Двутавровая балка

Введение

Балка представляет собой горизонтальный несущий механизм, применяемый в различных сооружениях, который обладает двумя и более точками опоры. Если балка используется для перекрытия одного пролета и имеет две точки опоры, то называется разрезной. Многопролетная балка, перекрывающая более одного пролета и имеющая несколько опор, называется неразрезной.

Балки применяются в машиностроении и строительстве как конструктивный элемент в форме бруса из стали, дерева и железобетона, работающий на изгиб. Балки из дерева употребляются в монолитном строительстве совместно с алюминиевой или железной опалубкой, которая бывает несъемной либо скользящей.

Существует несколько их видов. Они классифицируются в зависимости от назначения, толщины полок и стенок, от нахождения граней полок, от способа производства и от технических характеристик.

Балки бывают:

• выполненные из широкополочных двутавров;
• сварные балки из листового проката;
• двутавровые балки переменного сечения.

Уже давно и широко используется в строительстве двутавровые балки. Кроме того, двутавровая может выступать и как элемент дизайнерского оформления помещения. На сегодняшний день существует несколько видов двутавровых балок. Они могут быть изготовлены из металла или дерева, каждые из которых обладают определенными свойствами.

 

 

 

 

 

 

1. Технологическая часть
1. Анализ конструкции изделия «Двутавровая балка»

 

Двутавры – основной балочный профиль – имеют наибольшее разнообразие по типам, которые соответствуют определенным областям применения.

Балки двутавровые обыкновенные (ГОСТ 8239-89) как и швеллеры, имеют уклон внутренних граней полок и обозначаются номером, соответствующим их высоте в см. В сортамент входят профили от № 10 до № 60. Стенки у крупных двутавров имеют минимальную толщину и по условиям устойчивости достигают 1/55 высоты двутавра. Чем тоньше стенка, тем выгоднее сечение балки при работе ее на изгиб. Однако по условиям технологии прокатки у большинства двутавров стенки получаются значительно толще, чем это требуется по условию их устойчивости. Благодаря сосредоточению материала в полках двутавры имеют большую жесткость относительно оси x, но небольшая ширина полок делает их малоустойчивыми относительно оси y. Двутавры применяются в изгибаемых элементах (балках), а также в ветвях решетчатых колонн и различных опор, где для их устойчивости применяются составные сечения.

Балки двутавровые широкополочные (ГОСТ 26020-81) имеют параллельные грани .  Широкополочные двутавры прокатываются трех типов: нормальные двутавры (Б), широкополочные двутавры (Ш), колонные двутавры (К). Высота балочных профилей (Б) достигает 1000 мм, (Ш) – 700 и (К) – 400 мм при отношении ширины полок к высоте от   (при малых высотах) до   (при больших высотах). Колонные профили (К) имеют отношение ширины полок к высоте, близкое 1:1, что придает им устойчивость относительно оси y.

Конструктивные преимущества (параллельность граней полок и мощность сечений) позволяют применять широкополочные двутавры в виде самостоятельного элемента (балки, колонны, стержни тяжелых ферм), не требующего почти никакой обработки, что снижает трудоемкость изготовления конструкций в 2-3 раза.

Из широкополочных двутавров путем разрезки стенки в продольном направлении получают тавровые профили (БТ), (ШТ) и (КТ) удобные для применения в решетчатых конструкциях. По мере расширения производства широкополочных двутавров применение обыкновенных двутавров сокращается.

Развитие автоматической сварки создает благоприятные условия для производства сварных двутавров из универсальной стали по определенному сортаменту, что дает возможность пользоваться ими так же, как и прокатными 

Изготовление сварных двутавровых балок - это довольно сложный процесс, который состоит из огромного количества этапов. С самого начала происходит - раскрой метала, то есть, металл раскраивается на полосы необходимой длины и ширины. После этого, чтобы улучшить провар происходит разделка кромок на специальном станке. Дальше производится сборка ранее подготовленных полос – заготовки при помощи крана укладываются на входной конвейер сборочного стана, после этого зажимается при помощи трех комплектов, позиционируется и фиксируется. Последним этапом является сварка балки. На специальном сварочном станке установлены два комплекта сварочных головок, которые перемещаются сквозь портал и с одновременным движением изделия по рельсам происходит проверка при помощи лазерной системы слежения, которая следит за качеством сварки, за тем, чтобы не было пропусков, чтобы не снизить надежность конструкции.После процесса сварки под флюсом  на специальном оборудовании идет правка грибовидности , торцевание фрезой и  сверловка на  3D станках с ЧПУ. 
После того, как двутавровая балка готова – наступает этап очистки при помощи дробеструйной установки. При помощи дроби, под разными углами происходит удаление ржавчины, жирового налета, грязи и т.п., чтобы существенно улучшить качество нанесенного лакокрасочного покрытия.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор материала применяемого при выполнении сварной конструкции «Балка двутавровая»

 

К сварочным материалам относят сварочную проволоку, присадочные прутки, сварочные электроды, различные флюсы, газы, керамические подкладки.

Сварочные электроды и проволока обеспечивают подачу электрического питания в зону сварки для нагрева. Плавящиеся покрытые электроды, порошковая и активированная проволока, защитный флюс для дуговой сварки содержат специальные компоненты, которые могут предназначаться для защиты металла от воздуха, поддержания стабильности процесса сварки, получения необходимого химического состава металла шва. Присадочный пруток вводится в сварной шов при сварке.

Основная роль защитных газов - обеспечение газовой защиты расплавленного металла от воздуха. К защитным газам относятся инертные (аргон, гелий и их смеси) и активные газы (углекислый газ и его смеси). Инертные газы не вступают в химические реакции с металлом и в нем практически не растворяются. Активные газы вступают в химические реакции с металлом или растворяются в нем.

Горючие газы и газы, поддерживающие горение, применяются при газовой сварке и резке. К ним относятся ацетилен, пропанобутановые смеси, метилацетилен-алленовая фракция, водород, а также поддерживающий горение кислород.

Керамические подкладки используют для обеспечения высококачественного шва и формирования обратного валика.

Сварочные материалы (электроды, проволоку, присадочные прутки) также подразделяют по типу свариваемых сталей и металлов: для сварки углеродистых сталей, низколегированных сталей, нержавеющих сталей, алюминия, меди, чугуна и т.п.

Сварочные материалы, к которым относятся электроды, флюсы, сварочная проволока могут быть первопричиной брака при сварке, если их хранение не организовано. Поэтому к хранению сварочных материалов предъявляются определенные требования. Электроды, флюсы , сварочная проволока должны храниться в специальных сухих отапливаемых помещениях при температуре не ниже 18°С и относительной влажности не более 50%.

Сварочные электроды и флюсы, как правило, на месте подвергаются прокалке или просушке по режимам приведенным в паспортах или ТУ, разработанных заводом-изготовителем. Например, электроды марки МР-3 прокаливают при температуре 170-200°С в течение 1,5 часов; электроды марки УОНИ 13/45 — при температуре 350-400°С в течении 1,5 часов. Флюсы ОСЦ- 45 и АН-348 прокаливают при температуре 300-400°С в течении 5 часов. После прокалки или просушки электроды должны быть использованы в течение ближайших 5 суток, а флюсы — в течение 15 суток.  Прокалка электродов может быть произведена не более двух раз, не считая прокалку при изготовлении. В противном случае электроды либо вновь отсыреют, либо в процессе третьей или четвертой прокалки обмазка будет отслаиваться или осыпаться. Сварочная проволока должна храниться в условиях, исключающих ее загрязнение и окисление. Не всегда это удается выполнять в производственных условиях, поэтому в цехах применяют специальные зачистные машины для подготовки сварочной проволоки перед сваркой. Сварочная проволока для сварки алюминиевых сплавов приходит к потребителю протравленной химическим способом, кассеты с проволокой упаковывают в герметически запаянные полиэтиленовые пакеты откуда предварительно откачивают воздух.

 

 

 

 

3. Выбор метода сварки

Одна из основных трудностей при сварке рассматриваемых сталей и сплавов - предупреждение образования в швах и околошовной зоне горячих трещин. Предупреждение образования этих дефектов достигается:

1) Ограничением (особенно  при сварке аустенитных сталей) в основ ном и наплавленном металлах содержания вредных (серы, фосфора) и ликвирующих (свинца, олова, висмута) примесей, а также газов - кислорода и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные материалы с минимальным содержанием названных примесей. Техника сварки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение для сварки постоянного тока обратной полярности.  При ручной сварке покрытыми электродами следует поддерживать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах, предупреждая подсос воздуха, следует поддерживать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными скорость сварки и расход защитных газов. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необходимую прокалку. Это уменьшит также вероятность образования пор, вызываемых водородом;

2) Получением такого химического  состава металла шва, который  обеспечил бы в нем двухфазную  структуру. Для жаропрочных и  жаростойких сталей с малым  запасом аустенитности и содержанием никеля до 15 % это достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3 ... 5 % феррита. Большее количество феррита может привести к значительному высокотемпературному охрупчиванию швов ввиду их сигматизации. Стремление получить аустенитно-ферритную структуру швов на глубокоаустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, потребует повышенного их легирования ферритообразующими элементами, что приведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию ввиду появления хрупких эвтектик, а иногда и σ-фазы.

Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мелкодисперсными карбидами и интерметаллидами. Благоприятно и легирование швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфрама, подавляющих процесс образования горячих трещин. Количество феррита в структуре швов на коррозионно-стойких сталях может быть повышено до 15 ... 25 %. Высоколегированные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, кремний, титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому при наличии в зоне сварки окислительной атмосферы возможен их значительный угар, что может привести к уменьшению содержания или к полному исчезновению в структуре шва ферритной и карбидной фаз, особенно в металле с небольшим избытком ферритизаторов.

Для сварки рекомендуется использовать неокислительные низкокремнистые, высокоосновные флюсы (фторидные) и покрытия электродов (фтористокальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждение подсоса воздуха служит этой же цели. Азот - сильный аустенитизатор, способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кристаллизации в виде тугоплавких нитридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкости против горячих трещин.

Высокоосновные флюсы и шлаки, рафинируя металл шва и иногда модифицируя его структуру, повышают стойкость против горячих трещин. Механизированные способы сварки, обеспечивая равномерное проплавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить и более стабильные структуры на всей длине сварного соединения.

 

 

 

4. Выбор сварочного оборудования и оснастки

 

Наиболее широкое применение имеет двутавровый профиль с поясными швами, выполняемыми обычно автоматами под флюсом. 

Промышленность выпускает два типа аппаратов для дуговой сварки под флюсом:

- с постоянной скоростью  подачи электродной проволоки, не  зависимой от напряжения на  дуге (основанные на принципе  саморегулирования сварочной дуги);

- аппараты с автоматическим  регулированием напряжения на  дуге и зависимой от него  скоростью подачи электродной  проволоки (аппараты с авторегулированием).

В сварочных головках с постоянной скоростью подачи при изменении длины дугового промежутка восстановление режима происходит за счет временного изменения скорости плавления электрода вследствие саморегулирования дуги. При увеличении дугового промежутка (увеличение напряжения на дуге) уменьшается сила сварочного тока, что приводит к уменьшению скорости плавления электрода.

Уменьшение длины дуги вызывает увеличение сварочного тока и скорости плавления. В этом случае используют источники питания с жёсткой вольтамперной характеристикой.

В сварочных головках с автоматическим регулятором напряжения на дуге нарушение длины дугового промежутка вызывает такое изменение скорости подачи электродной проволоки (воздействуя на электродвигатель постоянного тока), при котором восстанавливается заданное напряжение на дуге. При этом используют аппараты с падающей вольтампер ной характеристикой.

Аппараты этих двух типов отличаются и настройкой на заданный режим основных параметров: сварочного тока и напряжения на дуге. На аппаратах с постоянной скоростью подачи заданное значение сварочного тока настраивают подбором соответствующего значения скорости подачи электродной проволоки. Напряжение на дуге настраивают изменением крутизны внешней характеристики источника питания.