 |
Реклама. ООО ГК "Велунд Сталь Сибирь" ИНН 5405075282 Erid: 2SDnjf1Guop
| |
В настоящее время существует много видов металлоконструкций, которые широко распространены и востребованны, одним из таких видов металлоконструкций являются модульные здания, которые как и ангары, быстровозводимые склады и помещения требуются современному обществу. Для их производства используется сразу несколько видов металлопроката (профильная труба, профильный лист оцинкованный и неоцинкованный, уголки, швеллера, тавровая и двутаваровая балка и др.). Но в любом случае основным способом соединения металлических деталей является сварка, и в силу большой длины и веса применяемых металлических деталей при нагреве во время производства сварочных работ в конструкциях могут возникать значительные напряжения. Для того чтобы избежать появления таких напряжений, существуют определенные способы, которые рассмотрим ниже.
Уменьшение деформации при сварке модульных зданий и других металлоконструкций
На стадии проектирования конструкции. Так как сварочные деформации зависят от количества вводимой при сварке энергии, целесообразно назначать минимально необходимые размеры швов. Особенно целесообразно уменьшение катетов угловых швов К, так как объем наплавленного металла и тепловложение сокращаются пропорционально К2.
Уменьшения деформаций можно достигнуть применением тех видов сварки, которые требуют меньше тепловложения, например контактной вместо дуговой, многослойной - вместо однослойной.
Элементы балочного типа целесообразно конструировать с таким расположением сварных швов, чтобы сумма моментов усадочных сил от продольных швов относительно центра тяжести сечения балки была близка к нулю. Поперечные швы, создающие угловые изломы балок, также желательно располагать по обе стороны от линии центров тяжести сечений, чтобы сумма угловых поворотов и прогибов была минимальной. Возможна компенсация прогибов от усадочных сил продольных швов за счет соответствующего расположения поперечных швов с противоположной стороны сечения (рис. слева).
В некоторых случаях, когда невозможно заранее точно определить величину усадки или перемещения свариваемых элементов конструкции и назначить необходимый припуск на усадку, удобно применение нахлесточных соединений. Нахлестка до того, как уложен шов, допускает на стадии сборки и сварки других сварных соединений большие взаимные перемещения свариваемых элементов без нарушения качества нахлесточного соединения, являясь своеобразным компенсатором.
В тонкостенных конструкциях целесообразно швы располагать в зонах наибольшей жесткости, чтобы уменьшить напряжения сжатия в листовых элементах.
На стадии разработки технологии целесообразно назначать размеры и форму заготовок с учетом величины возникающих при сварке усадок. Например, назначение большей длины элемента при значительном количестве поперечных швов, чтобы компенсировать усадку; раскрой стенки тавра с начальной кривизной (рис. сверху справа) для компенсации ожидаемого изгиба.
Можно предусматривать создание путем пластической деформации таких перемещений, которые были бы противоположны ожидаемым сварочным, например раскатка края обечайки (рис. ниже, а), выштамповка горловины сферической оболочки перед вваркой штуцера (рис. ниже, б), пластический изгиб листа (рис. ниже, в).
При использовании приспособлений необходимо учитывать следующее. Зажимные приспособления позволяют точно фиксировать положение одной детали относительно другой во время сборки, а также в процессе постановки прихваток, не давая элементам взаимно перемещаться. В процессе сварки зажимные приспособления хорошо препятствуют временным перемещениям, не позволяя свариваемым деталям существенно менять свое положение. Например, при сварке тонких листов необходимо использовать зажимные приспособления.
Зажимные приспособления практически не уменьшают остаточных деформаций, возникающих на стадии остывания. Остывание сваренных деталей в жестких приспособлениях неоправданно, так как не дает заметного положительного эффекта.
Более существенный эффект снижения остаточных деформаций достигают в тех случаях, когда с помощью приспособлений в свариваемых элементах путем растяжения или изгиба создают растягивающие напряжения.
Рациональная последовательность сборочно-сварочных операций является в ряде случаев практически основным способом борьбы с остаточными деформациями. Наиболее жесткие ограничения на последовательность сборки и сварки накладывает требование доступности швов во время сварки. Однако даже в пределах этого ограничения почти всегда существует несколько вариантов расчленения конструкции на узлы и порядка наложения швов. При расчленении конструкции на узлы необходимо добиваться двух условий: минимальных остаточных деформаций полностью сваренной конструкции; остаточные деформации отдельных подузлов должны допускать сборку их между собой или по крайней мере иметь такую величину и характер, чтобы их можно было устранить правкой перед сборкой подузлов в узел.
Если предварительные расчеты или имеющийся практический опыт показывают, что минимальные деформации будут достигнуты в том случае, если конструкция вначале будет полностью собрана, а затем сварена, то необходимо предусмотреть возможность сварки всех швов путем некоторого изменения первоначальных конструктивных решений.
Простейшим примером, где остаточные деформации накладывают определенные требования на последовательность сборки и сварки, является балка на рис. 36. Если вначале сварить двутавр, а затем приварить поперечные ребра, то остаточный прогиб будет значительным. В данном случае сначала необходимо к листу приварить поперечные ребра, произвести правку листа путем изгиба, а затем собрать и сварить двутавр. Если поясной лист небольшой толщины, то правка не обязательна. Лист может быть упруго деформирован во время сборки двутавра с помощью струбцин, стяжек или соответствующих прижимов в приспособлении.
На стадии выполнения сварки.
1. Сборку деталей осуществляют с учетом ожидаемых деформаций. На (рис. выше, г) показаны собранные листы, которые имеют первоначальный угол β, противоположный ожидаемому от сварки. На (рис. выше, д) зазор под электрошлаковую сварку переменный, чтобы компенсировать неравномерную по длине шва поперечную усадку.
2. Сварку ведут на более экономных в отношении тепловложе-ния режимах, используя соответствующие сварочные материалы, способы сварки или режимы.
3. Вводят искусственное охлаждение металла в процессе сварки, например водой.
4. Осуществляют проковку непосредственно после сварки, например молотками, или дают ковочное усилие при контактной точечной сварке.
После выполнения сварки. Существует ряд эффективных приемов правки, которые используют для устранения возникших остаточных деформаций после сварки.
Механическая правка путем изгиба или растяжения. Этот вид правки в большинстве случаев предусматривает такое приложение нагрузок, чтобы в зоне остаточных растягивающих напряжений создать дополнительные рабочие напряжения растяжения. При достижении суммой напряжений предела текучести начинается пластическая деформация в зоне сварных соединений (рис. слева). Ширина зоны пластических деформаций по мере увеличения нагрузки постепенно увеличивается, например с 2b′n до 2b″n Разгрузка элементов происходит упруго. Устранения деформаций достигают в результате уменьшения остаточной силы.
Вибрация. Наряду с приложением статических нагрузок все большее применение находит вибрация. В основе устранения остаточных деформаций при вибрации лежит тот же самый принцип, что и при статических нагрузках - протекание пластических деформаций удлинения металла в зонах сварных соединений. Преимущества вибрации состоят в том, что положительный эффект достигают на более простом оборудовании, а действующие силы оказываются меньше, так как текучесть металла при вибрации происходит при более низких напряжениях, чем при статическом нагружении.
 Проковка. При проковке удары наносят перпендикулярно поверхности металла. Вследствие пластической деформации происходит его осадка и удлинение в плоскости (рис. справа). Во время правки сварных конструкций удары следует наносить в зонах усадки, именно там, где произошло укорочение металла при сварке. Если пластическая деформация удлинения в плоскости от проковки составит величину, равную пластической деформации укорочения при сварке, сварочные деформации исчезнут. Так как проконтролировать величину возникающей пластической деформации при ручной проковке невозможно, то успешное осуществление правки зависит от опыта правщика. При машинной проковке режим можно регламентировать. Проковку в основном следует применять для устранения продольной усадки сварных швов. Устранение поперечной усадки требует большой пластической деформации, что сопряжено с чрезмерным наклепом металла.
Прокатка сварных соединений имеет ряд преимуществ перед проковкой, но уступает ей по маневренности. Прокатку в основном применяют для устранения деформаций тонкостенных элементов, вызванных продольной усадкой дуговых стыковых сварных соединений или нахлесточных, выполненных контактной сваркой. Прокатку осуществляют цилиндрическими роликами с прямолинейной образующей; ширина роликов обычно составляет 8 - 20 мм, края роликов закруглены. Направление прокатки вдоль шва. Первый проход обычно осуществляют по шву, последующие по околошовной зоне. Однако нет никаких ограничений для выполнения проходов в иной последовательности. Прокатке следует подвергать только зону сварочных пластических деформаций 2bп, где при сварке возникла усадка. Остальные части листов прокатывать не следует, так как они при сварке не испытывали пластических деформаций. Режим прокатки должен быть подобран так, чтобы после прокатки остаточные напряжения были близки к нулю. Это обеспечивают соответствующим выбором давления поокатки по следующей формуле:
где S и d - ширина и диаметр роликов, см; δ - толщина металла в зоне прокатки, см; σ0,2 и Е - предел текучести и модуль упругости прокатываемого металла в зоне прокатки, кгс/см2. При прокатке по нахлестке толщина равна 2 δ. В случае невозможности прокатать всю околошовную зону из-за ее недоступности следует повысить давление прокатки в доступных зонах настолько чтобы остаточные напряжения были уравновешены в пределах зоны пластических деформаций. Например, присварке гнутых элементов. зона растягивающих напряжений выходит на наклонные участки, которые недоступны для прокатки. Если пластическую деформациюв шве создавать нежелательно, то прокатываютпри повышенных давлениях околошовную зону.
Прокатку можно применять на металлах разнообразной толщины, в том числе и на повышенных толщинах (более 10 мм). Следует лишь при этом отношение d/δ принимать не менее 15-20. Основные требования к оборудованию для прокатки швов:
давление на ролики должно быть неизменным в процессе прокатки (как например при создании его пневматическим или гидравлическим способом); привод движения в случае прокатки дуговых швов, имеющих неровности, должен осуществлятся на оба ролика;
оси роликов должны быть параллельны, сами ролики должны иметь достаточную по сравнению с прокатываемым металлом твердость.
Термическая правка широко распространена в производстве сварных конструкций. Её преимущества - простота приемов, универсальность и маневренность. Недостатком является необходимость опытной отработки приемов правки. Кроме того, имеются некоторые ограничения в ее применении на активных металлах, таких как титановые и алюминиевые сплавы. Термическая правка основана на создании путем нагрева усадки металла втех зонах, сокращение которых приводит к устранению остаточных деформаций конструкции.
Характерными являются два случая, когда необходимо применять правку:
листовые элементы, потерявшие устойчивость от напряжений сжатия;
прочие конструкции, главным образом балочногои рамного типов, в которых после сварки появился изгиб.
Лстовые элементы нагревают пятнами или полосами с тем, чтобы устранить имеющийся избыток площади. Чем крупнее пятна нагрева, тем значительнее усадка. Однако при крупных пятнах может возникать дополнительное вспучивание листа, в пределах зоны нагрева, что резко снижает качество и производительность правки. Для устранения этого нежелательного явления применяют дополнительную проковку нагретого места на гладилке с тем, чтобы осадить лист на плоскость. После остывания лист натягивается на каркасе и избавляется от имевшейся потери устойчивости. Стальные конструкции правят нагревом пламенем, доводя металл в зонах нагрева до температуры 600-800° С. В случае правки конструкций из титановых и алюминиевых сплавов укладывают холостые валики.
Правка балочных элементов может осуществляться при продольном и поперечном расположении зон нагрева. Более производительна правка с поперечным расположением зон. Места нагрева выбирают так, чтобы изгиб, возникающий при правке, был противоположен изгибу, вызванному сваркой.
О результате правки следует судить после полного остывания конструкции. В случае необходимости производят повторную правку.
Отпуск в зажимных приспособлениях. Отпуск деталей в свободном состоянии не дает исправления деформаций, поэтому деталь, подвергаемую правке, закрепляют в специальном приспособлении, придавая ей необходимую форму, и помещают в печь вместе с приспособлением. В результате происходит релаксация напряжений и деталь при освобождении из приспособления не деформируется, а сохраняет ту форму, которую она имела, находясь в печи. Особенно эффективен этот прием правки при сложных видах деформаций закручивания и пропеллерности.
Существует ряд приемов, с помощью которых добиваются стабильности размеров сварной конструкции во времени. Такими приемами являются: предварительное нагружение, вибрация, отпуск. Во всех этих случаях стремятся снизить остаточные напряжения или изменить структурное состояние металла.
Уменьшение вредного влияния сварки при изготовлении модульных зданий и других металлоконструкций
Помимо изменения размеров и формы сварных конструкций процесс сварки может оказывать отрицательное влияние на структуру и свойства металла, создавать большие остаточные напряжения, что существенным образом влияет на служебные характеристики сварных конструкций.
Большинство разрушений в сварных конструкциях возникает от концентраторов напряжений, в особенности от тех, которые расположены в зонах остаточных напряжений растяжения и при сварке явились причиной протекания значительных пластических деформаций. Поэтому основное внимание при конструировании и разработке технологии должно быть обращено на следующее.
Оформление разделок сварных соединений и сопряжений отдельных элементов должно быть таким, чтобы снизить до минимума появление сварочных дефектов - непроваров, подрезов, шлаковых включений, трещин и т. п.
Размещение и выбор типа сварных соединений должно быть таким, чтобы концентраторы напряжений, естественно существующие в сварных соединениях, не являлись местом чрезмерного протекания пластических деформаций. Например, нерациональным является применение односторонних многослойных соединений с непроваром в корне шва. Использование накладок для соединения элементов с малым расстоянием А между ними и другие случаи, рассмотренные ранее.
Выбор сварочных материалов приемов и режимов сварки следует производить с позиций исключения появления дефектов сварки, образования чрезмерных объемов металла с остаточными растягивающими напряжениями, перегрева и высокой степени закалки, старения металла.
Принятая последовательность сборочно-сварочных операций должна исключать появление в сварной конструкции значительных локальных пластических деформаций по причине затруднения усадки или, наоборот, по причине чрезмерных перемещений из-за отсутствия необходимых закреплений.
Введение необходимых контрольных операций позволяет своевременно обнаружить и устранить появившиеся отклонения в качестве соединений, технологического процесса и т. д.
Снижение вредного влияния сварки на конструкцию можно достигать включением в технологический процесс сборки и сварки различных операций, например подогревов, замедленных охлаждений, проковки, промежуточных отпусков и др.
Подогрев уменьшает скорость охлаждения при сварке. Это в ряде случаев благоприятно сказывается на свойствах металла при структурных превращениях - уменьшается твердость зон термического влияния и склонность их к образованию деформационных и холодных трещин. Подогрев широко используется как технологическое средство при сварке трудносвариваемых сталей.
Предварительное нагружен ие сварных конструкций сопровождается пластическими деформациями металла в зонах сварных соединений. После разгрузки остаточные напряжения понижаются и при повторных нагрузках теми же усилиями пластические деформации вновь не возникают. Это обстоятельство используют для сохранения точности размеров сваруых деталей во время эксплуатации. Для этого сварные детали перед механической обработкой нагружают теми же или несколько большими силами, которые действуют в процессе эксплуатации. Такой прием используют, например, при изготовлении станин небольших прессов, балок и других конструкций.
 Термомеханический метод снижения остаточных напряжений. Используется относительно редко как средство для понижения продольных напряжений в сварных соединениях полотнищ. Движущимися горелками или индукторами на некотором расстоянии от шва создаются два пятна нагрева до 150- 200° С, которые перемещаются вдоль шва (рис. слева, а). Расширение металла в нагретых зонах создает растяжение вдоль шва и сжатие в поперечном направлении (рис. слева, б). Такая схема напряжений в сочетании с остаточными напряжениями растяжения вызывает в зоне сварного соединения пластические деформации удлинения, что понижает продольные остаточные напряжения после нагрева и охлаждения металла водой.
Отпуск сварных конструкций следует назначать лишь в тех случаях, когда он является необходимым из условия обеспечения необходимой прочности или на основании требований, связанных с обеспечением необходимой точности. Для краткости назовем их признаками прочности и признаками точности.
 Признаки прочности.
1. Механические свойства металла нуждаются в изменениях, например в смягчении закалочных структур, ускорении распада остаточного аустенита и т. д.
2. Сварное изделие во время перевозки или эксплуатации охлаждается до температур, при которых возможны хрупкие разрушения металла.
3. Сварная конструкция должна подвергаться отпуску в соответствии с правилами Госгортехнадзора.
4. При наличии сварных соединений элементов большой толщины в связи с высокими объемными напряжениями или значительной накопленной энергией. При назначении отпуска для электрошлаковых соединений целесообразно пользоваться диаграммой, показанной на рис. справа. Для конструкций с многослойными сварными соединениями, не испытывающими при сварке угловых поворотов, отпуск целесообразно назначать при толщинах швов более 140-150 мм.
5. При сварке и остывании возникли значительные пластические деформации. Точные количественные признаки в отношении этой группы конструкций установить крайне трудно. Здесь приведены лишь ориентировочные рекомендации. Это соединения с непроваром в корне шва и количеством валиков более 4-5, когда элементы при сварке свободно поворачиваются один относительно другого. При полном проваре, но резких переходах к основному металлу, количество слоев более семи-восьми. При плавном оформлении корня шва, но свободном повороте элементов, отпуск целесообразно назначать при толщинах более 40 мм, если количество слоев более 10-12. При сварке кольцевых многослойных швов с полным проваром значительные пластические деформации и растягивающие напряжения возникают при разделке наружу, если Rср/δ≥10÷12 и при разделке внутрь, если Rср/δ≥30÷35, где Rcp и δ - средний радиус и толщина обечайки. В круговых швах концентрация пластических деформаций и высокие радиальные растягивающие напряжения возникают по мере уменьшения отношения R/δ и роста толщины металла S (рис. ниже). Окончательные рекомендации для этих случаев пока не установлены.
6. Отпуску должны подвергаться сварные конструкции, в отношении которых специальными исследованиями или наблюдениями установлена необходимость термообработки по причине появления холодных трещин или коррозионного растрескивания.
Признаки точности. Отпуску подвергают в следующих случаях.
1. Конструкции, которые во время механической обработки изменяют свои размеры в недопустимых по техническим условиям пределах.
2. Конструкции, испытывающие значительные эксплуатационные нагрузки и приобретающие после нагружений недопустимые остаточные прогибы или искажения размеров.
3. Конструкции, рассчитываемые на жесткость и относящиеся к точным машинам и механизмам (станки, редукторы и т. п.), которые в эксплуатации или при вибрации во время транспортировки приобретают недопустимые отклонения размеров.
4. Станины приборов, измерительные устройства, корпусы и детали точных приборов и подобные конструкции, точность которых нарушается вследствие вибрации при транспортировке или распаде неустойчивых структур во времени.
Отпуск изменяет свойства металла сварных конструкций и снижает остаточные напряжения.
Отпуск смягчает зоны закалки, ускоряет процессы распада неустойчивых структур, устраняет наклеп металла, вызванный сварочными пластическими деформациями, а также существенно улучшает свойства металла и его хладостойкость в зонах деформационного старения при сварке.
Характер снижения остаточных напряжений при отпуске показан на рис. справа. Наибольшее снижение напряжений, как показали многочисленные исследования, достигают на стадии нагрева, а также в первые 1-2 ч выдержки, затем процесс сильно замедляется. При остывании, вследствие роста модуля упругости, напряжения несколько возрастают.
Как установлено специальными исследованиями, скорость подъема температуры во время нагрева в пределах, применяемых на практике режимов, почти не влияет на релаксацию напряжений. Поэтому следует применять форсированные нагревы в пределах, не вызывающих опасности разрушения сварных конструкций в печи на стадии нагрева или чрезмерное их деформирование. Степень снижения напряжений на стадии нагрева зависит от марки материала и достигнутой температуры. В табл. 3 приведены величины напряжений в конце стадии нагрева для различных сталей.
На стадии выдержки напряжения снижаются крайне медленно. Поэтому выдержка деталей в печах более 3 ч нецелесообразна. Изменение напряжений на стадии выдержки подчиняется следующему закону:
где σов - начальное напряжение перед стадией выдержки (конечное на стадии нагрева); t - время выдержки, мин; t0 = 10 мин.
Величина β для разных сталей и температур находится обычно в пределах 0,08-0,18.
Объемные напряжения в массивных деталях снижаются несколько меньше, чем одноосные напряжения, но относительная стабилизация их уровня также наступает после 1-2 ч выдержки. Поэтому и для массивных сварных конструкций, после того как достигнуто выравнивание температуры по сечению детали, выдержка может быть ограничена 3 ч.
Скорость охлаждения назначают в зависимости от толщины сечений элементов. Чем толще сечения, тем медленнее должно проводиться охлаждение.
Таким образом, рассмотрены некоторые способы уменьшения деформации металла при изготовлении самых различных металлических конструкций, таких как модульные здания Containex, ангары, быстровозводимые склады, офисы, гаражи и др. | 
НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ