3.4 Зварні з’єднання

У будівництві використовуються такі основні види з’єднань: за допомогою

зварювання , болтові , на заклепках .

Найпоширенішими є зварні з’єднання ( близько 95% усіх з’єднань ) . У

будівництві найширше використовують електродугове зварювання . За рівнем

механізації та автоматизації процесів розрізняють такі його види: ручне, напівавтоматичне ( автоматизована подача зварювальних матеріалів і ручне

переміщення дуги вздовж шва ) та автоматизоване зварювання ( всі операції

автоматизовано ) . За способом заповнення шва металом та технологічними

ознаками розрізняють : зварювання електродом , що плавиться ; зварювання

неплавким електродом ( вугільним чи вольфрамовим із введенням у дугу

присадкового стержня для отримання необхідного об’єму рідкого металу і

заповнення шва ) . Розплавлений метал ізолюється від дії атмосферного повітря

шаром шлаку , флюсу чи струменем захисного газу .

3.4.1Конструктивні вимоги до зварних з’єднань

Зварювання сталевих конструкцій слід здійснювати за розробленим на підприємстві технологічним процесом, оформленим у вигляді типових чи спеціальних технологічних інструкцій, карт і т.п., у яких повинні враховуватися особливості і стан виробництва.

Устаткування для зварювання повинне забезпечувати можливість ефективного виконання зварних з'єднань за технологічним регламентом. Стабільність параметрів режиму, заданого в технологічному регламенті, що забезпечується устаткуванням, повинна оцінюватися при операційному контролі процесу зварювання.

Механічні властивості металу зварних зєднань повинні відповідати наступним вимогам:

• Тимчасовий опір металу шва повинен бути не нижче, ніж тимчасовий опір основного металу;

• Твердість металу: не вище ніж 350 HV для конструкцій І групи і не вище ніж 400HV для конструкцій інших груп;

• Ударна в’язкість KCV^-20 Дж/см²;

• Відносне видовження не нижче 16%

Зварювання необхідно виконувати при стабільному режимі, встановленому технологічним процесом, з відхиленнями, що допускаються:

сили струму ± 5%;

напруги дуги ± 5%.

При використанні металопрокату, не підданого консервації, поверхні, що проплавляються, і прилеглі до них зони металу шириною не менше 20 мм, а також кромки листів у місцях примикання вивідних планок перед складанням повинні бути очищені до чистого металу з видаленням конденсаційної вологи. При наявності на конструкціях іржі, бруду тощо безпосередньо перед зварюванням очищення повинне бути повторене. Продукти очищення не повинні залишатися в зазорах між складеними деталями.

Автоматичне зварювання конструкцій дозволяється проводити без підігріву:

− з вуглецевої сталі товщиною до 30 мм, якщо температура сталі не нижче мінус 30° С, а при більших товщинах — не нижче мінус 20°С;

− з низьколегованої сталі товщиною до 30 мм, якщо температура сталі не нижче мінус 20°С, а при більших товщинах сталі — не нижче мінус 10°С.

Відхилення розмірів перерізу швів зварних з'єднань від проектних, що допускаються, не повинні перевищувати величин, зазначених у ГОСТ 5264 - 69, ГОСТ 8713 - 70 і ГОСТ 14771 - 69, а в конструкціях зі сталі С440 відповідно до вказівок у технічній документації.

За зовнішнім виглядом шви зварних з'єднань повинні задовольняти наступним вимогам:

− мати гладку чи рівномірно лускату поверхню (без напливів, пропалів, звужень і перерв) і не мати різкого переходу до основного металу. У конструкціях, що сприймають динамічні навантаження, кутові шви повинні виконуватися з плавним переходом до основного металу;

− усі кратери повинні бути заварені.

− наплавлений метал повинен бути щільним по всій довжині шва, не мати тріщин і дефектів, що виходять за межі;

− підрізи основного металу допускаються глибиною не більш 0,5 мм при товщині сталі від 4 до 10 мм і не більш 1 мм при товщині сталі понад 10 мм, за винятком випадків, наведених у додаткових правилах;

Залишкові деформації конструкцій, що виникли після зварювання і перевищують величини, наведені, повинні бути виправлені. Виправлення повинне бути виконано способами термічного, механічного або термомеханічного впливу .

3.4.2 Типи зварних з’єднань

За конструктивними ознаками розрізняють стикові , кутові та прорізні шви. Стиковими швами з’єднують елементи, розміщені в одній площині (рис. 3.8 ). Ці шви найраціональніші, бо створюють найменші концентрації напружень.

Їхнім недоліком є необхідність додаткової обробки граней з’єднуваних елементів

значної товщини для забезпечення повного провару .

а – стикове з’єднання і характер силових ліній; б – без обробки;

в.г – односторонні Y- та К-подібні; д,е – двосторонні V- та Х- подібні;

є – криволінійна обробка

Рисунок 3.8- Стикові шви і обробка граней перед зварюванням

Кутові шви утворюються при наплавленні шва у куті , складеному гранями з’єднуваних елементів, які за формою близькі до трикутника . Залежно від положення відносно напрямку дії зусилля кутові шви поділяють на флангові та лобові ( рис.3.9 ) .

а – флангових; б – лобових: в – переріз кутового шва

і характер силових ліній

Рисунок 3.9- З’єднання на кутових швах

Прорізні шви утворюються при заповненні металом прорізів у з’єднуваних

елементах ( рис.3.10 ) . Необхідно зазначити , що виготовлення прорізів дуже

трудомістке .

Рисунок 3.10- Прорізні шви.

За призначенням шви поділяються на робочі ( розрахункові ),які служать для передачі зусиль, та конструктивні, що служать лише для фіксації елементів і не передають значних зусиль. За протяжністю розрізняють шви

суцільні та переривчасті .

Стандарти на електродугове зварювання передбачають такі види з’єднань:

стикове, кутове, таврове, внапустку ( рис. 3.11).

Стикові з’єднання виконують за допомогою стикових швів у балках ,

ригелях , колонах будівель . резервуарах , трубопроводах тощо . Особливо

доцільні вони в листових конструкціях .

Таврові та кутові з’єднання використовують для скріплення взаємно

перпендикулярних елементів , наприклад , поясних швів балок і колон ,

приєднання ребер тощо .

З’єднання внапуск утворюють за допомогою кутових швів і використовують

у більшості монтажних стиків та досить часто у заводських умовах .

Застосування у будівельних конструкціях прорізних швів , електрозаклепок

і переривчастих швів обмежене .

а – стикове; б – кутове; в – таврове; г – внапустку

Рисунок 3.11- Види зварних з’єднань

При конструюванні даної ферми використовують наступні зварювальні вузли рис.3.12. [9]

а б

в

а- зварювання розкосів і опори з косинкою; б – зварювання частин поясу за допомогою накладки; в – зварювання розкосів і опор на косинці в місці з’єднання поясів

Рисунок 3.12 – Зварювальні вузли ферми

При зварюванні даних вузлів ферми застосовується напусткові та таврові види зварних з’єднань.

Напусткове з'єднання (рис.3.13) виконують за допомогою кутових (валикових) швів. Залежно від розміщення шва щодо лінії дії сили кутові шви називаються лобовими , флан­говими, комбінованими і кільцевими.

Рисунок 3.13 – Напусткове зварне з’єднання

Форма поперечного перерізу кутових швів може бути нормальною, випуклою або поліпшеною. Нормальна та поліпшена форми зварних швів досягаються механічною обробкою їх після зварювання. Випукла форма швів сприяє підвищенню концент­рації напружень. Мінімальна концентрація напружень має місце в швах поліпшеної форми при відношенні катетів 1 : 1,5 або 1 : 2 Катет зварного шва k треба брати k ≤ δ (див. рис. 13.2, а), але не менш ніж 3мм при товщині з'єднуваних елементів деталей δ ≥ 3 мм.

Таврове з’єднання використовують при розміщенні з'єднуваних деталей у взаємно перпендикулярних площинах. Це з'єднання виконують без підготовки кромок деталі або з підготовкою кромок . При статичному навантаженні з'єднання підготовку кромок можна не робити. Тоді ка­тет k кутових швів не повинен бути більш ніж 1,2δ, де δ – найменша товщина зварюваних деталей.

3.4.3 Підбір зварювального матеріалу

Для виготовлення кроквяної ферми використовується профільний кутник. Він виготовляється із конструкційної низьколегованої сталі 14Г2. Дана сталь постачається за хімічним складом і механічними властивостями згідно ГОСТу 19282-73. Призначена для виготовлення відповідальних несучих елементів зварних і незварних конструкцій та деталей, які працюють при температурах до -70°С.

Матеріал виробу сталь 14Г2, це низьколегована конструкційна сталь. Дані про хімічний склад та механічні властивості наведені у таблиці 3.2 та табл. 3.3 [10].

Таблиця 3.2 - Хімічний склад у % сталі 14Г2

Хімічнй элемент	Вміст %
Кремній (Si)	0.17-0.37
Мідь (Cu), не більше	0.30
Вуглець (С)	0.14
Марганець (Mn)	1.2-1.6
Нікель (Ni), не більше	0.30
Фосфор (P), не більше	0.035
Хром (Cr), не більше	0.30
Азот (N), не більше	0.008
Сірка (S), не більше	0.040

Таблиця 3.3 – Механічні властивості сталі 14Г2

σ0,2, МПа	σв, МПа	δ, %	ψ, %	KCU, Дж/см2	Згин
335	420	25	55	_	d=1,5a

Для визначення зварюваності сталі порахуємо еквівалентний вміст вуглецю

в сталі за формулою 3.1

_(3.1)

підставивши значення отримаємо:

Се= = 0,35%

Оцінку зварюваності проводимо згідно таблиці 3.4

Таблиця 3.4 – Зварюваність вуглецевих сталей

Група сталей	Зварюваність	Еквівалент Секв, %	Технологічні заходи
			Підігрів		термообробка
			Перед зварюванням	під час зварювання	перед зварюванням	під час зварювання
1	Хороша	< 0,25	-	-	-	Бажана
2	Задовільна	0,25 - 0,35	Потрібний	-	Бажана	Потрібна
3	Обмежена	0,35 - 0,45	Потрібний	Бажаний	Потрібна	Потрібна
4	Погана	> 0,45	Потрібний	Потрібний	Потрібна	Потрібна

Низьколегована сталь 14Г2 володіє задовільною зварюваністю, зварювання проводять із підігрівом, термообробку застосовують для зменшення деформацій і напружень.

Для зварювання даної конструкції вибираємо напівавтоматичне зварювання в середовищі захисних газів, використовуючи зварювальний дріт Св-08Г2С і захисний газ СО₂.

Суть способу зварювання в захисних газах полягає в тому, що для захисту розплавленого металу від шкідливої дії кисню і азоту повітря у зону дуги, яка горить між зварюваним виробом і плавким або неплавким електродом, крізь сопло пальника безперервно подається струмінь захис­ного газу, що відтискає повітря від місця зварювання. Цей спосіб зварювання, в порівнянні з ручним дуговим зварюванням, володіє рядом переваг: вища продуктивність зварювання у 5-7 разів, якісніше зварне з’єднання, менший коефіцієнт втрат.

Зварювальний дріт СВ-08Г2С призначений для зварювання вуглецевих і низьколегованих сталей типу Ст3, Ст20, Ст35сп, Cт4 , 15ГС, 20ГСЛ, 09 М2С, 14Г2, у вуглекислому газі , газових сумішах і під флюсом. ГОСТ 2246-70 . Хімічний склад дроту вказаний в таблиці 3.5[10].

Таблиця 3.5 - Хімічний склад дроту СВ-08Г2С , % .

Хімічний елемент	С	Mn	Si	Cr	Ni	S	P
Вміст елементу у %	0,10	1,70-2,20	0,60-0,85	0,20	0,25	0,025	0,030

При зварюванні в середовищі вуглекислого газу частина вуглекислого газу при високій температурі в стовпі дуги дисоціює з утворенням оксиду вуглецю і вільного кисню відповідно рівнянню (3.2) .

; (3.2)

Гази взаємодіють з розплавленим металом , окислюючи окремі його компоненти . При зварюванні низьковуглецевої сталі спостерігаються значні втрати марганцю і кремнію . Окислення розплавленого металу відбувається у відповідності з рівнянням (3.3) .

; (3.3)

Оксид заліза вступає в реакцію з марганцем і кремнієм , утворюючи сполуки і , які піднімаються на поверхню розплавленого матеріалу (3.4), (3.5) .

; (3.4)

; (3.5)

В зв’язку з цим для зварювання в вуглекислому газі вуглецевих конструкційних сталей використовують дріт CВ-08Г2С по ГОСТ 2246-76 , легований кремнієм і марганцем .[11]

Вуглекислий газ (СО2), не має кольору і запаху . Одержують його з газоподібних продуктів згоряння антрациту або коксу , при випалі вапняку й т.д. Поставляється в зрідженому стані в балонах типу А місткістю 40 л , у який при максимальному тиску 7,5 МПа вміщається 25 кг вуглекислоти ( при випарі утвориться близько 12750 л газу) . Для зварювання використають зварювальну вуглекислоту . Чистота вуглекислоти першого сорту повинна бути не менш 99,5

відсотків , а вищого - 99,8 відсотків . Балони з вуглекислотою офарбовують у чорні кольори з жовтим написом «СО2 зварювальний» . Застосовується при

зварюванні низьковуглецевих і деяких конструкційних і спеціальних сталей .[9]

3.4.4 Розрахунок зварних швів

Правильний вибір режимів зварювання відіграє вирішальну роль при формуванні зварного з’єднання та його подальшої експлуатаційної надійності, оскільки причини виникнення майже всіх технологічних дефектів – це неправильний підбір зварювальних режимів.

Режимом зварювання називається сукупність характеристик зварювальних процесів, що забезпечують отримання зварних з'єднань заданих розмірів, форми і якості.

Розрахунок режимів зварювання для стикового напусткового з’єднання, виконаного напівавтоматичним зварюванням в середовищі захисних газів. (рис. 3.14)

Рисунок 3.14- Переріз нахлестового зєднання H2

1) Вибираємо катет кутового з’єднання . В даному випадку катет з’єднання дорівнює К=10мм.

2) Визначаємо силу, рід і полярність зварювального струму .

2.1) Зварювання в СО2 проводять на постійному струмі зворотної полярності , тому що при прямі полярності процес зварювання характеризується великим розбризкуванням , навіть при зварювані на значно малому струмі . Це призводить до зменшення глибини провару . Крім того зварювання на прямі полярності призводить до збільшенням окислення елементів і підвищеною схильністю до поро утворення.

2.2) Розрахунок зварювального струму , А , при зварюванні дротом суцільного перетину здійснюється за формулою (3.6) :

; (3.6)

де а – густина струму в електродному дроті , А/мм² (при зварюванні в

вуглекислому газі а =110 ÷ 130  А/мм²  ; d_е – діаметр електродного дроту мм.

Механізовані способи зварювання дозволяють застосовувати значно більші щільності струму в порівнянні з ручним зварюванням. Це порозумівається меншою довжиною вильоту електрода.

Для того, щоб знайти силу зварювального струму потрібно знайти діаметр електродного дроту.[9]

В основу вибору діаметра електродного дроту покладені ті ж принципи , що й при виборі діаметра електрода при ручному дуговому зварюванні, які полягають в залежності від товщини металу . Діаметр дроту вибирається із таблиці 3.6.

Таблиця 3.6 - Залежність діаметру електродного дроту від товщини металу.

Товщина металу, мм	1- 2	3-6	6-24 і більше
Діаметр електродного дроту dе , мм	0,8-1,0	1,2-1,6	2,0

Таким чином , діаметр електродного дроту становить d_е =2мм.

Iзв=

3) Визначаємо напругу на дузі.

Напруга на дузі визначається наступною формулою (3.7) .

Uд=20+ ; (3.7)

де Ізв-сила зварювального струму, А, d_е – діаметр зварювального дроту, мм .

Uд=20+

4) Визначаємо швидкість подачі електродного дроту.

Швидкість подачі електродного дроту визначається за наступною формулою (3.8) .

; (3.8)

де α_Р – коефіцієнт розплавлювання дроту, г/А· год ;  ρ – густина металу електродного дроту , г/см³ (для сталі ρ  =7,8 г/см³) .

Значення α_Р  розраховується по формулі (3.9) :

; (3.9)

_{г/А год}

5) Визначимо швидкість зварювання .

Швидкість зварювання , м/год , розраховується по формулі (3.10) :

; (3.10)

де α_Н - коефіцієнт наплавлення, г/А год;  α_Н  =  α_Р·(1-Ψ) , де Ψ – коефіцієнт втрат металу на угар и розбризкування . При зварювані в середовищі вуглекислого газу Ψ = 0,1- 0.15%; F - площа поперечного січення одного валика , мм² .

6) Визначаємо площу поперечного перерізу наплавленого металу F , мм² .

Площу поперечного перерізу наплавленого металу може бути розрахована за формолою (3.11) :

; (3.11)

де F- площа поперечного перерізу наплавленого металу , Кy - коефіцієнт збільшення , який враховує наявність зазорів і випуклості , К - катет шва .

Звідси Ку вибираємо в залежності від катету шва Ку=1,25.

Звідси , знайдемо швидкість зварювання :

7) Маса наплавленого металу.

Маса наплавленого металу , г, при зварюванню розраховується по наступній формулі (3.12) :

; (3.12)

де l – довжина шва, вона рівна 2132 мм ; ρ – густина наплавленого металу (для сталі ρ=7,8 г/см³) ;

8) Визначаємо розхід вуглекислого газу .

Кількість витраченого газу значній мірі впливає на якість зварного шва . Кількість витрати газу залежить від режиму зварювання та форми і розміру зварювального виробу . Зі збільшенням витрати газу зменшується значення коефіцієнтів наплавлення та розплавлення . Оскільки стовп дуги охолоджується вуглекислим газом , що поступає в зону зварювання. Залежність витрати газу від сили струму вибираємо з таблиці 3.7. [10].

Таблиця 3.7 - Залежність витрати газу від сили зварювального струму.

Сила зварювального струму, А	50÷60	90÷100	150 ÷160	220÷240	280÷300	360÷380	430÷450
Напруга дуги, В	17-28	19-20	21-22	25-27	28-30	30-32	32-34
Витрата газу, л/хв	8-10	8-10	9-10	15-16	15-16	18-20	18-20

В даному випадку при зварювані силою струму 340 А розхід становить 19 л/хв.

9) Визначаємо виліт електродного дроту .

В даному випадку виліт електроду визначаєть виходячи із катету шва, для нашого випадку він рівний 2 – 2,5см.

10) Визначаємо час горіння дуги.

Час горіння дуги , год ,  визначається по формулі (3.13):

(3.13)

11) Визначаємо повний час зварювання:

Повний час зварювання , год, визначається по формулі (3.14) :

; (3.14)

де k_п – коефіцієнт використання зварювального поста , ( k_п= 0,6 ÷ 0,57).

12) Визначаємо витрату електродного дроту

Витрата електродного дроту , г, розраховується по формулі (3.15) :

; (3.15)

де G_H – маса наплавленого металу , г ; Ψ  – коефіцієнт втрат , ( Ψ  = 0,1 - 0,15)

13) Визначаємо витрату електроенергії .

Витрата електроенергії А , кВт· год, визначається по формулі ( 3.16):

; (3.16)

де U_Д– напруга дуги , В; η – КПД джерела живлення: при постійному струмі 0,6÷0,7, при змінному  0,8÷ 0,9; W_O– потужність джерела живлення, що працює на холостому ході, кВт. На постійному струмі Wо = 2,0÷ 3,0 кВт, на змінному – Wо = 0,2÷ 0,4 кВт.

Перед початком зварювання необхідно відрегулювати витрату газу й

почекати 20-30 секунд до повного видалення повітря зі шлангів . Перед запалюванням дуги необхідно стежити , щоб виліт електрода з мундштука не перевищував 20 — 25 мм . Рух пальника повинне здійснюватися без затримки дуги на зварювальній ванні , тому що ця затримка викликає посилене розбризкування металу . Зварювання в нижнім положенні виробляються з

нахилом пальника під кутом 5 — 15° уперед або назад . Переважніше вести зварювання кутом назад , тому що при цьому забезпечується більше надійний захист зварювальної ванни . При механізованому зварюванні металу малої товщини 1-2 мм поперечних коливальних рухів не роблять . Зварювання ведуть на максимальній довжині дуги , з максимальною швидкістю . При достатньому газовому захисті уникають пропалів і забезпечують нормальне формування шва . Пальник ведуть кутом назад , при цьому кут нахилу становить 30-45°.

Стикові з'єднання при товщині металу 1,5-3 мм зварюють у висячому положенні. Більше тонкий метал зварюють у вертикальному положенні на спуск (зверху вниз) , провар досягається за один прохід . Зварювання з'єднань в напустку при товщині металу 0,8-2,0 мм частіше роблять у висячому положенні й рідше - на мідній підкладці . При якісному складані в напустку з'єднань представляється можливим значно збільшити швидкість зварювання. Коливальні рухи пальником при зварюванні більших товщин ті ж , що й при ручному зварюванні . При зварюванні з перекриттям для зменшення пор застосовуються поздовжні коливання пальника уздовж осі шва , що забезпечує більше повне видалення водню зі зварювальної ванни .

Зварювання в середовищі вуглекислого газу є високопродуктивним процесом. У масовому й багатосерійному виробництві працюють слюсарі-збирач і , які звільняють зварника від складальних операцій . Зварювальний пост у цьому випадку обладнається крім зварювальної апаратури спеціальними : пристосуваннями для забезпечення високої продуктивності зварювальних робіт при гарантованій якості зварених вузлів [12].