напряжению в теле болта соединяемые элементы сжимаются очень плотно.

8.12. Сварка металлов

Сваркой называют процесс получения неразъемных соединений металлических изделий с применением мест­ного нагрева. Металлические части в местах соединения нагреваются до плавления или до пластического состоя­ния. Сваркой достигается резкое снижение трудоемкости и ускорение процесса производства работ при изготовлении конструкций. В настоящее время в нашей стране до 90% металлоконструкций изготовляются сварными.

Свариваемость металлов неодинакова и зависит от их физических свойств, методов и режимов, применяемых при сварке. Повышенное количество углерода и раство­ренных газов приводит к пористости в месте сварки, так как углерод, соединяясь с кислородом, образует газооб­разные продукты. Лучше всего свариваются малоуглеро­дистые стали (С<0,2%). Стали с содержанием углеро­да более 0,4 % при сварке необходимо предварительно подогревать с последующим отжигом. Ухудшает свариваемость перегрев металла вследствие образования игольчатой структуры, которая снижает прочность и по­вышает хрупкость сварного шва.

В результате разогрева вблизи зоны сварки образует­ся зона термического влияния, в которой меняется струк­тура металла. Размеры зоны термического влияния за­висят от вида сварки, качества электродов; при газовой сварке она может достигать 20-25 мм, а при электроду­говой 2-8мм. В малоуглеродистых сталях металл в зоне термического влияния не меняет механических свойств, но в некоторых сталях в результате резкого охлаж­дения могут появиться закалочные структуры и трещины. При сварке легированных сталей нельзя допускать перегрева, так как может произойти выгорание специаль­ных элементов, выделение карбидов, самозакаливае­мость сварной зоны, могут появиться усадочные трещи­ны. Трудность сварки чугуна является следствием повы­шенного содержания углерода и невысокой его пластич­ности. Сварка чугуна производится, как правило, с по­догревом до 600-700 °С, чтобы устранить внутренние напряжения и предотвратить образование трещин рядом со сварным швом.

В зависимости от вида энергии, используемой для наг­рева металла, различают химическую (газовую, термит­ную) и электрическую (дуговую, контактную) сварки. Металл при сварке может доводиться до жидкого или пластического состояния. В зависимости от способа по­дачи присадочного металла и флюсов к месту сварки различают ручной, полуавтоматический и автоматичес­кий способы сварки.

Наиболее распространены электродуговая сварка плавлением с применением металлического электрода и электроконтактная сварка. Газовую сварку применяют для сварки чугуна, цветных металлов и стальных дета­лей малой толщины.

Электродуговая сварка основана на использовании теплоты от электрической дуги, возникающей между дву­мя проводниками (электродами) при пропускании элек­трического тока. При применении переменного тока рас­ход энергии меньше, чем при постоянном, оборудование проще и дешевле. При постоянном токе горение дуги стабильнее, чем при переменном. Устойчивость дуги при переменном токе можно увеличить повышением напряжения, увеличением частоты и применением специ­альной обмазки на электродах. Можно создавать дугу также между двумя электродами вблизи свариваемого изделия и расплавлять металл и электрод.

При электродуговой сварке одним полюсом, как пра­вило, является свариваемая деталь, а другим - уголь­ный или металлический электрод. В случае применения угольного электрода необхо­дим присадочный металл, для чего расплавляют специ­альный пруток, а при металлическом электроде расплавляется электрод.

Температура электрической дуги зависит от электро­дов: для металлических она составляет 2400-2600 °С, угольных 3800-3900 °С. В центре дуги по ее оси темпе­ратура достигает 7000°С. Полезно используется только 60-70 % теплоты. Для зажигания дуги электрод замы­кается на изделие. При сварке металлическим электро­дом его конец и свариваемое изделие расплавляются, капли металла электрода стекают, заполняют сварной шов и удерживаются на нем силами поверхностного на­тяжения. Электроды могут быть плавящимися (стальными, чу­гунными, алюминиевыми) и неплавящимися (угольными, вольфрамовыми). В зависимости от толщины сваривае­мого металла электроды применяются диаметром 1-12 мм и длиной 300-450 мм. Качество электродов зави­сит от марки применяемого металла и вида обмазки. На электроды наносят различного вида обмазки для повы­шения устойчивости горения электрической дуги путем ионизации воздушного промежутка, создания вокруг рас­плавленного металла и дуги защитного слоя из газов и шлака, необходимого для защиты металла от окисления и азотирования, а также обеспечивающего раскисление металла и уменьшение скорости его охлаждения.

В случае необходимости сварки металла толщиной 100-120 мм и более за один проход используют электро­шлаковую сварку. Такая сварка происходит за счет теп­лоты, выделяющейся при прохождении электрического тока через расплавленный флюс (шлак), нагретый до температуры, превышающей температуру плавления сва­риваемого металла.

Электродуговая сварка под водой достигается приме­нением специального электрода с толстой водонепрони­цаемой обмазкой, плавящейся медленнее этого электро­да. Обмазка обеспечивает устойчивость горения дуги под водой из-за образования газового пузыря. В состав об­мазки входят железный сурик, мел, титановая руда, по­левой шпат, растворимое стекло.

Электроконтактная сварка основана на нагревании места сварки электрическим током высокой плотности (десятки и сотни тысяч ампер) с одновременным сдав­ливанием деталей для облегчения взаимного проникно­вения атомов свариваемых металлов. Преимуществом электроконтактной сварки перед другими видами сварки является возможность полной механизации и автомати­зации. Высокая плотность тока и незначительное напря­жение (0,5-10 В) создают в месте контакта быстрый нагрев до плавления.

Стыковая контактная сварка обеспечивает соедине­ние отдельных металлических частей деталей по всей по­верхности соприкосновения. Качество стыковой контакт­ной сварки определяется выбором правильного режима, электрической мощностью (5-15 кВт на 1 см²), дли­тельностью сварки (4-40 с при стальных стержнях диа­метром 6-50 мм), скоростью оплавления, давлением осадки.

Точечная сварка  самый распространенный вид элек­троконтактной сварки. Она применяется при соединении деталей в отдельных местах в виде небольших площа­док (точек). Необходимая для разогревания теплота соз­дается электрическим током, подводимым медными элек­тродами, между которыми помещается и зажимается сва­риваемая деталь. Точечная сварка широко используется при сваривании пересечений арматуры для железобетон­ных конструкций, прокатных и штампованных профилей, сортовой стали малой толщины. Качество сварки дости­гается правильным выбором длительности нагрева (от десятых до тысячных долей секунды), давления между электродами во время нагрева и после него, диаметра медного электрода и других факторов. Для точечной сварки выпускаются автоматические и неавтоматические машины; их мощность зависит от толщины свариваемых изделий.

Шовная (роликовая) сварка позволяет делать сое­динение листового металла непрерывным швом. При шов­ной сварке применяются электроды в виде роликов (диа­метр 40-350мм, ширина обода 4-6 мм), Этот вид сварки по типу применяемых машин и по приемам не отли­чается от точечной. Режим шовной сварки определяется шагом образующих шов точек (1,4-4,5 мм), усилием, приложенным к роликам, диаметром роликов, силой сва­рочного тока, скоростью сварки.

Газовая сварка основана на получении необходимой теплоты для расплавления свариваемых деталей за счет химической реакции горения газов (ацетилена, водорода, бутана, природного газа, паров бензина, керосина и т. п.). Наиболее широко в практике применяют газ ацетилен (С₂Н₂). Ацетилен к месту сварки доставляют в балло­нах под давлением 1,62,2 МПа, которое снижается до рабочего давления редуктором. Ацетилен может быть получен и на месте потребления в специальных генера­торах путем воздействия воды на карбид кальция. При соотношении кислорода к ацетилену 1,1 : 1,2 достигается температура горения 3100 °С. Изменение соотношения кислорода и ацетилена приводит к нарушению нормаль­ного горения: при избытке кислорода пламя становится окислительным, а при избытке ацетилена сварочное пла­мя насыщается раскаленными частичками углерода и температура резко снижается.

Ацетилен и кислород смешиваются в специальной го­релке, по выходе из которой происходит горение. Наи­большее распространение получили горелки инжектор­ного типа, в которых струя кислорода при выходе из го­релки создает разрежение, благодаря чему и происходит принудительное засасывание ацетилена. В зависимости от толщины свариваемого металла наконечники и горел­ки меняются.

При газовой сварке для создания сварочного шва вводят присадочные прутки. Такие прутки должны иметь химический состав, близкий к составу свариваемого ме­талла. Для повышения производительности сварки и улучшения качества шва применяют многопламенные го­релки с несколькими мундштуками.

Для соединения трубопроводов, рельсов, инструмента и т. д. применяют газопрессовую сварку, при которой де­тали нагревают многопламенными горелками до перехо­да металла в пластичное состояние или до оплавления, а затем сваривают при сильном обжатии деталей.