Файл: Э. Э. Гертнер к т. н., доцент.pdf

11
Изм. Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
ДП 44.03.04.080 ПЗ
Рассчитать массу каждого элемента по формуле 1:
М
верхняя полка
= 6 · 152 · 6000 · 7,8 = 42,7 кг
М
боковая стенка
= 6 ∙ 288 ∙ 6000 ∙ 7,8 = 80,9 кг
М
балки
= 123,6 кг
Общая масса балки 123,6 кг, а масса всего стеллажа, вместе с массой сварных соединений составил 164,8 кг.
1.1.3 Выбор листового металла
Для изготовления балок коробчатого сечения используют листы из ста- ли 16ГС. Сталь 16ГС - конструкционная, для сварных конструкций, низколе- гированная качественная кремнемарганцовистая.
Сортаментом предусмотрены листы толщиной стенки от 5 до 10 мм.
Для своей конструкции выбираю лист с габаритными размерами
6x1500x6000 ГОСТ 5520, из данного листа можно вырезать 9 полос металла для верхних полок, либо 5 полос для боковых стенок.
1.1.4 Химический состав и механические свойства стали 16ГС
Таблица 3 - Химический состав Стали 16ГС по ГОСТ 19281-2014, % [1]
Химический элемент
Содержание, %
Кремний (Si)
От 0,4 до 0,7
Марганец (Мn)
От 0,9 до 1,2
Медь (Сu), не более
0,3
Никель (Ni), не более
0,3
Сера (S), не более
0,035
Углерод (С)
0,12-0,18
Фосфор (Р), не более
0,03
Хром (Сr), не более
0,3
Мышьяк (As), не более
0,08
Азот (N), не более
0,008
Ванадий (V), не более
0,12

12
Изм. Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
ДП 44.03.04.080 ПЗ
Таблица 4 – Механические свойства стали 16ГС при Т=20
o
С
Марка стали
в

МПа;
Т

МПа;

%;

%;
КСU кДж/м
2
Сталь 16ГС
490 325 21
-
590 где,
в

- предел кратковременной прочности;
Т

- предел пропорциональности (предел текучести для остаточной де- формации);

- относительное удлинение при разрыве;

- относительное сужение;
КСU – ударная вязкость [1].

13
Изм. Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
ДП 44.03.04.080 ПЗ
В результате расчета получено HCS = 3,8%, сталь к появлению горячих трещин не склонна.
Расчет оценки стойкости стали к образованию холодных трещин:
Расчетные методы оценки склонности к холодным трещинам используют параметрические уравнения, полученные статистической обработкой экспериментальных данных. Они связывают входные параметры
(химический состав, режимы сварки, тип соединения) с выходными параметрами (температура подогрева, показатель склонности). При этом часто затруднительно использовать все многообразие факторов, определяющих образование холодных трещин. Вероятность появления при сварке холодных трещин можно определить по следующей параметрической зависимости эквивалентного содержания углерода [3]:
С
экв
= С +
????????
24
+
????????
6
+
????????
5
+
????????
40
+
????????
4
+
????
14
,
(3) где C, S, P, Mn и др. – массовые проценты содержания элемента стали, в %
Условия появления холодных трещин:
Если С
экв
≤0,45, значит сталь не склонна к образованию холодных трещин
Если С
экв
=0,41 – 0,45, значит сталь склонна к образованию холодных трещин
Если С
экв
>0,45, то сталь склонна к образованию холодных трещин и является ограниченно-свариваемой сталью.
Расcчитываем С
экв для стали 16ГС по формуле (3)
С
экв
= 0,16 +
0,7 24
+
1,2 6
+
0,3 5
+
0,3 40
+
0,12 14
= 0,41%
С
экв
= 0,41-0,45%, следовательно, данная сталь склона к образованию холодных трещин, но маловероятно.

14
Изм. Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
ДП 44.03.04.080 ПЗ
Меры предотвращения склонности металла шва к образованию холодных трещин:
•
Зачистка кромок
•
Подготовка сварочных материалов (прокалка электродов и флюсов)
•
Предварительный подогрев, последующая термообработка
•
Выбор оптимальной сварки и правильная последовательность наложения швов.
1.2.1 Особенности сварки конструкционной низколегированной
стали
Низколегированные стали получили большое применение в связи с тем, что они, обладая повышенными механическими свойствами, позволяют изго- товлять строительные конструкции более легкими и экономичными. Для изго- товления различных конструкций промышленных и гражданских сооружений применяются стали марок 15ХСНД, 14Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 16ГС и др. Эти ста- ли относятся к категории удовлетворительно свариваемых сталей; содержание углерода не более 0,25% и легирующих примесей не более 3,0%. Следует учи- тывать, что при содержании в сталях углерода более 0,25% существует веро- ятность образования закалочных структур и даже трещин в зоне сварного шва.
Кроме того, выгорание углерода вызывает образование пор в металле шва [4].
Низколегированные стали сваривать труднее, чем низкоуглеродистые конструкционные. Низколегированная сталь более чувствительна к тепловым воздействиям при сварке. В зависимости от марки низколегированной стали при сварке могут образоваться закалочные структуры или перегрев в зоне термического влияния сварного соединения.
Структура околошовного металла зависит от его химического состава, скорости охлаждения и длительности пребывания металла при соответствую-

15
Изм. Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
ДП 44.03.04.080 ПЗ щих температурах, при которых происходит изменение микроструктуры и размера зерен.
При малой скорости охлаждения получают структуру перлит (механи- ческая смесь феррита и цементита). При большой скорости охлаждения аусте- нит распадается на составляющие структуры при относительно низких темпе- ратурах и образуются структуры - сорбит, троостит, бейнит и при очень высо- кой скорости охлаждения - мартенсит. Наиболее хрупкой структурой является мартенситная, поэтому не следует при охлаждении допускать превращения аустенита в мартенсит при сварке низколегированных сталей.
Скорость охлаждения стали, особенно большой толщины, при сварке всегда значительно превышает обычную скорость охлаждения металла на воздухе, вследствие чего при сварке легированных сталей возможно образо- вание мартенсита [3].
Режим сварки необходимо подбирать так, чтобы не было большого ко- личества закалочных микроструктур и сильного перегрева металла. Тогда можно производить сварку стали любой толщины без ограничений при окру- жающей температуре не ниже -10 °С. При более низкой температуре необхо- дим предварительный подогрев до 120-150 °С. При температуре ниже -25 °С сварка изделий из закаливающихся сталей запрещается.
1.3 Выбор способа сварки
1.3.1 Ручная дуговая сварка покрытым электродом
Область применения ручной дуговой сварки широка: метод использует- ся во всех отраслях промышленности для различного рода конструкций из черных и частично цветных металлов.
При ручной дуговой сварке покрытыми металлическими электродами, сварочная дуга горит с электрода на изделие, оплавляя кромки свариваемого изделия и расплавляя металл электродного стержня и покрытие электрода.

16
Изм. Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
ДП 44.03.04.080 ПЗ
Кристаллизация основного металла и металла электродного стержня об- разует сварной шов.
Рисунок 2 – Схема сварки покрытым металлическим электродом
Электрод состоит из электродного стержня и электродного покрытия.
Электродный стержень – сварочная проволока; электродное покрытие
– многокомпонентная смесь металлов и их оксидов. По функциональным при- знакам компоненты электродного покрытия разделяют:
• Газообразующие:
1. Защитный газ;
2. Ионизирующий газ;
• Шлакообразующие:
- для физической изоляции расплавленного металла от активных газов атмосферного воздуха;
1. Раскислители;
2. Рафинирующие элементы;
3. Легирующие элементы;
• Связующие;
• Пластификаторы;

17
Изм. Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
ДП 44.03.04.080 ПЗ
Зажигание (возбуждение) производиться двумя способами. При первом способе электрод подводят перпендикулярно к месту начала сварки и после сравнительно легкого прикосновения к изделию отводят верх на расстояние
25 мм. Второй способ напоминает процесс, зажигая спички. При обрыве дуги повторное зажигание ее осуществляется впереди кратера на основном металле с возвратом к наплавленному металлу для вывода на поверхность загрязне- ний, скопившихся в кратере. После этого сварку ведут в нужном направлении.
Преимущества электросварки металлическим электродом благодаря вы- сокой температуре дуги (4500-6000 ºC по Цельсию) и концентрированному нагреву заключаются в том, что по сравнению с газовой и атомно-водородной сваркой, она обеспечивает большую скорость, малую зону температурного влияния, малое коробление и возможность управлять механическими свой- ствами наплавленного металла путем введения в покрытие различных леги- рующих элементов, которые содержат электроды для сварки.
Недостатки процесса ручной дуговой сварки:
• Отсутствие возможности регулирования глубины проплавления метал- ла и скорости плавления электрода, вследствие чего при сварке тонкого мате- риала возникают большие трудности в получении качественного шва;
• Большой срок, затрачиваемый на подготовку квалифицированных сварщиков (1-2 года);
• Зависимость качества сварки от индивидуальных особенностей свар- щика;
• Наличие шлака с обратной стороны шва при односторонней сварке за- мыкающих швов для некоторых конструкций, в которых внутренняя поверх- ность покрывается защитными неорганическими покрытиями [5].
1.3.2 Сварка под флюсом
Сущность процесса сварки под флюсом определяет его особенности по сравнению с ручной дуговой сваркой.

18
Изм. Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
ДП 44.03.04.080 ПЗ
Производительность по сравнению с ручной сваркой увеличивается в 5-
12 раз. При сварке под флюсом ток по электродной проволоке проходит толь- ко в ее вылете (место от токоподвода до дуги). Поэтому можно использовать повышенные (25-100 А/мм
2
) по сравнению с ручной дуговой сваркой (10-20
А/мм
2
) плотности сварочного тока без опасения значительного перегрева электрода в вылете и отслаивания обмазки, как в покрытом электроде.
Использование больших сварочных токов резко повышает глубину про- плавления основного металла и появляется возможность сварки металла по- вышенной толщины без разделки кромок.
Рисунок 3 – Схема сварки под флюсом
При сварке под флюсом (рисунок 3) дуга горит между сварочной прово- локой и свариваемым изделием под слоем гранулированного флюса. Ролики специального механизма подают электродную проволоку в зону дуги. Сва- рочный ток (переменный или постоянный, прямой или обратной полярности) подводится к проволоке с помощью скользящего контакта, а к изделию - по- стоянным контактом. Сварочная дуга горит в газовом пузыре, который обра- зуется в результате плавления флюса и металла. Кроме того, расплавленный металл защищен от внешней среды слоем расплавленного флюса. По мере удаления дуги от зоны сварки расплавленный флюс застывает и образует шлаковую корку, которая впоследствии легко отделяется от поверхности шва.

19
Изм. Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
ДП 44.03.04.080 ПЗ
Автоматическую сварку под флюсом выполняют электродной проволо- кой диаметром 2 – 6 мм. Равнопрочность соединения достигается подбором флюсов, сварочных проволок и выбором режимов и техники сварки. При сварке низкоуглеродистых сталей и большинстве случаев применяют флюсы
АН-348-А и ОСЦ-45 и низкоуглеродистые электродные проволоки Св-08 и
Св-08А. При сварке ответственных конструкций, а также металла с большим количеством ржавчины рекомендуется использовать электродную проволоку
Св-08ГА. Использование указанных материалов позволяет получить металл шва с механическими свойствами, равными или превышающими механиче- ские свойства основного металла. При сварке низколегированных сталей ис- пользуют те же флюсы и электродные проволоки Св-08ГА. Св-10ГА, Св-10Г2 и другие. Легирование металла шва марганцем из проволоки, кремнием при проваре основного металла, при подборе соответствующего термического цикла (погонной энергии) позволяет получить металл шва с требуемыми ме- ханическими свойствами. Использованием указанных материалов достигается высокая стойкость металла швов против образования пор и кристаллизацион- ных трещин. При сварке без разделки кромок увеличение доли основного в металле шва и поэтому некоторое повышение в нем углерода может изменить прочностные свойства и понизить пластические свойства в металле шва.
При сварке низколегированных термоупрочненных сталей для преду- преждения шва в зоне термического влияния следует использовать режимы с малой погонной энергией, а при сварке нетермоупрочненных, с повышенной погонной энергией. Для обеспечения пластических свойств металла шва и околошовной зоны на уровне свойств основного металла во втором случае следует выбирать режимы, обеспечивающие получение швов повышенного сечения, применять двухдуговую сварку или производить предварительный подогрев металла до 150-200 °С.
К преимуществам данного способа сварки можно отнести:
1. Высокая производительность, превышающая производительность ручной дуговой сварки в 5-10 раз. Достигается она за счёт использования сва-

20
Изм. Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
3
ДП 44.03.04.080 ПЗ рочного тока значительной силы, и, как следствие этого, за счёт глубокого проплавления свариваемого металла. А также за счёт того, что отсутствуют угар и разбрызгивание металла, а, следовательно, исключаются потери метал- ла. Кроме этого, высокая производительность обеспечивается вследствие ав- томатизации процесса сварки металла.
2. Применение флюса повышает качество сварки, образуя защитную плёнку вокруг зоны сварки и препятствует проникновению в неё окружающе- го воздуха. Кроме того, флюс, на поверхности расплавленного металла обла- дает низкой теплопроводностью и препятствует быстрому остыванию жидко- го металла. Вследствие этого газы и неметаллические включения успевают всплыть па поверхность сварочной ванны и выйти из неё до того, как металл начнет кристаллизоваться.
3. Процесс автоматической сварки под флюсом полностью механизиро- ван, что позволяет уменьшить до минимума трудоёмкий и дорогостоящий ручной труд и снизить квалификацию сварщика. А технология ручной дуго- вой сварки подразумевает ручной труд и для выполнения этих работ требует- ся сварщик более высокой квалификации.
4. Электрическая дуга при автоматизированной сварке получается более стабильной, т.к. находится под защитным слоем сварочного флюса.
5. При автоматической сварке потери электродного металла не превы- шают 2-5%, так как угар металла и его разбрызгивание практически отсут- ствуют. Для сравнения, при ручной сварке потери металла из-за его угара и разбрызгивания достигают 20%, а в некоторых случаях 30%.
6. При автоматической сварке коэффициент использования теплоты от электрической дуги более высокий, чем при ручной сварке. Это позволяет су- щественно экономить электроэнергию. Экономия может достигать 40%.
7. Улучшенные условия работы сварщика. Зона сварки закрыта непро- ницаемыми слоями флюса и шлака, которые исключают проникновение окружающего воздуха в зону сварки. Но также эти слои препятствуют выде- лению вредных газов и пыли из сварочной зоны в воздух. Поэтому, для уда-