Сварка стальных строительных конструкций.

Первые металлические конструкции выполнялись с помощью клепки. Инженером Шуховым Б.Г в 1883 году в г. Баку был предложен первый цилиндрический резервуар для нефтепромыслов. Далее им были созданы перекрытия зданий Нижегородской выставки, ГУМа в Москве, мартеновских цехов, мостов и др.

Началом применения сварки в строительстве является 1920 год, когда в г. Владивостоке была сварена строительная ферма длиной 25 м.

В начале 30-х годов стали проводиться планомерные научно-исследовательские работы в области сварки строительных конструкций. Были разработаны конструкции сварных ферм, колонн, подкрановых балок и др. В 30…40-х годах были разработаны и построены сварные каркасы зданий мартеновских и конверторных цехов (Новокузнецкий ,Магнитогорский и Макеевский металлические комбинаты, завод «Азовсталь» и др.)

В 1930 г В Магнитогорске были сварены газопроводы горячего дутья и воздухонагреватели домны. В 1941 г. Шуховым В.Г. был построен первый 11-и км нефтепровод.

Первые стальные резервуары емкостью 300 м ³ были построены в 1929 г. тоже Шуховым В. Г. Начиная с 1938 г сварные резервуары более 5000 м³ широко применяются в нефтяной промышленности. В 1950-х годах был разработан индустриальный метод изготовления резервуаров (на заводе сваривают и сворачивают в рулоны полотна днища и стенок резервуара. На строительной площадке рулон разворачивают и сваривают между собой. Кровля также может изготовляться на заводе в виде отдельных элементов.

В 1939 г. был построен первый арочный цельносварной железнодорожный мост через реку Исеть (140 м длиной). Однако конструктивно сварные мосты не были достаточно обоснованы по выбору основного и сварочного материала, по условиям внешнего воздействия. Поэтому часто применялись клепанные мосты. В 1946 г были разработаны серии пролетов мостов сварных автодорожных (21,6 м; 32,4 м; 42,5 м ) и клепано-сварных (52,5 м и 83,2 м) . Мосты конструировались из стали повышенной прочности и с предварительным напряжением.

С 1948 г были созданы цельносварные конструкции высотных зданий в Москве (Министерство иностранных дел, гостиница «Украина»).В 1936 г была построена первая стальная радиомачта из рельсов (200 м).

Стальные конструкции по условиям работы делятся на 4 группы :

1 - работающие в особо тяжелых условиях (подкрановые балки, эстакады, опоры транспортных средств,…);

2 - работающие при статических нагрузках (фермы, балки перекрытий, опоры,…);

3 - вспомогательные конструкции ( трапы, площадки, ограждения,…).

В зависимости от этих групп и климатических зон выбираются материалы (марки сталей, флюсы, электроды, …) и режимы наплавки.

Сварные конструкции изготовляют из проката. Его правят на вальцах, грунтуют, размечают и режут. На автоматических поточных линиях производится резка и сварка без предварительной разметки.

Сварку элементов конструкций проводят на стеллажах, стендах, кондукторах, вращателях и манипуляторах. В процессе сварки кроме широко распространенных кувалды и лома, используются струбцины, эксцентриковые зажимы, домкраты, винтовые распорки, клиновые стяжные приспособления и другая оснастка.

При сварке резервуаров эффективен метод рулонирования, но в трудно доступных местах проводят и полистовую их сборку.

Рулонные заготовки днищ и корпусов цилиндрических резервуаров сваривают из листового проката на 2-х ярусной установке механизировано сварочными тракторами под слоем флюса. На верхнем ярусе проваривают швы с другой стороны листа. На контрольной площадке проверяют качество швов и грунтуют полотнища. Далее наметывают его на шахтную лестницу резервуара или кольцевые каркасы и транспортируют на место установки. Листы днища укладываются от центра к краям и укрепляют сборочными приспособлениями. По окружности делают прямые (до объемов менее 5000 м ³ ) или сегментные ( при объемах более 5000 м³ ) окрайки. Сварку выполняют ручной электродуговой сваркой в 2 слоя , или механически порошковой проволокой ПП-АН3 , или сварочными автоматами.

Сварка решетчатых конструкций (стропильные фермы, опоры линий электропередач, мачты,…) выполняется в среде защитных газов или применяется порошковая самозащитная проволока, во многих случаях используется электроконтактная сварка. Сборка элементов конструкций выполняется с помощью кондукторов , пневматических и винтовых прижимов и фиксаторов.

После прихватки ручной электродуговой сваркой соединений освобождают прижимы и переносят форму в кантователь для основной сварки конструкции.

Сварка при низких температурах . В зависимости от марки стали и толщины металла и вида металлоконструкции (табл. 2.4) устанавливается минимально допустимая температура сварки без нагрева. Углеродистые стали допускают более низкую температуру сварки, чем низколегированные. Чем тоньше металл, тем может быть допустима более низкая температура сварки.

Таблица 2. 4..

Допустимые температуры окружающего воздуха при сварке металлоконструкций.

Металлоконструкции	Допустимая минимальная температура сварки для толщин металла, мм
<16	16…25	16…30	>25	30.40	>40
Из углеродистой стали: решетчатые листовые Из низколегированной стали при sт< 390 МПа: решетчатые листовые То же, >390 Мпа : решетчатые листовые	-30 -30     -20 -20   -15 -15	- -     - -	-30 -20     -10   - -	- -     - -   Подогрев до 120 ....60	-10 -10     +5   - -	+5 +10   - -

При очень низких температурах (менее -50 °С) для выполнения сварочных работ необходимы специальные укрытия (тепляки, пневматические оболочки ).

Сварка стальных трубопроводов.

Выбор материалов для изготовления и технология сварочных работ определяются назначением трубопроводов, характером транспортируемой среды и значениями рабочих параметров (температура, давление и т.д.).

По рабочим параметрам транспортируемого продукта трубопроводы делятся на 5 категорий и 3 группы. Наиболее сложные и ответственные по качеству сварочные работы выполняются для 1 категории трубопроводов.

Стальные технологические трубопроводы изготовляются из сталей : низкоуглеродистых ( Ст10, Ст20, ВСт2сп, Вст2пс, ВСт3сп, Вст3пс), ферритно-перлитных ( 10Г2, 15ГС, ...), мартенситных ( 15Х5, 15Х8ВФ,…), мартенситно - ферритных (12Х13, ...), ферритных ( 08Х13, 15Х25,…) и аустенитных ( 08Х18Н10Т, 10Х23Н18, 10ХПН13МВ).

Перед сваркой разделывают концы труб (рис. 2. 51 ) в зависимости от толщины ее стенок и вида сварки (табл.2.5).

Наиболее эффективна подготовка кромок механизированной резкой. После газопламенной резки кромки реза надо зачищать шлифовальными кругами. На специализированных трубоотрезных станках одновременно отрезаются трубы, делаются фаски и нарезаются резьбы.

Низколегированные стали режут газовым резаком, а легированные — плазмой. Перед резкой поверхность труб должна очищаться от масла, краски, грунтовки и загрязнений.

Таблица 2.5.

Основные виды разделки кромок труб под сварку.

Разделка кромок	Способ сварки	h, мм	b, мм	c, мм
Без скоса кромок     Со скосом кромок	Ручная электродуговая, в среде СО2 Под слоем флюса Газовая сварка - / - Ручная электродуговая, в среде СО2, в комбинированной среде - / - - / - - / - Газовая сварка - / - - - / -	2…4 4…6 1…1,6 2…3 3…5 6…8 9…10 12…20 5…6	0,5 1,5 0,5	0,5 0,5 1,5

Качество стыковых сварных соединений во многом определяется качеством корневого шва. Для обеспечения надежного провара корневого шва используют следующие виды сварки :

1. Ручную электродуговую сварку электродами диаметром менее 3 мм (наиболее распространенный способ).

2. Ручную аргонно-дуговую сварку неплавящими электродами малого диаметра 0,8…1,2 мм (обеспечивается лучшее качество , чем при ручной электродуговой сварке).

3. Механизированная сварка плавящим электродом в защитных газах (особенно СО2 ) для низкоуглеродистых и низколегированных сталей.

4. Автоматическая аргонно-дуговая сварка ( требуется высокое качество подготовки стыка) .

5. Комбинированный способ (корень шва одним из этих способов, а шов - другими способами).

6. .Сварка на съемных, остающихся или расплавляемых подкладках (рис. 2.52.). Съемные подкладки используются при сварке магистральных трубопроводов. Остающиеся подкладки используются редко ,т.к. они конструктивно сложны , а имеющийся зазор приводит к трещинам из-за динамических нагрузок и коррозии металла. Перед использованием сварных подкладок трубы центрируются. При сварке накладка полностью расплавляется, исключается непровар, обеспечиваются повышенная прочность и коррозионная стойкость сварного шва.

7. Сварка с применением флюса-пасты ФП-8 для труб аустенитных коррозионно-стойких сталей. Обмазывается флюсом внутренняя поверхность трубы, формируется при сварке хороший шов.

8. Сварка с поддувом защитного газа (аргона) во внутреннюю полость трубы.

9.

Сварка на флюсовой подушке. На внутренную подкладку наносится флюс или используется флюсомедная подкладка с канавкой, заполненной флюсом .

10. Подварка корневого шва изнутри трубы. После наружной сварки изнутри трубы подрубают (шлифовальным кругом, пневмозубилом ) корень шва и вновь проваривают. Применяется при сварке труб диаметром более 700 мм.

11. Сварка на съемных эластичных неметаллических подкладках из жаропрочного композиционного материала. После сварки подкладки убирают. Они могут быть одно- и многоразового использования.

Сборка труб при имеющемся смещении кромок труб выполняется следующими способами :

1. Подбивкой (подкаткой) кромок в холодном состоянии или с нагревом до 850 …900 °С.

2. Предварительной калибровкой концов с помощью холодного обжима или раздачи.

2. Применением центраторов, совмещающих кромки изменения труб без изменения их периметра.

При ручной электродуговой сварке прихватка и сварка первых слоев должна выполнятся электродами диаметром менее 3 мм. Число слоев наплавки : 1...2 при h = 3…6 мм ; 3…4 при h = 10…12 мм; 12…16 при h = 28…32 мм. Каждый последующий слой очищается от шлака и брызг металла.

В зависимости от марки легированных сталей выбирается тип электрода и необходимые режимы предварительного подогрева сварки и термической обработки после сварки.

Сварка арматуры.

Арматурные сетки для бетонирования и связки кирпичной кладки, железобетонные изделия (плиты перекрытия, балки,…) для обеспечения необходимой прочности имеют стальной каркас и изготовляются методами сварки (рис. 2.53.). При монтаже железобетонных изделий закладные изделия, перемычки между плитами и другие детали также свариваются .

- Используются следующие методы сварки:

- электроконтактная;

- механизированная в среде углекислого газа СО2 ;

- ручная электродуговая (в т.ч. ванная);

- механизированная дуговая под слоем флюса;

- газовая.

Электрод выбирается исходя из класса арматурной стали (А-I, А-II ... Aт-V ), способов сварки (ванная или многослойные швы, протяжные швы, в штампованном отверстии, прихватами) и типов соединения (крестообразное, стыковое, нахлесточное, тавровое).

Контактная сварка находит наибольшее распространение при сварке арматуры. Арматурная сталь поступает в виде стержней и в бухтах, правку и резку выполняют на правильно-отрезных станках. Арматура разрезается на специальном станке, зачищаются концы и места сварки так, чтобы был запас очищенной поверхности. На плоских элементах закладных изделий выпрессовывают необходимые рельефы.

Контроль качества сварки.

Качество — это степень удовлетворения заказчика свойствами изделия или предоставленными ему услугами. Качество — понятие многогранное. Нельзя сказать по какому-то одному частному показателю о качестве в целом.

Качество сварки определяется уровнем дефектов при сварке ( рис. 2.6.), зависит от особенностей протекания технологического процесса и включает в себя ряд единичных показателей ( рис. 2. 54) :

-структуру, твердость и другие механические показатели сварного шва;

-наличие в сварном шве внутренних дефектов (поры, трещины, шлаковые включения и т.д.);

-геометрические размеры шва;

-эстетические показатели;

-коробления и структурных изменений в свариваемых деталях;

-свойств переходной зоны (наличие трещин, крупнозернистости, закалочных явлений,…);

-усталостную прочность и долговечность;

-коррозийную стойкость сварного шва;

-экономические показатели.

Качество сварки зависит от многих технологических факторов: сварочные материалы (электроды, сварочная проволока, флюсы, защитные газы ,…), режимы сварки (сила тока, напряжение, ...), материалы свариваемых деталей и качество их подготовки перед сваркой, профессионально-личностный уровень сварщика (квалификация, отношение к работе, дисциплина труда ,...), условия труда, охрана труда и т.д.

Контроль может и должен быть предварительным (контроль электродов, флюсов, оборудования, режимов работы и т.д.) и окончательным ( оценка качества сварного шва). Первый вид контроля является основой для высокого качества сварки, т.к. создает предпосылки для качественного выполнения работ, а второй-. фиксирует достигнутые результаты технологического процесса.

Контролерами являются все участники технологического процесса :

инженеры-механики ОГМ — контролирует состояние оборудования;

инженеры-технологи ОГТ — контролирует выполнение технологического процесса;

работники ОТК — контролирует все стадии технологического процесса и выполняют заключительный контроль;

сварщик- обеспечивает и непрерывно контролирует качество сварки.

Дефекты (табл 2. 6) приводят к уменьшению прочности сварного шва, к нарушению герметичности соединения и к снижению эксплуатационной надежности конструкции.

Таблица 2. 6.

Основные дефекты сварки, их причины и способы определения.

№	Наименование дефектов	Причины появления	Методы определения
	Не выдержана форма шва, не заварены кратеры Непровары     Пережоги (окисление металла)   Прожоги Поры (свищи, газовые пузыри) Шлаковые включения   Трещины шва	Квалификация сварщика (КС), режимы наплавки (РН) КС, РН     Длинная дуга, сильная окислительная струя, КС КС, РН Вода в обмазке или флюсе, ржавчина Тугоплавкие или повышенной вязкости шлаки ,неравномерное плавление Повышенное содержание S,P и C в металле, излишне жесткое закрепление детали	Визуально(В), шабло-ны, измерительный инструмент В, рентгеновское (РИ),ультразвуковое (УИ) и гаммо-излучение (ГИ), магнитография (МГ),   В   В   В, РИ, ГИ, УИ, МГ   В, РИ, ГИ, УИ, МГ   В, РИ, ГИ, УИ, МГ

Дефекты могут быть :

-явными ( непровары, пережоги,…) и скрытыми ( внутренние трещины и поры, структурные изменения ,…);

-исправимыми и неисправимыми.

Простейшие испытания сварных швов на герметичность проводятсягидравлическими и пневматическими методами, а так же с помощью керосиновой пробы.

При гидравлических испытаниях систем отопления, водопровода создается давление в 1,5 раза превышающее рабочее давление и проводится выдержка в течении 5 минут. При наличии утечек воды или отпотевании отдельных участков производится устранение дефекта (вырубка и проварка ).

При пневматических испытаниях сосуд опускают в воду или смачивают швы мыльной пеной и создают в нем избыточное давление, а по наличию газовых пузырьков в воде (пене) судят о наличии дефектов. Эффективна проверка керосином сосудов , работающие при низких давлениях. Одну сторону шва закрашивают мелом, а вторую смачивают керосином. Появление темных керосиновых пятен на меловом покрытии говорит о наличии трещин.

Степень информативности для определения различных внутренних дефектов различными методами показана в табл. 2.7.

Таблица 2.7.

Выявляемость дефектов в % от их общего количества различными методами :

Метод контроля	Поверхностные трещины	Шлаковые включения	Раковины	Непровары
Рентгеновский Гаммо-лучами Ультразвуковой Магнитный Цветная дефектоскопия				45…95

С помощью рентгеновского просвечивания (рис. 2.55) выявляют трещины, поры, непровары в стальных деталях с глубиной залегания до 100 мм, а в

алюминиевых деталях-до 300 мм и в медных- до 25 мм. Рентгеновские лучи, излучаемые рентгеновской трубкой, более интенсивно проникают через дефектные места ( поры, шлаковые включения, непровары) ,чем через сплошной металл и сильнее засвечивают рентгеновскую пленку ( на негативе будут светлые пятна) или наблюдаются визуально на экране. Достоинства этого метода : высокая чувствительность, определение характера дефектов , их размеров и места расположения. Недостатками его являются: вредность для организма человека, сложность и громоздкость аппаратуры (имеются и портативные импульсные рентгеновские аппараты), трудоемкость и сложность работ. Из всех указанных в таблице 2.6 методов рентгеновская дефектоскопия чаще других в практике строительства трубопроводов и изготовления технологического оборудования.

Принцип гамма – лучевого просвечивания такой же как и рентгеновской дефектоскопии , . только вместо рентгеновской трубки используется источник радиоактивного излучения (радий, кобальт, цезий и др.). Достоинства метода : портативность и маневренность аппаратуры, независимость от источников питания, возможность определения характера и размера дефекта. Недостатки : вредность гамма-лучей на организм человека, ограниченная чувствительность, трудоемкость и высокая стоимость работ. Глубина просвечивания портативными гамма –дефектоскопами .достигает до 60… 80 мм для стальных изделий.

Ультразвуковой метод контроляоснован на способности ультразвуковых колебаний распространятся в металле и отражаться от границ раздела сред. Используется два метода : теневой и отражения . В основном используется второй метод (рис. 2.56) ,с помощью которого можно выявить дефекты с глубиной залегания до 2600 мм.

Ультразвуковой сигнал, выработанный генератором . поступает пьезоизлучатель , проходит через металл, отражается от нижней части детали и от дефекта. Усилитель сигналов получает первичный сигнал от генератора и сигналы, отраженные от дефекта и низа детали.

В итоге сигнал делится на три сигнала, которые представлены на экране осциллографа следующим образом:

-первичный сигнал генератора, на экране осциллографа это будет самый левый импульс;

-сигнал от дефекта, который проходит расстояние : излучатель- дефект-приемник , на что затрачивается время, этот сигнал будет на экране осциллографа сдвинут правее первичного сигнала на расстояние l1, а его форма и размеры отражают соответствующие характеристики дефекта;

- сигнал от нижней части детали, путь его прохождения максимален, поэтому он будет сдвинут еще на большее расстояние l2 , т. е . еще правее сигнала дефекта .

На экране осциллографа мы видим:

- отсутствие или наличие дефектов;

-

характеристику дефектов :форму, размеры, вид (поры, трещины, шлаковые включения);

- глубину залегания дефектов, определяемую из пропорции:

Магнитные методы контроля основаны на принципе искажения магнитного поля в местах дефектов (рис. 2.57) , расположенных на поверхности детали. Магнитный порошок (измельченная железная окалина, продукты шлифования металла) в сухом виде, а чаще всего в виде масляной эмульсии ,наносится на проверяемую поверхность, деталь намагничивается. На месте дефекта визуально будут видны скопления магнитного порошка.

Магнитно-графический метод контроля заключается в фиксации на магнитной ленте полей рассеивания, возникающих на дефектных участках шва при его намагничивании с последующим воспроизведением этих полей с помощью магнитно-графической аппаратуры. Можно намагничивать с помощью импульсного магнитного устройства протяженный участок шва (600…700 мм) или весь периметр сварного шва трубы.

При люминисцентной дефектоскопии готовится смесь (керосин, бензин, смазочное масло и порошок дефектоля ), наносится смесь на поверхность детали, смесь проникает в трещины и остается там, с поверхности детали смесь удаляется, деталь облучается ультрафиолетовыми лучами, дефект высвечивается зелено-золотистым цветом, т. к. в трещинах остается дефектоль .

При цветной дефектоскопии деталь аналогично обрабатывается специальным составом краски, далее наносится на проверяемую поверхность аэрозоль белой нитроэмали, при сушке которой адсорбируется краска из трещины, над дефектом появляются соответствующие разводы яркой краски.

Для контроля сварки трубопроводов имеются передвижные лаборатории рентгеновского, гамма - и магнитнографического контроля , со сменной производительностью контроля стыков труб :

рентгеновским методом — до 12;

гамма – лучевым контролем — до 6;

магнитно-графическим методом —до 15…20.

Методы контроля с разрушением сварного соединения.

Образцы металла вырезают из проверяемой конструкции или из контрольных сварочных соединений ,специально изготовленных в тех же условиях ,как и основное изделие. На образцах определяют твердость, предел текучести, временное сопротивление на разрыв, относительное удлинение и другие показатели. При макроанализе определяют границы зон сварного соединения, ширину зоны термического влияния, наличие внутренних дефектов, серы и фосфора. При микроанализе изучают микроструктуру сварного шва, выявляют микропоры и микротрещины, нитридные и водородные включения.

Основой качества сварки и главным контролером должен быть исполнитель работ. Качество сварки в его руках, в его отношению к работе . Квалификация сварщика, его опыт, знания, отношение, исполнительная дисциплина и другие его профессионально-личностные признаки — основные факторы обеспечения качества труда и качества сварного шва.

Имеется пять принципов обеспечения производительной и качественной работы: исполнители должны знать, что делать, уметь и успевать это делать, работа их должна оцениваться и стимулироваться. Первые три принципа обеспечивают потенциальную возможность успешной работы исполнителей, а два последних - желание качественно работать. Естественно, что желание реализуется только при условии , если в достаточной мере обеспечены первые три принципа. Администрация и инженерная служба предприятий должны в первую очередь решать вопросы повышения профессионального и исполнительского уровня, создания социально-экономических предпосылок успешной работы людей. Знания сварщиков- это знание ими материалов деталей, технологии сварки, оборудования и оснастки. А умение – это знания плюс навыки ( опыт работы). Успевать выполнять работу -это своевременно проводить подготовительные операции и в полном объеме и без ненужной спешки выполнять сварку. Известно, что как раз вследствие спешки происходят упрощения операций сварки, игнорирование некоторых элементов их, в итоге возникает брак в работе исполнителей. Принцип « торопиться не спеша» очень важен для обеспечения качественной работы.

Фактор оценки обеспечивают технически обоснованными нормами выработки и объективными методами определения качества произведенной работы. Сварщик должен знать, что его работа оценена достоверно как в количественном, так и в качественном отношении.

Стимулирование работы опирается на качественные и количественные показатели и предполагает материальную и моральную заинтересованность исполнителей в выполнению качественно и в срок сварочных работ.

Литература.

1. Барановский М.А. и др. Технология металлов и других конструкционных материалов. -Минск: Вышэйш. шк , 1973.-528 с.

2. Болдырев А.М. , Орлов А.С. Сварочные работы в строительстве и основы технологии металлов: Учебник, М.: Изд-во АСВ, 1994.-432 с.

3. Кнорозов Б.В. и др. Технология металлов. –М. : Металлургия,1977.-647 с.

4. Практикум по технологии конструкционных материалов и материаловедению. Под ред.С.С. Некрасова.-М.: Колос, 1978.-236 с.

5. Прейс Г.А. и др. Технология конструкционных материалов. -К. : Вища шк. ,1984.-464 с.

6. Полухин П.И. и др. Технология металлов и сварка.–М.: Высш. шк. ,1977. -464 с.

7. Самохоцкий А.И. , Кунявский М.Н. Лабораторные работы по металловедению и термической обработке металлов. –3-е изд.- М.: Машиностроение , 1981.-174 с.

8.

Соколов И. И. Газовая сварка и резка металлов. –М.: Высш. шк. , 1986.- 304 с.

9. Храмцов Н.В. , Зайцев П.А. Восстановление зубчатых колес.-Тюмень: ТюменьСНИО, 1993.-133 с.

10. Храмцов Н.В. , Зайцев П.А. Восстановление шестерен сельскохозяйственных машин электрошлаковой наплавкой.- Тюмень: НИИСХ Северного Зауралья ., 1982.-44 с.