Накопленный опыт производства сварных конструкций, появление новых методов обработки металлов и сварки, ряд исследований выполненных в направлении уменьшения сечений сварных швов, создали базу для получения конструкций с минимальным расходом сварочных материалов.
МГСУ и ООО «Менделеевский завод металлический конструкций» проводит совместный исследования по созданию ресурсосберегающих легких металлических конструкций (ЛМК).
Одним из путей совершенствования сварных металлических конструкций является снижение массы основного и наплавленного металла при одновременном снижении трудоемкости изготовления конструкции. Главный резерв уменьшения массы наплавленного металла в сварных конструкциях заключается в оптимизации размеров угловых швов, на долю которых приходится не менее 90% наплавленного металла. В настоящее время проводится работа по пересмотру нормативных документов на проектирование металлоконструкций с целью снижения удельного расхода наплавленного металла. При этом используются резервы имеющиеся как в конструктивных, так и расчетных угловых швах.
От общего объема наплавленного металла, расходуемого на сварку угловых швов, к категории конструктивных (соединительных) относится около 80% по протяженности и 65% по трудоемкости.
К конструктивным или слабонагруженным швам относятся как швы, размеры которых назначаются без расчета, по техническим соображениям, так и швы, расчетные размеры которых приходится увеличивать до размеров назначаемых по технологическим соображениям.
По действующим на сегодняшний день нормам СНиП II-23-81* минимальные катеты конструктивных швов назначаются по толщине более толстого из соединяемых элементов по таблице 38.
Согласно пункта 12.6,е СНиП II-23-81* соотношение размеров катетов угловых швов следует принимать как правило, 1:1, т.е. принимать равнокатетные швы. При разных толщинах свариваемых элементов допускается принимать швы с неравными катетами; при этом катет, примыкающий к более тонкому элементу должен соответствовать требованиям пункта 12.8,а (катеты угловых швов должны быть не более 1,2t, где t - наименьшая толщина соединяемых элементов), а примыкающий к более толстому элементу - требованиям пункта 12.8,б (катеты угловых швов следует принимать по расчету, но не менее указанных в табл. 38 СНиП II-23-81*).
Ограничение катета примыкающему к более тонкому элементу по максимуму размером 1,2t, без ограничения по минимуму, не имеет смысла и не способствует использованию неравнокатетных конструктивных угловых швов с меньшим катетом в сторону более тонкого элемента.
Проведенные многочисленные исследования механических свойств угловых швов в широком диапазоне изменения толщин и марок свариваемых металлов при различных технологиях сварки позволяют пересмотреть действующие нормативные документы в сторону уменьшения минимальных катетов угловых швов.
И уже на данном этапе предлагается усовершенствовать таблицу 38 СНиП II-23-81* и назначать не равнокатетные швы по толщине более толстого элемента, но равнокатетные швы, с катетами в зависимости от толщин соединяемых элементов. При этом меньший катет разнокатетного шва выполняется в сторону элемента с меньшей толщиной.
Выполнение разнокатетных конструктивных угловых швов не представляет проблем и, повышая технологическую дисциплину сварщика, ведет к резкому сокращению объема наплавляемого металла.
В настоящей работе рассматриваются возможности уменьшения сечений сварных швов при дуговой сварке конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей.
Основные пути сокращения расхода сварочных материалов при дуговой сварке металлоконструкций:
1. Обеспечение заданных размеров сварных швов.
2. Переход на механизированные методы сварки.
3. Использование соединений со швами повышенной прочности.
4. Использование энерго-ресурсосберегающих технологий (разнокатетных швов, швов переменного сечения).
Одним из основных направлений снижения расхода сварочных материалов является обеспечение заданных размеров сварных швов. Анализ многочисленных конструктивных решений выявил превышение действительных сечений сварных швов над проектными на 15-20%.
К увеличению сечений швов приводят следующие факторы:
1. Повышенные и неравномерные зазоры в сварном соединении.
2. Отклонения от геометрии подготовки кромок.
3. Наличие чрезмерных усилений сварных швов.
4. Ограниченное применение электродных проволок и электродов мелких диаметров.
5. Допустимость превышения размеров швов при предъявлении готовой продукции.
Известно, что механизированные методы дуговой сварки позволяют использовать более высокие плотности тока, чем при ручной сварке. Возрастает проплавляющая способность дуги, и в образовавшемся шве увеличивается доля расплавленного основного металла. Следовательно, при переходе на механизированные методы сварки расход электродных материалов значительно уменьшается.
Одним из основных требований к сварному соединению является обеспечение его равнопрочности, то есть обеспечение равенства прочностных и пластических свойств основного металла и металла шва. В реальных сварных конструкциях это требование не выполняется, так как особенности термического цикла сварки приводят к образованию в зоне термического влияния и в шве участков, имеющих повышенную твердость и уменьшенную пластичность. При растяжении сварных образцов, если в шве отсутствуют существенные дефекты, разрушение обычно происходит в околошовной зоне в непосредственной близости от шва. Наличие участков с повышенной прочностью и уменьшенной пластичностью не оказывает отрицательного влияния на работоспособность сварных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей.
Это позволяет с целью снижения сечения шва использовать в сварных конструкциях швы повышенной прочности с пластичностью не ниже, чем наименее пластичные участки основного металла.
В стыковых соединениях и в угловых соединениях с разделкой кромок применение швов повышенной прочности не имеет смысла, так как необходимо заполнить все сечение, образованное конфигурацией кромок. В угловых и тавровых соединениях без разделки кромок /с допустимым непроваром/ в швах с повышенной прочностью может быть уменьшена величина катета.
Расчетное определение величины катета в угловом и тавровом соединении, а также его назначение по толщине соединяемых элементов, основано на равнопрочности основного металла и металла шва.
Одним из технологических приемов является выполнение неравнокатетных швов в несимметричную «лодочку», позволяющую увеличить протяженность границы сплавления с соответствующим сокращением наплавленного металла. Известно, что значительная экономия электродного металла может быть получена при применении прерывистых швов, которые обычно рекомендуется применять в малонагруженных соединениях. Однако применение прерывистых швов сдерживается необходимостью дополнительной разметки свариваемых участков, а также заваркой кратера и повторным возбуждением дуги. Последнее особенно затруднительно при сварке под флюсом. Для слабонагруженных соединений и соединений с локальными, сосредоточенными в отдельных узлах нагрузками, следует рекомендовать сварку швами переменного сечения /синусоидальными/. Такой шов может выполняться при переменной скорости автомата.
Существенные преимущества в обеспечении снижения объема наплавленного металла дают методы сварки с наложением управляющих импульсов. Но при сварке в углекислом газе, наиболее распространенной для конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, применение управляющих импульсов малоэффективно. В этом случае эффективна сварка с импульсной подачей электродной проволоки, и сварка от источников питания с вольтамперной характеристикой, сочетающей крутопадающую форму при малых токах с жесткой или полого падающей формой при больших токах. При сварке с импульсной подачей электродной проволоки значительно облегчается достижение номинальных размеров швов, снижается количество дефектов. Расход сварочных материалов уменьшается в пределах 15-17%.
Применение автоматических методов сварки позволяет, за счет существенного повышения плотности тока в электроде, увеличить глубину проплавления с соответствующим снижением доли наплавленного металла в сварном шве.
При сварке с использованием источников питания с изменяющейся вольтамперной характеристикой повышается напряжение зажигания дуги, снижается ток короткого замыкания, в промежутке между двумя замыканиями дугового промежутка увеличивается скорость нарастания тока, увеличивается давление дуги на сварочную ванну, сварка ведется при большем среднем значении напряжения на дуге. Перечисленные преимущества позволяют выполнять сварку вертикальных и наклонных швов тавровых соединений толщиной до 12 мм сверху вниз. При этом достигается нормальная или слегка вогнутая форма шва, увеличивается развар стенок соединения обеспечивается провар вершины шва. Все это позволяет экономить до 20% сварочных материалов и повышает скорость сварки не менее чем в 2,5 раза.
Приведенные приемы не исчерпывают всех применяемых способов, направленных на экономию сварочных материалов. В каждом конкретном случае и конструктор, и технолог должны, пользуясь указанными рекомендациями, другими типовыми конструкторскими и технологическими разработками, стремиться предусмотреть в технической документации и реализовать в производстве решения, обеспечивающие минимальное расходование сварочных материалов.
Совершенствование ЛМК на стадиях расчета, конструирование и применение современных энерго-ресурcосберегающих технологий позволит создавать конкурентоспособную продукцию.

Белов В.А.
к.т.н.
доцент МГСУ

вернуться к списку статей