Проблема соединений конструкций в различные периоды решалась поразному. С XII по XVIII века применялась в основном кузнечная сварка и соединения на «замках». Затем в строительных конструкциях стали применять болты для соединения чугунных элементов и заклёпки. В конце XIX века начали применять для соединения элементов конструкций электродуговую сварку, что позволило значительно уменьшить трудоемкость изготовления и расход металла на эти соединения.
О болтовых соединениях мы писали подробнее в другой статье — болтовые соединения.
Соединения металлических конструкций могут выполняться на строительной площадке и на заводах металлических конструкций. По этому критерию соединения подразделяют на монтажные и заводские.
Соединения должны быть прочными, долговечными, технологичными и экономичными. Заводские соединения в основном выполняют сварными. Для ответственных конструкций, работающих в тяжелых условиях, могут применяться заклёпочные соединения, хотя они наиболее трудоемки в изготовлении. Монтажные соединения рекомендуются выполнять преимущественно болтовыми, однако и сварные соединения широко применяются при монтаже.
Сварные соединения
О возможности плавления металлов «электрическими искрами» в 1753 году задумывался академик Петербургской академии наук В. Г. Рихман, а в 1802 профессор медико-хирургической академии В. В. Петров открыл явление электрической дуги и рассматривал различные области ее применения. В 1882 году русским ученым Н. Н. Бенардосом был предложен практический способ выполнения сварки металлов электрической дугой при помощи неплавящегося электрода, а в 1888 году Н. С. Славянов разработал технологию сварки плавящимся металлическим электродом. Предложенные способы сварки в дальнейшем совершенствовались и легли в основу современных методов сварки строительных конструкций.
Сварным соединением называют неразъемное соединение, полученное установлением межмолекулярных связей между свариваемыми элементами.
В строительных конструкциях для получения сварных соединений в основном применяют термическую сварку электрической дугой, при которой для плавления металла используется тепловая энергия, выделяемая при горении электрической дуги. При таком способе сварки в соединяемых деталях образуется три зоны: сварной шов, зона сплавления и зона термического влияния.
Сварной шов — это часть сварного соединения, образовавшаяся в результате кристаллизации расплавленного металла. Металл шва образован наплавленным металлом электродов и сварочной проволоки, а также металлом соединяемых деталей. Зоной сплавления называют зону на границе наплавленного и основного металлов, а зоной термического влияния — участок основного металла, который не расплавился, но у которого в результате нагрева изменились свойства и структура.
Требования и основные понятия, относящиеся к сварным швам и соединениям, изложены в ГОСТ 2601—84.
В настоящее время сварка является основным технологическим процессом на заводах металлоконструкций, используемым для соединения элементов конструкций.
К достоинствам сварных конструкций относят универсальность, простоту и экономичность. Сварные соединения успешно применяются в конструкциях любых форм. Качественно выполненные сварные швы герметичны, поэтому сварные соединения успешно применяются в резервуарах, трубопроводах и других листовых конструкциях. Недостатки сварных соединений проявляются в возникновение сварочных напряжений и сварочных деформаций, а также связаны с наличием зоны термического влияния, свойства стали в которой могут значительно отличаться от свойств основного материала.
Для получения сварного соединения необходимо преодоления энергетического барьера между атомами соединяемых деталей, что достигается за счёт дополнительной энергии (энергии активации). В зависимости от характера активации различают сварку плавлением (термическая активация путем нагрева), сварку давлением (механическая активация) и сварку с применением одновременно тепловой и механической энергии.
При сварке плавлением соединяемые кромки элементов оплавляются под воздействием тепла извне (электрическая дуга, горение газа, лазерный луч, источник плазмы и т. д.). Расплавленный металл стекает в общий объем и образует сварочную ванну, при охлаждении которой образуется сварной шов. Шов может быть образован только металлом соединяемых деталей или металла деталей и наплавляемого металла, образующегося при плавлении электродов или сварочной проволоки.
В зависимости от используемого сварочного электрода различают способы сварки плавящимся электродом и неплавящимся электродом (угольным, графитовым и вольфрамовым).
При горении дуги и плавлении металла в зоне сварки необходимо защищать сварочную ванну от воздействия атмосферных газов (кислород, азот, водород), которые могут растворяться в расплавленном металле и ухудшать свойства металла шва. В зависимости от способа защиты зоны сварки от вредных примесей, содержащихся в окружающем воздухе, различают следующие виды сварки:
- сварка без защиты;
- сварка с газовой защитой;
- сварка со шлаковой защитой;
- сварка с комбинированной защитой.
В основном в строительстве используется электродуговая сварка плавящимися электродами. По степени механизации процесса сварки различают три способа:
- ручная дуговая сварка, где передвижение электрода вдоль шва и его подача в зону шва выполняются вручную;
- полуавтоматическая (механизированная), когда передвижение электрода вдоль шва выполняется вручную, а подача электрода (сварочной проволоки) в зону сварки механизирована;
- автоматическая сварка, при которой передвижение электрода (сварочной проволоки) вдоль шва и его подача в зону шва механизированы.
Плавящиеся сварочные электроды для ручной дуговой сварки (электроды) — это металлические стержни из электропроводного материала с нанесенным на поверхность покрытием из порошкообразной смеси, предназначенное для защиты сварочной ванны. Электроды для сварки низколегированных и углеродистых конструкционных сталей (ГОСТ 9467—75) подразделяются на типы Э42, Э42А, Э50 и т. д., где число характеризуют гарантированное минимальное временное сопротивление разрыву в кгс/мм2, а буква А (при наличии) — повышенные пластические свойства, вязкость и ограничения по химическому составу. Для механизированной и автоматической сварки в качестве электродов применяют стальную сварочную проволоку сплошного сечения по ГОСТ 2246—70 или порошковую проволоку.
Стальная сварочная проволока подразделяется на марки Св08А, Св08Г2С и т. д., где буквы Св означают «проволока сварочная», число (08) — содержание углерода в сотых долях процента, буквы, как в марках легированной стали, означают элементы, которыми легирована сталь сварочной проволоки. Буква А в конце так же, как и для электродов, означает пониженное содержание вредных примесей серы и фосфора. Сплошная сварочная проволока выпуска- ется диаметров от 0,3 до 12,0 мм, при этом для сварки автоматом под флюсом обычно применяют проволоку диаметром от 2 до 5 мм.
Порошковая проволока представляет собой стальную оболочку с запрессованным в ней порошком (см. рис. 6.1.1) и в основном применяется для сварки низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей. Для порошковых проволок общие технические условия приведены в ГОСТ 26271—84, по которому обозначение марки порошковой проволоки состоит из индекса «ПП» (проволока порошковая) и буквенно-цифрового обозначения шифра регистрации сварочного материала, принятого в организации-разработчике. Чаще всего используют порошковую проволоку П-АН-3 и ПП-АН-8, разра- ботанную в Институте электросварки имени Е. О. Патона.
Рис. 1. Конструкция оболочек порошковых проволок: 1 — трубчатая; 2 — трубчатая с нахлестом; 3 и 4 — трубчатая с загибом в оболочке; 5 — трубчатая двухслойная
При ручной дуговой сварке подача электрода в зону сварки и его перемещение вдоль кромок свариваемых элементов осуществляют вручную. Такой способ сварки отличается простотой и универсальностью, возможностью выполнения в любых пространственных положениях и труднодоступных местах. Но при этом процесс имеет малую производительность, а качество шва сильно зависит от квалификации сварщика.
При механизированной и автоматической сварке подача сварочной проволоки в зону сварки механизирована, а перемещение дуги вдоль свариваемых деталей выполняется вручную или специальными механизмами (сварочные тракторы или каретки). Для защиты зоны сварки применяют флюс или защитные газы (в основном, углекислый газ). Автоматическая сварка отличается высокой производительностью и качеством шва.
Сварные соединения согласно ГОСТ 2601—84 бывают следующих видов (см. рис. 2):
- стыковое соединение — соединение двух элементов по торцевым поверхностям;
- нахлесточное соединение — соединение параллельно расположенных элементов с частичным перекрытием друг друга;
- тавровое соединение — соединение, когда к боковой поверхности одного элемента другой элемент прилегает торцом, как правило, под углом 90°;
- угловое соединение — частный случай таврового соединения, когда один элемент примыкает торцом к краю другого.
Рис. 2. Виды сварных соединений: а) стыковое; б) нахлесточное; в) угловое; г) тавровое
Рис. 3. Виды сварных швов по положению в пространстве
По конструктивному признаку выделяют два типа сварных швов: угловые, которые применяются при выполнении нахлесточных, тавровых и угловых соединений, и стыковые, которые используются для стыковых соединений.
По назначению швы бывают рабочие (воспринимающие усилия) и конструктивные (связующие). Размеры рабочих швов определяются расчетом, конструктивные швы, как правило, выполняются минимального размера.
По положению в пространстве (на момент выполнения сварки) различают нижнее, вертикальное, горизонтальное, потолочное и «в лодочку» (см. рис. 3). От положения шва зависит скорость и сложность процесса сварки, а также качество сварного шва. Сварка в нижнем положении и в «лодочку» обеспечивает повышение скорости сварки, лучшее качество шва и его внешний вид. Сварка в потолочном положении наиболее трудна и может осуществляться только высококвалифицированными сварщиками, поэтому при проектировании следует предусматривать такие конструктивные решения, в которых потолочная сварка отсутствует или её объёмы минимальны.
Расчёт стыковых швов
В стыковых сварных швах без внутренних дефектов при действии продоль- ной силы возникают нормальные напряжения, которые распределяются рав- номерно по длине шва (рис. 4.).
Рис. 4. Напряжения в стыковом шве при действии продольной силы
При выпуклой форме сечения шва или при сварке элементов разной толщины в сварном стыков шве возникает концентрация напряжений. Влияние концентрации напряжений на прочность сварного шва можно не учитывать, если соблюдены всех требования к технологии выполнения сварных швов и на конструкцию действуют только статические нагрузки, так как в этом случае можно допустить развитие пластических деформаций в точках концентрации напряжений, благодаря чему происходит выравнивание напряжений. С учётом этого при расчете стыковых швов предполагается распределение напряжений в поперечном сечении шва равномерным.
Условие прочности стыкового шва:
или в форме напряжений:
где Aw — площадь стыкового шва; tmin — минимальная из толщин свариваемых элементов; lw — длина стыкового шва, которая принимается lw = b — при наличии выводных планок, lw = b — 2tmin — при отсутствии выводных планок; γc— коэффициент условий работы конструкции, принимаемый по [2, табл. 1]; Rwy — расчетное сопротивление стыковых сварных соединений растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести.
При расчете на сжатие принимается Rwy = Ry. При расчете на растяжение и изгиб с физическим контролем качества шва также принимается Rwy = Ry, а при отсутствии физического контроля при растяжении и изгибе — Rwy = 0,85Ry. Учитывая, что сопротивление стали зависит от толщины проката, расчетное сопротивление стали Ry следует принимать по большей толщине свариваемых элементов.
Проверка прочности стыкового шва на срез выполняется по формуле:
где τw — касательные напряжения в шве, определяемые обычным образом, Rws = Rs — расчётное сопротивление стыкового шва на срез. Из вышеизложенного следует, что расчет стыковых швов не требуется выполнять, если сварочный материал подобран в соответствии с требованиями норм, полном проваре соединяемых элементов и 100%-м контроле качества шва физическими неразрушающими методами.
При работе сварных швов на растяжение или изгиб, когда нет физического контроля шва, расчетное сопротивление сварного соединения Rwy оказывается меньше расчетного сопротивления основного металла, условие прочности стыкового шва может не выполняться. В этом случае используются косые швы, имеющие большую длину (рис. 6.1.5). Увеличение длины шва ведёт к уменьшению нормальных напряжений в шве. При угле наклона равном 67° за счёт увеличения длины шва удаётся добиться равнопрочности шва и соединяемых деталей. На практике косой шов обычно выполняют с уклоном 2: 1, что соответствует углу в 63°.
Рис. 5. Косой стыковой шов
При одновременном действии в стыковом шве изгибающего момента, про- дольной и поперечной сил (рис. 6.) прочность шва проверяют по приведен- ным напряжениям.
Рис. 6. Схема стыкового шва при действии продоль- ной силы, изгибающего момента и поперечной силы
Приведенные напряжения равны:
или
где 0,87 — коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций в наиболее напряженных точках шва;
Расчёт угловых швов
В зависимости от ориентации углового сварного шва по отношению к направлению действия усилия различают фланговые и лобовые швы (рис. 6.1.7). Шов, занимающий промежуточное положение между фланговым и лобовым, называется косым.
Рис. 7. Лобовые, фланговые и косые швы
Рис. 8. Распределение напряжений во фланцевом угловом шве
Как показывают эксперименты, напряжения вдоль флангового шва распределяются неравномерно и наиболее нагружены участки в начале и в конце шва (рис. 8.). При этом, чем длиннее шов, тем больше разница между максимальными и минимальными напряжениями в шве.
Согласно результатам экспериментальных исследований напряжения по длине лобового шва распределяются равномерно. Прочность лобовых швов на 15—20% больше, чем фланговых. Косые швы по характеру распределения напряжений занимают промежуточное положение между фланговыми и лобовыми. В отечественных нормах повышенная прочность лобовых швов и косых швов по сравнению с фланговыми не учитывается, а расчет всех угловых швов ведется одинаково.
Угловые швы работают в условиях сложного напряженного состояния — фланговые швы одновременно работают преимущественно на срез, в лобовых швах возникают и нормальные, и касательные напряжения. Характер разрушения всех угловых швов показывает, что основной причиной их разрушения являются касательные напряжения. Поэтому в нормах расчет сварных угловых швов выполняется на условный срез по двум опасным сечениям — по металлу шва и по металлу границы сплавления (рис. 9.).В расчете угловых швов сечение шва условно принимают в форме равнобедренного прямоугольного треугольника, вписанного в фактическое сечение шва (рис. 10.)
Рис. 9. Опасные сечения углового шва: 1 — сечение по металлу шва; 2 — сечение по металлу границы сплавления;
Рис. 10. Сечение углового шва: а) фактическое; б) расчетное
Условие прочности сварного углового шва по металлу:
или
где ΣАwf = Σlwkfβf — суммарная площадь среза углового шва по металлу шва. Учитывая увеличения напряжений на концевых участках по сравнению со средним напряжением в шве, которое принимается расчетным, нормы ограничивают длину флангового шва, учитываемую в расчете, величиной 85βfkf. При этом фактически шов может иметь большую длину, но в расчете учитывается только его часть. Это требование не относится к фланговым швам, в которых усилие действует на всей длине шва (например, поясные швы двутавровых сварных балок), и к лобовым швам.
Условие прочности сварного углового шва по металлу границы сплавления:
или
где ΣАwz = Σlwkfβz — суммарная площадь среза углового шва по металлу границы сплавления.
В этих формулах приняты следующие обозначения: N — усилие, действую- щее в соединении; Σlw — суммарная длина швов в соединении, при определении длины швов учитывается возможный непровар, равный 1 см для каждого участка углового шва; kf — катет шва; βf и βz — коэффициенты, учитывающие отличие формы фактического сечения углового шва от расчетной формы сечения. Принимаются по [2, табл. 39] в зависимости от вида сварки, положения шва и диаметра сварочной проволоки; Rwf — расчетное сопротивление условно- му срезу углового шва по металлу шва, принимается по [2, табл. Г2] в зависимости от сварочного материала; Rwz — расчетное сопротивление условному срезу углового шва по металлу границы сплавления, Rwz = 0,45Run; Run — принимается по [2, табл. В5] в зависимости от класса свариваемой стали.
При действии на соединении с угловыми швами изгибающих моментов сле- дует использовать рекомендации действующих норм.
Для того чтобы не делать двойной расчет, можно определить, какое сечение углового шва является менее прочным, и сделать расчет только для него. Менее прочное сечение определяется сравнением произведений Rwfβwf и Rwzβwz. При Rwfβwf < Rwzβwz расчет ведут по металлу шва, а при Rwfβwf > Rwzβwz — по металлу границы сплавления.
Расчет сварных угловых швов, как правило, сводится к определению геометрических размеров — длины и катета шва, поэтому в расчете или назначают катет шва и находят длину шва, или наоборот, задают длину шва и находят требуемый катет.
Прочностные свойства металла шва зависят от материала электродов или сварочной проволоки, а прочностные свойства металла границы сплав- ления — от стали основного металла. Рекомендуется подбирать сварочный материал, чтобы несущие способности углового шва по металлу шва и метал- лу границы сплавления резко не отличались. Для этого нормы рекомендуют следующее соотношение между расчетными сопротивлениями металла шва и металла границы сплавления: для сталей с пределом текучести до 285 МПа
а для сталей с пределом текучести свыше 285 МПа
Для снижения влияния недостатков сварных соединений на их работу, обеспечения надежности соединения, удобства производства сварочных работ и экономичности соединений нормы предусматривают набор конструктивных требований к сварным угловым швам.
Для уменьшения сварочных напряжений и сварочных деформаций, следует использовать швы с минимальными катетами, избегать замкнутых контуров из угловых сварных швов, не допускать сближения разных швов (см. рис. 11.).
Катет шва не может превышать 1,2t min, где t min, — наименьшая из толщин свариваемых элементов, а для закругленных кромок прокатных профилей катет шва не должен превышать 0,9t. Минимальное значение катета шва принимается по [2, табл. 38], так как при малых катетах шва и большой толщине свариваемого металла шов может иметь склонность к трещинообразованию из-за большой скорости охлаждения металла.
При зажигании и гашении электрической дуги в начале и конце шва могут быть дефекты, и возникает концентрация напряжений, поэтому минимальная длина сварного углового шва должна быть не меньше 4kf или 40 мм.
Нахлест деталей в соединении должен быть не меньше пяти толщин более тонкой детали.
В тавровых соединениях рекомендуется применять двусторонний шов вме- сто одностороннего.
Рис. 11. Взаимное расположение сварных швов
На соответствие конструктивным требованиям проверяют полученные в расчете значения катета шва и длины шва, также можно предварительно назначать катет или длину шва на основе конструктивных требований.
Комментарии ()