Зварювання двотаврової балки

Вступ

Металеві конструкції  завдяки своїм техніко-економічним  показникам  застосовуються у всіх галузях народного господарства.

Широке застосування металевих конструкцій в будівництві  дозволяє   проектувати збірні елементи будівель та споруд порівняно малої маси, організовувати потокове виробництво конструкцій та їх монтаж,              прискорювати введення об'єктів в експлуатацію.

Зварна балка - одна з  найбільш поширених складових будівельних    металоконструкцій і є конструктивним елементом, що працює головним   чином на зигин. Стінки складових перерізів (зварної балки) може бути       тоншою прокатних, і в той же час міцніше і стійкіша за рахунок введення додаткових ребер жорсткості. На сьогоднішній день технологія виготовлення прокатних балок робить її більш металоємкою, отже, і менш економічною. А оскільки, як правило, перевага віддається тим конструкціям, вага яких є  найменшою, то при виборі елементів їх складових перевагу також віддається більш легким з них. Також у сортаменту, що виготовляється стандартного прокатного профілю відсутні балки великих перерізів. І тут зварні балки з високою несучою   здатністю, зварені з листового металопрокату, стають просто незамінними, також як і в тих випадках, коли потрібні конструкції, жорсткість яка перевищує можливості прокатних профілів. Зварні балки використовуються  в спорудах і будівлях, мостах, мостових кранах, та ін.

1 Аналітичний розділ

1.1 Аналіз зварної конструкції

Підкранові балки призначені для мостових електричних кранів загального призначення вантажопідйомністю до 50 т легкого, середнього та важкого режимів роботи. Балки повинні задовольняти вимогам ГОСТ 23118-78, ГОСТ 23121-78, та СНиП III-18-75.

Конструкція балки представляє  собою жорстку конструкцію двотавра, та складається з листів різної товщини (рис. 1). Виготовляється зі сталі 18Гпс, що є замінником сталі ВСт3Гпс згідно з ГОСТ 23570—79, ГОСТ 380—71 це фасонний і листовий прокат товщиною від 5 до 36мм. для несучих елеметів зварних конструкцій, які працюють при змінному навантаженні і при температурі від -40 до +425 °С, і для ненесучих елеметів зварних конструкцій, які працюють при змінному навантаженні і при температурі від -40 до +425 °С при гарантуючій зварюваності. Товщина листів є різною, що ускладнює процес виготовлення конструкції [1].

Рисунок 1.1 Конструкція  балки

2.2 Матеріали  конструкції

Застосування багатьох типів звичайних будівельних  сталей не може гарантувати безпеку конструкції від ушкоджень.

Дослідженнями встановлено, що найбільше часто руйнування відбуваються по наступних причинах:

- недостатньо висока  ударна в'язкість стали;

- незадовільна зварюваність, особливо в польових  умовах;

- розшарування;

- низька міцність на  розтяг в поздовжньому й особливо  в поперечному (тенденція до  утворення тріщин внаслідок розшарування) напрямках;

- неоднорідність механічних, металургійних і хімічних властивостей.

Випробування сталей із границею текучості менш 355 MПa    проводять при температурі -40 і -20°С (спокійна дрібнозерниста сталь), а  при 0°С (напівспокійна сталь або спокійна сталь).

Сталі із границею текучості 355 МПа піддають термообробці з перевіркою якості при -40, -20  і 0°С (нормалізація або перевірка прокаткою).

Хімічний склад лиття (особливий кількість вуглецю, кремнію, марганцю, сірки й фосфору) перевіряють  на заводі. Після остаточних операцій плавки (розкислення) визначають також кількість алюмінію, ніобію й ванадію. По угодах між замовником і виготовлювачем визначається зміст кисню, азоту, рідкоземельних елементів, а також залишкових елементів: міді, хрому, молібдену й нікелю [2].

Заготовки для виготовлення зварної конструкцій виготовляються із вуглецевої конструкційної сталі ВСт3сп (18Гсп).

З підвищенням номера сталі зростає поріг міцності і текучості та знижується пластичність. До сталей призначених для зварних робіт, важливо низька чутливість до термічного “старіння”.

Існує три групи сталей—сталі групи А призначені для виробів, які при виготовленні не піддаються гарячій обробці (зварці, куванню), сталі  групи Б – для виробів з  використанням гарячої обробки (в  цьому випадку необхідно знати хімічний склад сталі для визначення режимів гарячої обробки). Сталі групи В широко використовуються для виготовлення зварних конструкцій, при розрахунку яких важливо знати її механічні властивості [2].

 Літера «В» на  початку маркування означає що дана сталь виготовлена з дотриманням  визначених хімічних та фізичних властивостей. Хімічний склад та механічні властивості матеріалу зазначені в таблиці 1.1 та 1.2.

Таблиця 1.1 – Хімічний  склад в % матеріалу ВСт3Гпс

Таблиця 1.2 – Механічні  властивості при Т=20 ºС матеріалу ВСт3Гпс.

S_в – Тимчасова ганиця міцності, [МПа]

S_T – Границя пропорційності (границя текучості для залишкової деформації), [МПа]

d₅ – відносне видовження при розриві, [ % ]

y – відносне звуження, [ % ]

KCU – Ударна в’язкість , [ кДж / м2]

При виготовлені даної зварної конструкції використовуємо листову гарячекатану сталь шириною 500мм і більше, яка виготовляється в листах товщиною від 0,5 до 160мм за ГОСТ 19903-74 «Сталь листовая горячекатаная Сортамент», таблиця 1.3.

Таблиця 1.3 – Вимоги   стандарту на листову горячекатану сталь

Дуже важливо при  виготовленні зварних вузлів брати  до уваги зварюваність матеріалу. Зварюваність це — здатність матеріалів утворювати зварні з'єднання. Зварюваність оцінюється ступенем відповідності властивостей зварного з'єднання однойменним властивостям основного матеріалу та його схильністю до утворення дефектів [2].

   Головним фактором, від якого  залежить зварюваність сталі,  є її хімічний склад. Крім того, суттєво впливають ліквація шкідливих домішок (сірка, фосфор), насиченість газами та засміченість неметалевими включеннями, схильність до росту зерна при перегріві, чутливість до концентраторів напружень, термічного старіння, утворення гарячих та холодних тріщин, перехідна температура крихкості та інші металургійні й технологічні чинники.

   Всі марки сталей в  промисловості залежно від якісної  оцінки зварюваності поділяють на наступні групи:

    добра зварюваність (коли  в заданих технологічних та  конструктивних умовах задовольняються необхідні експлуатаційні властивості зварних з'єднань);

   задовільна зварюваність (коли  забезпечуються експлуатаційні  властивості з'єднань певним вибором раціонального режиму зварювання та його дотриманням в процесі виготовлення виробу);

   обмежена зварюваність (коли  необхідно використовувати спеціальні  технологічні заходи або змінювати  спосіб зварювання);

незадовільна зварюваність (коли при  всіх прийнятих спеціальних технологічних заходах не досягаються необхідні експлуатаційні властивості зварних з'єднань).

Більшість сталей, які застосовуються для виготовлення будівельних конструкцій, відносяться до добре зварюваних. Зварюваність можна оцінити за наступною емпіричною формулою:

С_екв = С + Mn/20 + Ni/15 + (Cr + Mo + V)/10,                      (1.1)

де С, Mn, Ni, Cr, Mo, V – вміст відповідно вуглецю, марганцю, нікелю, хрому, молібдену і ванадію.

При С_екв ≤ 0,25 зварюваність хороша. Задовільно зварювані сталі мають С_екв = 0,25 – 0,35. У сталей з С_екв = 0,35 – 0,45 зварюваність обмежена.

Для сталі ВСт3сп:

С_екв = 0,14+ 0,8/20 + 0,3/15 + (0,3 + 0 + 0)/10 = 0,23.

Виходячи з характеристик  і розрахованих значень еквіваленту  вуглецю зварюваної сталі можна  визначити, що дана сталь  володіє  доброю зварюваністю.

Отже, сталь ВСт3Гпс відноситься до першої групи зварюваності, тобто зварювання може бути виконане по звичайній технології (без підігріву до зварювання, а також без наступної термообробки ) [2].

  Механічні властивості  металу навколо шовної зони  при зварювані терплять деякі зміни в порівняні з основним металом. Характер цих змін залежить від конкретних умов зварювання. При всіх видах дугового зварювання зміна властивостей основного металу зводиться до його незначного зміщення в зоні перегріву. Шви виконані із сталі ВСт3Гпс всіма видами і способами зварювання плавленням, володіють цілком задовільною стійкістю проти утворень кристалізаційних тріщин, що обумовлено низьким вмістом вуглицю в основному металі, і в металі шва [2].

1.3 Технічні  умови на виготовлення

1.3.1 Вимоги до матеріалів

Якість і марки матеріалів, що використовуються для виготовлення балки повинні задовольняти вимогам відповідних стандартів та технічних умов а також повинні бути підтверджені відповідними сертифікатами або паспортами заводів поставників; у вигляді виключення допускається підтверджувати якість та марки лабораторними випробовуваннями у відповідності з вимогами, встановленими стандартами.

Вся сталь повинна  бути перевірена на відповідність діючим стандартам, посортована, промаркована, складена по профілям та маркам і перед подачею у виробництво виправлена, очищена від окалини, іржі, масла, вологи, снігу, льоду та інших забруднень і захищена від корозії ґрунтівкою що дозволяє проводити зварювання.

Сталь потрібно зберігати  в закритих приміщеннях з вкладанням в штабелі. При виконанні транспортних операцій необхідно застосовувати приспосіблення що виключають утворення залишкових деформацій та зминання сталі.

1.3.2 Вимоги до шорсткості

Шорсткість механічно  обробленої торцевої поверхні опорного ребра не повинна бути грубіше першого класу за ГОСТ 2789-73. Кромки поясів підкранових балок після машинного різання не повинні мати нерівності, що перевищують 0,3 мм.

1.3.3 Вимоги до зварних  з’єднань

Основними вимогами, які  ставляться до властивостей зварних  з'єднань, є забезпечення їхньої рівноміцності з основним металом і відсутність дефектів у металі шва й у зоні термічного впливу. До зварних з'єднань конструкції пред'являються додаткові вимоги по ударній в'язкості. Наприклад, відповідно до ОСТ 291—81, значення KCU зварних з'єднань при температурі 20 °С повинні становити не менш 0,5 МДж/м², а при температурі нижче —20 °С — не менш 0,3 МДж/м². Іншим додатковими показниками являється кут згину, значення якого повинно бути не менше 100º [3,4].

Властивості зварних  з'єднань також визначаються параметрами термічного циклу зварювання — швидкістю нагрівання (w_н), тривалістю перебування вище температури інтенсивного зростання зерна аустеніту при нагріванні τ' і охолодженні τ", швидкістю w_8-5 і тривалістю τ_8-5 охолодження в інтервалі температур розпаду аустеніту, що відповідає 800—500 °С.

Шви в зварних з’єднаннях повинні витримувати всі навантаження, які діють на дану деталь при різних умовах експлуатації (температура середовища, в якому працює деталь; умови роботи та інші). При цьому зварний шов має бути виконаний відповідно до визначених стандартів, тобто його розміри не повинні виходити з рамок дозволених [3,4].

1.3.4 Вимоги до складання

Складання балки повинно  проводитися тільки із виправлених  деталей та елементів, очищених від завусениць, та забруднень. При складанні не повинно допускатись змін форми конструкції, що не передбачені технологічним процесом, а при кантуванні та транспортуванні – залишкове деформування балки.

Перенесення та кантування краном важких і великогабаритних конструкцій та їх елементів, зібраних тільки на прихопленнях, без використання приспосіблень, що забезпечують незмінність їх форми, не допускається.

Прихоплення повинні розміщуватись в розташування зварних швів. Розміри перерізу прихоплень повинні бути мінімально необхідними для забезпечення розплавлення їх при накладанні швів проектного перерізу. Довжина прихоплень в конструкції балки повинна бути не менше 50 мм  а відстань між прихопленнями  - не більше 500 мм при катеті шва прихоплення не більше половини катета шва зварного з’єднання.

1.3.5 Вимоги до якості виробу

Після зварювання виріб  повинен відповідати кресленню  з відповідними допусками відхилень. З’єднання повинні бути зачищені від  розбризкувань металу і обстежені  на наявність поверхневих і внутрішніх дефектів зварних шві. Зварні шви мають відповідати певним вимогам, які вказані в нормативних документах. Відхилення від робочого креслення може бути обумовлене тим, що після процесу зварювання необхідно застосувати механічне оброблення . Зварні шви повинні забезпечувати необхідну твердість і міцність конструкції. Зварювальний виріб має задовольняти вимозі раціонального компонування виробу [3,4].

По зовнішньому вигляду  шви зварних з’єднань повинні  задовольняти наступним вимогам:

а) мати гладку або рівномірно чешуйчасту поверхню (без напливів, пропалів, звужень та переривів) та не повинні мати різкого переходу до основного металу. В конструкціях що сприймають динамічні навантаження, кутові шви повинні виконуватись з плавним переходом до основного металу;

б) наплавлений метал  повинен бути щільним по всій довжині  шва, та не мати тріщин і дефектів, що виходять за вказані межі;

в) підрізи основного  металу допускаються глибиною не більше 0,5 мм при товщині сталі від 4 до 10 мм та не більше 1 мм при товщині сталі більше 10 мм;

г) всі кратери повинні  бути заварені.

 2 Технологічний розділ

2.1 Техніко-економічне обґрунтування способу зварювання

Спосіб зварювання, як правило, вибирається, виходячи із даних  програми випуску. Відповідно до нього  встановлюється тип виробництва, відносно якого встановлюється ступінь механізації та автоматизації процесу виготовлення зварного виробу.

Тип виробництва — це комплексна характеристика організаційно-технічного рівня виробництва, що охоплює номенклатуру продукції, обсяг виробництва, випуск однотипної продукції, характер завантаження робочих місць, кваліфікацію робітників, собівартість продукції.

Під типом виробництва  розуміють ступінь постійного завантаження робочих місць однаковою роботою і пов'язані з нею особливості [5].

Залежно від ступеня  завантаження робочих місць, який обумовлюється  масштабом та трудомісткістю виробництва, розрізняють такі типи виробництва:

• одиничне;

• серійне;

• масове;

• змішане.

У свою чергу, серійне  виробництво поділяється на дрібно-,  середньо- та крупносерійне. Прикладом одиничного виробництва може бути дослідне або експериментальне виробництво.

Програма випуску для  даного виробу є одиночною. Зважаючи на те, що при спорудженні балкових конструкцій виконується велика кількість однотипних зварних з'єднань, для зварювання таких конструкцій доцільно використати автоматичне зварювання під шаром флюсу. Для виконання прихоплень використаємо ручне дугове зварювання покритими електродами.

Зварювання під флюсом у більшості випадків використовуються як автоматичний процес. Процес ведеться переважно в нижнім положенні. Обсяг робіт, виконуваних за допомогою зварювання під флюсом, рік у рік збільшується. Інтенсивний розвиток автоматичного зварювання під флюсом обумовлено високою продуктивністю цього способу, стабільною якістю зварювання, малою витратою електродного металу й електроенергії та відповідних умов праці [5].

При зварюванні під флюсом продуктивність процесу за машинним часом підвищується в 6—12 разів, що навіть при коефіцієнті використання зварювальної установки 0,5 в 3—6 разів перевершує продуктивність ручного зварювання покритими електродами. При зварюванні на спеціальних, так званих форсованих режимах, застосовуваних при виготовленні труб великого діаметра й  двотаврових балок, продуктивність підвищується в 15-20 разів. За рахунок підвищення коефіцієнта використання зварювальної установки можна домогтися значного подальшого росту продуктивності зварювання під флюсом. Підвищення продуктивності при автоматичному зварюванні під флюсом досягається за рахунок використання більших струмів і підвищення щільності струму в електроді (Таблиця 3.1) дозволяє зварювати метал значної товщини без оброблення кромок з однієї або двох сторін (продуктивність зварювання для цього випадку визначається в основному глибиною проплавлення основного металу) і збільшувати кількість наплавленого в одиницю часу металу. Коефіцієнт наплавлення при зварюванні під флюсом становить 14-18 г/А·год проти 8-12 г/А·год  при зварюванні покритими електродами. Підвищення сили струму, збільшення глибини провару й коефіцієнта наплавлення дозволяють підвищити продуктивність і при зварюванні багатошарових швів [5].

Таблиця 2.1 – Сила  і густина зварювального струму в електроді при зварюванні покритими електродами і під флюсом.

Відсутність бризгів  – також серйозна перевага зварювання під флюсом, тому що відпадає потреба  в трудомісткій операції очищення від  них поверхні деталей, що зварюються.

При зварюванні під флюсом забезпечується висока й стабільна  якість зварювання. Це досягається за рахунок надійного захисту металу шва від впливу кисню й азоту повітря, однорідності металу шва по хімічному складі, поліпшення форми шва й збереження сталості його розмірів. У результаті забезпечується менша ймовірність утворення непроварів, підрізів і інших дефектів формування шва й відсутність перерв у процесі зварювання, викликаних необхідністю зміни електродів.

При зварюванні під флюсом (рис. 3.1) дуга горить між зварювальним дротом 1 і зварювальним виробом 5 під  шаром гранульованого флюсу 4. Ролики 2 спеціальний механізм, який подає  електродний дріт у зону дуги 6.

Зварювальний струм (змінний  або постійний прямій або зворотній  полярності) підводить до дроту за допомогою ковзаючого контакту 3. Зварювальна дуга горить у газовому шарі, що утворюється в результаті плавлення флюсу й металу.

Крім того, розплавлений метал захищений від зовнішнього  середовища шаром розплавленого  флюсу 8. У міру віддалення дуги від  зони зварювання розплавлений флюс застигає й утворить жужільну кірку 10, що згодом легко відділяється від поверхні шва [6].

Флюс засипається поперед  дуги з бункера шаром товщиною 40–80 мм і шириною 40–100мм. Нерозплавлений флюс після зварювання використовується повторно. Розплавлені електродний  і основний метали 7 у зварювальній ванні перемішуються й при кристалізації утворять зварений   шов 9.

Рисунок. 2.1. Схема автоматичного зварювання (наплавлення) під флюсом

До переваг зварювання під флюсом відноситься: висока продуктивність процесу, завдяки використанню більших струмів, глибокому проплавлению, майже повній відсутності втрат металу на вигорряння і розбризкування (не більше 3%); висока якість наплавленої поверхні в результаті гарного захисту флюсом зварювальної ванни; незначна кількість неметалічних включень у металі шва; можливість легування наплавленого металу через флюс; краще використання тепла дуги (у порівнянні з ручним зварюванням витрата електроенергії зменшується на 30- 40%); кращі умови праці зварника й ряд інших.

Разом з тим, цей вид  зварювання має ряд недоліків: значне нагрівання виробу; підвищену плинність  розплавлених металу й флюсу, що дозволяє вести зварювання тільки в нижнім положенні й наплавляти деталі діаметром  не менш 40мм; необхідність в окремих випадках повторної термічної обробки; неможливість безпосереднього спостереження за формуванням зварювального шва.

Зварювання під флюсом використовується при виготовленні й ремонті конструкцій і деталей  відповідального призначення, які  повинні бути надійними при експлуатації в умовах низьких і високих температур [7].

2.2 Вибір зварювальних матеріалів

Зварювання двотаврової  балки буде виконуватись під шаром  флюсу з використанням  зварювального дроту Св-08ГС, оскільки він найкраще підходить за хімічним складом та механічними властивостями для даної сталі. Він повинен відповідати вимогам ГОСТ 2246 – 70 "Дріт сталевий зварювальний".

Зварювальний дріт виготовляється зі сталей з низьким змістом вуглецю. По виду поверхні дріт виробляється необмідненим і обмідненим. Мідне покриття - 6 мкм. Поверхня дроту повинна бути чистою й гладкою, без тріщин, розшарувань, плівок, закатів, забоїн, окалини, іржі, масла та інших забруднень. Допускаються окремі риски, подряпини, місцева рябизна, вм'ятини глибиною не більше граничного відхилення по діаметру [5].

Даний дріт використовується для автоматичного зварювання під  флюсом вуглецевих сталей із границею текучості 225-440 МПа (конструкцій мостів, опор, труб, трубопроводів і посудин, що працюють при високих тисках і температурах). Хімічний склад та маханічні властивості матеріалу даного дроту наведений у таблицях 2.2, 2.3

Таблиця 2.2 – Хімічний склад зварювального дроту Св-08ГС, %

Таблиця 2.3 – Механічні властивості дроту із легованої сталі

У якості зварювального  флюсу використаємо зварювальний флюс АН-60СМ призначений для механізованого зварювання низьковуглецевих і низьколегованих  сталей у сполученні з відповідними дротами. У сполученні зі зварювальним дротом Св-08ГС даний флюс забезпечить потрібні хімічні та механічні властивості зварного шва [5].

Як флюс загального призначення, флюс АН-60СМ може застосовуватися при  зварюванні конструкцій, де звичайно використовуються флюси марок АН-348А, ОСЦ-45, АНЦ-1, а також при наплавленні колінчастих валів двигунів внутрішнього згоряння.

Зварювальний флюс АН-60СМ забезпечує вміст дифузійного водню  менш 3см3 на 100гр. наплавленого металу, що значно нижче, ніж при зварюванні під флюсами АН-348А, ОСЦ-45, АНЦ-1 (близько 10 см3 водню на 100гр. наплавленого металу), завдяки чому флюс АН-60СМ перевершує інші флюси по стійкості швів проти утворення пор.

Флюс відповідає технічним  умовам України ТУ В 05416923.013-96.

Хімічний склад флюсів повинен відповідати таблиця. 3.4.

Таблиця 2.4 Хімічний склад флюсу АН – 60СМ

Для ручного дугового зварювання використовуються електроди типу Э-50А марки УОНИ 13/55. Вони призначені для зварювання відповідальних конструкцій із низьколегованих сталей [5]. Електроди повинні відповідати ГОСТ 9467 – 75. Їхні технологічні властивості наведені у таблиці 2.5.

Таблиця 2.5 Властивості електродів типу Э-50А марки УОНИ 13/55