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

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0.14-0.22	до 0.15	0.8-1.1	до  0.3	до 0.05	до 0.04	до   0.3	до   0.3	до 0.08

 

 

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

Сортамент	розмір	Sв	ST	d5	y	KCU
-	мм	МПа	МПа	%	%	кДж / м2
Сталь гарячокатана.	до 20	370-490	245	26	-	-

 

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

Товщина листів в мм	Мінімальна і максимальна  довжина листів при ширині, мм
	800	850	900	950	1000	1100	1250	1400	1420	1500	1600
6,0; 7,0	2000 6000	2000 6000	2000 6000	2000 6000	2000 6000	2000 6000	2000 6000	2000 6000	2000 6000	2000 6000	2000 6000
11; 12	-	-	-	-	2000 6000	2000 6000	2000 6000	2000 6000	2000 6000	2000 12000	3000 12000

 

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].