Расчёт устойчивости сварных конструкций

СОДЕРЖАНИЕ 
 

ВВЕДЕНИЕ 3

1.АНАЛИТИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 4

1.1.Материалы сварных конструкций 4

1.2.Виды сварных швов и соединений 7

1.3.Типовые сварные конструкции 9

2.РАСЧЕТНО-ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ 13

2.1.Расчет устойчивости стоек 13

3.ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18

4.ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 20 
ВВЕДЕНИЕ 

    Сварка  является одним из основных технологических  процессов в машиностроении, строительстве  и других отраслях промышленности. Она позволила внести корректные изменения в технологию производства с вытеснением клепаных конструкций  и создать принципиально новые  конструкции машин.

    Сварке  подвергаются практически любые  металлы и неметаллы в любых  условиях – на земле, в воде, в  Космосе.

    Толщина свариваемых деталей колеблется от микронов до метров, масса конструкций  – от граммов до сотен тонн.

    Зачастую  сварка является единственно возможным  способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения  заготовок, максимально приближенных к форме и размером готовой  детали или конструкции.

    До 70% мирового потребления стального  проката идет на производство сварных  конструкций и сооружений.

    Сварные конструкции бывают машиностроительные, строительные и технологические.

    Достоинства сварных конструкций перед клепаными:

    · экономия металла, электроэнергии и труда;

    · сокращения сроков изготовления и меньший вес конструкций;

· возможность наносить слои определенных составов для получения     нужных свойств конструкций (по износостойкости, жара и коррозионной стойкости, антифрикционной и т.д.).

    К недостаткам относятся пониженная долговечность сварных конструкций  при вибрационных и знакопеременных  рабочих нагрузках, а также невозможность  получения надежных сварных соединений из некоторых разнородных металлов.В этих случаях до сих пор оправдано применение клепаных конструкций.

 

1.АНАЛИТИТИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ 

1.1.Материалы  сварных конструкций 

    Для конструкций применяются только стали, относящиеся к углеродистым, низколегированным и в небольших количествах – к среднелегированным сталям. Это ограничение связано со свариваемостью сталей и пригодностью сварных узлов.

    Сварные конструкции должны быть прочными, жесткими и надежными, а также  экономичными и минимально трудоемкими. Исходя из этих требований выбирают и соответствующие марки сталей. В промышленности России применяют более 400 различных марок сталей, но для сварки узлов и конструкций применяют только около 40 марок прокатной стали. Для сварных узлов и конструкций применяются следующие группы сталей:

• сталь конструкционная, углеродистая, обыкновенного качества, общего назначения, например от стали В Ст. 2 (КП, ПС, СП) до стали В Ст. 3Г ПС;
• сталь конструкционная, углеродистая, качественная, например, сталь 10 (КП, ПС), сталь 20 (КП, ПС), сталь 35, сталь 15К, сталь 20К и др.;
• сталь конструкционная, низколегированная для сварных конструкций ответственного назначения, например, 09Г2, сталь 14Г2, стали 12ГС, 17ГС, 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД и др.;
• сталь конструкционная, легированная, например, стали: 15Х, 20Х, 18ХГТ, 30ХГТ, 20ХГСА, 30ХГСА, 20ХН, 12ХН3А, 20Х2Н4А, 12ГН2МФАЮ и др.;
• сталь конструкционная, теплоустойчивая, например, сталь 12МХ, сталь 12М1МФ, сталь 25Х2М1Ф и др.;
• стали и сплавы коррозийно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие. Из 50 марок этой группы сталей наиболее часто применяются для сварных изделий следующие стали: 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 08Х18Н10; 20Х23Н18 – как лучшая для изготовления цементационных реторт в термическом производстве.

    В перечисленных группах сталей в  качестве примеров приведены только некоторые марки, применяемых для  сварных изделий. 

    Существует  много различных марок алюминия, но не все имеют хорошую свариваемость. Например, сплав алюминия с медью (4-5% Cu) Д16, Д1, называемый дюралюминием, имеет плохую свариваемость и для сварочных конструкций не применяется, а соединяется клепкой. Прочность дюралюминия выше прочности низкоуглеродистой стали. Свойства алюминия:

• удельный вес 2,7 г/;
• температура плавления 660ºС;
• высокая теплопроводность – в 3 раза выше, чем у железа;
• высокий коэффициент теплового расширения – в 2 раза больше, чем у железа, который способствует увеличению деформаций.

    Абсолютное  большинство сварных конструкций  изготавливается из деформируемых, термически не упрочняемых алюминии-магниевых и алюминии-марганцевых сплавов. Для термически упрочняемых сплавов сварка плавлением почти не применяется, так как около шовная зона сильнораз упрочняется и невозможно получить прочное соединение. Сплавы – силумины имеют хорошую свариваемость.

    Виды  сварки алюминия: плавление и давлением; способы: ручная и механизированная в аргоне плавящимся и неплавящимся электродом, покрытыми электродами; газовая давлением. 

    Медь  пластична в холодном состоянии и очень хрупка при высоких температурах, теряя и прочность. Отливки из меди имеют большую пористость и литейную усадку, поэтому литые детали из чистой меди не делают. Расплавленная медь хорошо растворяет газы, выделяя их при затвердевании, и это вызывает пористость.

    Медь  широко применяется в теплообменной  аппаратуре, электротехнике, в химических аппаратах и т.д. Например, в быту медь используется для изготовления водонагревательных радиаторов в кухонных водоподогревных газовых колонках.

    Свойства меди:

• высокая электро- и теплопроводность;
• прочность – 25 кгс/;
• температура плавления – 1083ºC;
• теплопроводность меди в 6 раз выше, чем у стали, поэтому при сварке требуется дополнительный нагрев мощным источником теплоты.

    Сварку  меди выполняют следующими видами и  способами и только в нижнем положении  шва:

• дуговая сварка – угольным и металлическим плавящимся и неплавящимся электродом;
• газовая сварка ацетиленокислородным пламенем. В качестве защитной среды используется флюс, енертный по отношению к меди (азот, аргон), а также электродные покрытия.
 

1. Технические условия на изготовление сварных конструкций.

Надежность  и долговечность, сварных конструкций  их экономичность, в изготовление и  эксплуатации являются основными показателями качество, технологической конструкции, сборочно сварочном производстве. Пре  проектирование технологии изготовление конструкции  разрабатывают комплекс работ, включающий заготовительные, сборочные, сварочные и контрольные операции. Исходными данными для проектирования является: чертежи изделия, программа  выпуска, технические условия.

Чертежи: содержат данные о материале заготовок, их конфигурации, размеров, типов сварных  соединений, то есть решение, которые  были приняты конструктором в  процессе проектирования и должны быть к исполнению технологом. Технолог не имеет права  вносить изменение  в чертежи.

Программа выпуска: содержит сведения от числа изделий, которые надо изготовить в течение  определённого срока (в течение 1 год.). Эти цифры служат основаниям для выбора: оборудование, технологическая  оснастка, средств механизации и  автоматизации. Производственный процесс, включает: различные, технологические  контрольные и транспортные операции. Главное требование, определяющее последовательность этих операций их содержания и обеспечение  их оснасткой - это выполнения заданной программой выпуска изделий Высокова качества в кратчайшие сроки при  минимальной стоимости. Условно  все конструкции делят на три  группы:

1. Особа ответственные конструкции, разрушение которых может привести к человеческим жертвам (грузоподъёмные машины, транспортные, баллоны, мостовые конструкции.) 
2. Ответственные конструкции разрушения которых приводит к большим материальным потерям (устройства технологических линий выход из строя которых приводит к остановки всей линии).
3. Не ответственные конструкции.

Технические условия: Содержат перечень требований которые предъявляться к материалом, оборудованию а так –же к выполнению технологических контрольных операций. 
 

1.2. Виды сварных швов и соединений 

    Все соединения элементов под сварку подразделяют на четыре основных вида: стыковое, угловое, тавровое, нахлесточное (Рис 1), а швы делят на два вида: стыковые и угловые.

Рис. 1 Классификация  сварных соединений 

    В поперечном сечении сварное соединение на шлифе имеет следующие четко выраженные зоны: металл шва, зона сплавления, зона термического влияния (ЗТВ), основной металл (Рис.2) . С точки зрения качества сварного шва соединения большой интерес представляет ЗТВ, которую и рассмотрим.

    

    Зона  термического влияния – это участок основного металла около зоны сплавления, структура, свойства и ширина которого зависят от термического цикла, склонности к восприятию закалки и от свойств пластического деформирования при сварке.

    ЗТВ состоит из зоны перегрева – перегретого металла, нагреваемого до температур, близких к температуре плавления, и отличающейся значительным укреплением зерна и пониженной вязкостью; зоны нормализации,нагреваемой несколько выше температур критической точки и характеризуемой значительным измельчением зерна;зона неполной перекристаллизации (частичной нормализации) с максимальной температурой нагрева, характеризуемой неравномерностью структуры металла, наличием мелких зерен, образовавшихся при перекристаллизации, и более крупных, не изменившихся зерен: участок рекристаллизации характеризуется восстановлением приблизительно ревностных зерен из деформированных, созданных процессом прокатки металла.Затем зона неполной перекристаллизациипереходит в зону сплавления, далее – основной металл.

    Ширина  ЗТВ в стали влияет на эксплуатационные качества сварного соединения, и чем  эта зона шире, тем хуже прочностные  показатели.

    Достоинство стыковых соединений – широкий диапазон соединяемых толщин металла, экономичность по металлу и электроэнергии; недостаток– необходимость точной сборки и обработки скосов кромок (фасок) под сварку.

    Недостатком нахлесточных соединений является неэкономичность  расхода металла.

    Величина нахлестки должна быть не менее трех толщин металла (который тоньше). Силовой поток в нахлесточном соединении от рабочей нагрузки проходит не по одной прямой линии, как это происходит в стыковом соединении, поэтому нахлесточное соединение хуже работает при переменных или динамических нагрузках. Недостатком нахлесточного соединения является и возможность попадания влаги между листами. К преимуществам нахлестки относится простота сборки, отсутствие фасок под сварку, меньшая точность сборки.

    Форма подготовки кромок под сварку в зависимости  от толщины и соединения указывается  в ГОСТе.

    Сварной шов – это конструктивный элемент сварного соединения, образованный затвердевшим после расплавления металлом по линии перемещения источника сварного нагрева.

    Стыковой  шов характеризуется шириной  и усилением, глубиной провара, зазором  в стыке, а угловой – катетом  шва. Угловые швы имеются в  тавровых, угловых нахлесточных соединениях.

    По  форме наружной поверхности швы  могут быть плоскими и выпуклыми. Вогнутые швы нежелательны, так как  при остывании и кристаллизации металла шва часто появляются горячие трещины из-за воздействия  растягивающих сил при усадке шва.