Николаев Г. А. - Расчет проектирование и изготовление сварных конструкций

Николаев Г. А. и др.

Н63 Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций.

Учеб. пособие для машиностроит. вузов. М., «Высш. школа», 1971. 760 с. с илл.

Перед загл. авт.: Г. А. Николаев, С. А. Куркин, В. А. Винокуров.

В книге изложены основные вопросы по прочности и расчету сварных соединений и конструкций, сварочным напряжениям и деформациям, технологии производства сварных конструкций и др. Приведено большое количество примеров конструктивных решений. Методика расчета сварных конструкций также иллюстрирована примерами.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемая книга является учебным пособием по нескольким дисциплинам специальности 0504 «Оборудование и технология сварочного производства».

В учебном пособии изложены основные вопросы прочности и расчета сварных соединений и конструкций, сварочных напряжений и деформаций, технологии производства сварных конструкций, входящие в программы дисциплин «Сварные конструкции» и «Технология производства сварных конструкций». Некоторые главы освещают вопросы, изучаемые на старших курсах в дисциплине «Специальные главы сварных конструкций».

Авторы стремились изложить материал книги с учетом последних исследований прочности сварных соединений и новейшего опыта производства сварных конструкций как у нас в стране, так и за рубежом.

В учебном пособии использованы материалы научных исследований, проведенных на кафедре «Машины и автоматизация сварочных процессов» МВТУ им. Баумана, а также в других организациях.

Главы I, II, IV, V, VIII, X, XIV, XV, XVII (кроме § 7), XVIII (кроме § 15), XIX, XXI, а также § 1 и 2 главы XIII, § 1 главы XXIII написаны Г. А. Николаевым.

Главы III, XVI, XX, XXII, XXI]I (кроме § 1), XXIV, а также § 2 главы XII, § 3 и 4 главы XIII, § 7 главы XVII, § 15 главы XVIII написаны С. А. Куркиным.

Главы VI, VII, IX, XI, XII (кроме § 2) написаны В. А. Винокуровым.

ГЛАВА I

ВВОДНАЯ

Сварка является одним из наиболее прогрессивных методов обработки металлов и неметаллических материалов. Впервые в 1882 г. талантливый русский изобретатель Н. Н. Бенардос предложил способ соединения и разделения металлов непосредственно действием электрического тока с применением угольной дуги. Этот способ сварки угольной дугой носит его имя. В 1888—1890 гг. горный инженер Н. Г. Славянов разработал метод электрической сварки металлов металлическим электродом.

Широкое развитие дуговая сварка металлов получила лишь после Великой Октябрьской социалистической революции. С 1932 г. применение сварки вместо клепки в конструкциях стало не только рекомендованным, но и обязательным в ряде объектов строительных конструкций. С этого же периода научно-исследовательские институты начали проводить работы по созданию электродов высокого качества. Со второй половины 30-х годов сварка получила новое широкое применение в различных отраслях машиностроения: на автомобильных заводах в Москве и Горьком, при изготовлении всевозможных деталей и узлов машин на Ново-Краматорском заводе и др.; в энергомашиностроении (Металлический завод в Ленинграде); при сооружении строительных конструкций. В эти же годы в СССР было сооружено несколько сварных железнодорожных мостов.

С 40-х годов в СССР в результате деятельности Института электросварки АН УССР в первую очередь его основателя Е. О. Патона (именем которого назван Институт), а также других организаций начинается успешное применение в промышленности автоматической и полуавтоматической сварки под слоем флюса, которое сыграло выдающуюся роль сначала в период Великой Отечественной войны при создании вооружения, а позднее в деле широкого внедрения передовых методов сварки во всех отраслях народного хозяйства. С этого же времени получают распространение сварные конструкции не только из углеродистых, но и из различных легированных сталей, а также из сплавов цветных металлов в наиболее ответственных машиностроительных и строительных конструкциях, работающих при статических и динамических нагрузках при низких и. высоких температурах.

Замечательными достижениями советской техники, отмеченные Ленинскими премиями, являются созданные силами Института электросварки имени Е. О. Патона и разработанные на ряде заводов методы индустриального изготовления сварных листовых конструкций (резервуаров и т. д.); электрошлаковая сварка, сыгравшая большую роль в развитии советского тяжелого машиностроения; разработанный несколькими организациями способ сварки в среде углекислого газа, а также метод контактной сварки с непрерывным оплавлением.

В 50-е годы получили развитие различные автоматические и механизированные методы сварки. Непрерывно расширяется метод сварки под слоем флюса. За последнее десятилетие в СССР значительных успехов достигло развитие методов сварки в среде аргона плавящимся и вольфрамовым электродами, в среде углекислого газа, электрошлаковой, а также автоматизированных методов контактной сварки. В СССР внедряются новые сварочные процессы: холодная сварка, сварка трением, сварка токами высокой частоты, ультразвуковая сварка, вибронаплавка, электроннолучевая и диффузионная сварки, сварка взрывом, различные процессы пайки металлов и сплавов и др.

Развитие сварочной техники происходило в СССР параллельно с развитием науки о сварке. В настоящее время в СССР над изучением основных проблем сварочной техники работает сеть научно-исследовательских институтов, вузов и заводских лабораторий.

Решениями XXI и XXII съездов КПСС принята грандиозная программа нового технического вооружения промышленности и поставлены перед сварщиками новые задачи исключительной важности.

Значительно увеличивается объем производства сварных конструкций во всех областях техники, особенно в машиностроении. В 1965 г. сварено всего 25 млн. т конструкций, из них: в промышленности— 15 млн. т, в строительстве — 7,6 млн. т. За семилетие уровень механизации сварочных работ вырос более чем в 4 раза по сравнению с 1958 г.; уровень механизации наплавочных работ достиг 42%, а объем производства сварочного оборудования увеличился в 5 раз; в 2,5 раза вырос выпуск инженеров и техников по сварочному производству. Значительное развитие получила наука о сварке.

Созданы комбинированные изделия из проката, отливок и поковок, соединяемые различными методами сварки, главным образом электрошлаковым. Используются всевозможные стали, сплавы из цветных металлов, расширяется применение листового проката, гнутых и штампованных профилей, максимально индустриализуется производство изделий.

Большое внимание уделено расширению выпуска электросварочного оборудования: дуговых автоматов для сварки под слоем флюса, в среде защитных газов и т. д., контактных машин, оборудования для сварки новыми методами на основе их типизации. Значительно возрос уровень автоматизации сварочных работ: в среднем 40% всех сварочных работ в промышленности, 20% в строительстве и 100% при изготовлении труб выполняются автоматами. Реконструирована база производства электродов и флюсов, значительно увеличен объем применения наплавочных работ, организованы показательные заводы и цехи.

Согласно решениям XXIII съезда КПСС и постановлению Правительства объем производства сварных конструкций в 1970 г. возрастет в 1,5 раза по сравнению с 1965 г. При этом автоматизация сварочных работ составит в среднем 51,5%, из них 60% по промышленности и 32% по строительству. Прогрессивные методы сварки возрастут в 1970 г. по сравнению с 1965 г.: в среде защитных газов в 1,5 раза; электрошлаковой в 1,5 раза; контактной и дуговой под флюсом в 1,2 раза.

Создаются центросвары и центрорезы для централизованного изготовления типовых узлов конструкций. Особенно важной задачей является освоение сварки прочных сплавов с пределом текучести 150 кГ/мм2 и выше, что позволит достигнуть значительной экономии проката, а также особо чистых металлов (медь, никель, железо), тугоплавких металлов и сплавов (ниобий, вольфрам, тантал).

На рис. 1-1 и 1-2 приведены примеры сварных конструкций, выполненных в СССР и за рубежом.

Сварные конструкции обладают многими преимуществами по сравнению с клепаными. Применение сварки, по сравнению с клепкой, в конструкциях из малоуглеродистых сталей позволяет получить экономию металла: 10^-20% в стропильных фермах, 15-^20% в кранах, 15-^25% в сосудах. Снижение стоимости сварных изделий, по сравнению со стоимостью клепаных, происходит в результате уменьшения веса сварных конструкций и трудоемкости изготовления. Оборудование сварочных цехов проще и дешевле, чем клепальных.

При производстве резервуаров, котлов, вагонов-цистерн, трубопроводов, а также и в судостроении имеет исключительно большое значение возможность получения плотных соединений. При замене клепки сваркой создаются условия бесшумного процесса, что очень важно в вопросах охраны труда и техники безопасности. Перечисленные выше преимущества сварки перед клепкой позволили в настоящее время совершенно вытеснить клепку конструкций почти во всех областях техники. Несмотря на значительные успехи в развитии литейной технологии, сварные конструкции по сравнению с литыми обладают важными преимуществами: уменьшается вес изделий в обработанном виде (чистый вес); при переводе стальных литых изделий на сварные конструкции уменьшение веса иногда достигает 30%, при переводе чугунных — 50-:-60%- Это происходит вследствие того, что размеры литых конструкций часто зависят не только от прочности и жесткости, но и от условий производства литья; уменьшаются припуски на механическую обработку.

Изделия после отливки весьма часто подвергаются механической обработке, и отход металла бывает значительным. В сварных конструкциях указанные потери металла почти отсутствуют, обеспечивается получение высоких механических свойств. В литых изделиях при недостаточно хорошо отработанном технологическом процессе возникают поры, усадочные раковины. По этой причине многие рамы под машины, рамы тележек, корпуса редукторов и т. п., ранее изготовлявшиеся литыми, в настоящее время свариваются.

Капитальные затраты на оборудование сварочных цехов меньше, чем на оборудование литейных. В особенности дорого оборудование сталелитейных цехов. Сварные конструкции экономичнее и целесообразнее литых при индивидуальном и мелкосерийном производстве, а также в конструкциях, имеющих сложные геометрические формы, когда в процессе литья возникают затруднения. Но сварные конструкции уступают литым в экономичности при отливке изделий простых геометрических форм и при крупносерийном и массовом производстве. Сварные конструкции позволяют рационализировать форму поковки, так как сваркой можно заменить одну сложную поковку большого габарита сочетанием двух или нескольких простых поковок или сочетанием поковки с прокатным элементом. Высокая производительность сварочного процесса, хорошее качество сварных соединений и экономичное использование металла способствует тому, что сварочная техника стала ведущим технологическим процессом при изготовлении металлических конструкций всех видов.

ГЛАВА II

МАТЕРИАЛЫ

§ 1. СОРТА СТАЛЕЙ и алюминиевых сплавов

Для сооружения металлических сварных конструкций применяют различные виды стального проката. Углеродистые стали обыкновенного качества (кипящие, полуспокойные, спокойные) поставляются согласно требованиям по механическим свойствам и химическому составу.

Согласно ГОСТ 380 — 60 стали разделяют на три группы:

группа А — сталь, поставляемая по механическим свойствам;

группа Б — сталь, поставляемая по химическим свойствам;

группа В — сталь, поставляемая одновременно по механическим и химическим свойствам.

Выбор способа производства стали марки А (мартеновский, конверторный, бессемеровский) предоставляется заводу при условии, если механические свойства удовлетворяют требованиям табл. 2.1. В стали, поставляемой по группе Б, указывается способ плавки, при этом должны быть удовлетворены требования химического анализа, указанные в табл. 2.2 соответственно для мартеновской и кислородно-конверторной или бессемеровской плавок.

Сталь группы В маркируется буквой «В». Для этой стали должны, гарантироваться механические свойства и химический состав. Эта сталь является более дорогой, по сравнению со сталью групп А и Б, и рекомендуется для наиболее ответственных сварных конструкций.

...