Развитие сварочной техники оказало серьезное влияние на выбор генеральных схем конструкций.

Так, сквозные фермы, которые были очень распространены при клепаных соединениях, стали заменять большепролетными бал­ками со сплошной стенкой по причине их большей технологичности в сварном исполнении. Использование электрошлаковой сварки позволило заменить цельнокованые и цельнолитые массивные детали тяжелого и энергетического машиностроения (валы турбин, станины прессов и т. д.) составными сварными. Комбинирование литых, кованых и прокатных заготовок с помощью электрошлаковой сварки обеспечило технически легко выполнимые и экономичные решения.

В результате разработки электрошлакового переплава был получен метод изготовления сварных толстостенных конструкций котельно-резервуарного типа, обладающих высокими механиче­скими свойствами.

ЦК КПСС и Советское правительство уделяют большое внимание применению сварки в народном хозяйстве. К 1975 г. предусмотрено значительное увеличение выпуска сварных конструкций по сравне­нию с 1970 г., при условии широкого внедрения прогрессивных материалов и комплексной механизации сварочных работ.

Подход к проектированию сварных конструкций может быть различным.

В большинстве стран Западной Европы основным принципом рационального проектирования сварных металлоконструкций яв­ляется всемерное уменьшение их массы, а следовательно, и эконо­мия металла. В США главной задачей является упрощение и уде­шевление процессов изготовления; при этом вопрос об уменьшении массы изделия перестает играть первостепенную роль. В Европе часто становятся на путь индивидуального проектирования, в США — на путь гарантии минимальных трудозатрат.

Школа советского проектирования сварных металлоконструкций объединяет два направления: ищут пути проектирования изделий

с минимальной массой и одновременно внедряют высокопроизводи­тельные методы работы. Эти две главные линии совершенствования сварных конструкций определяют соответствующие направления работ исследовательских и проектных организаций.

Для обеспечения первого направления в СССР в большом мас­штабе развиты научные исследования в области металлоконструк­ций, преимущественно сварных, для нахождения способов повыше­ния механических свойств, надежности при одновременном умень­шении стоимости (Институт электросварки имени Е. О. Патона, МВТУ им. Баумана, ЦНИИСК им. Кучеренко В. А., ЦНИИС Мин - трансстроя, ЦНИИ Проектстальконструкции, Институт машино­ведения, ЛПИ им. Калинина и др.). При этом используют данные о хрупкой и усталостной прочности, пластичности, устойчивости, теории пластин и оболочек и ряд других разделов прикладной теории упругости. Учет всех возможных факторов синтезируется в процессе анализа формообразования проектируемых объектов.

Для обеспечения второго направления совершенствования свар­ных конструкций с позиций обеспечения автоматизации и механи­зации производственных операций, облегчения перехода на поточ­ные методы изготовления, повышения производительности труда, снижения стоимости и улучшения качества продукции исключи­тельно большое значение в нашей стране придают типизации и нор­мализации металлоконструкций, как целых объектов, так и отдель­ных элементов.

Важным средством типизации является рациональный выбор системы конструкции и размерных ее параметров. Один тип кон­струкций и элементов может иметь несколько размеров. Таким образом, создается комплекс типоразмеров. Их количество сле­дует всемерно сокращать, а типизация конструкций способствует этому.

Уменьшение числа типоразмеров характерно для вновь созда­ваемых изделий. Типоразмеры часто устанавливают по модульному ряду, который определяется арифметической прогрессией. Рацио­нальный выбор модульных размеров в большой мере определяет экономичность принятых решений.

Параметрами типизации и нормализации могут быть: типы кон­струкций, размеры элементов, типы соединений, виды технологи­ческих процессов применительно к заданным конструктивным фор­мам и т. .д. При разработке узлов, деталей, отдельных элементов конструкторские бюро должны руководствоваться принципом ис­пользования постоянной оснастки (кондукторов, кантователей и т. д.).

Желательно подбирать типоразмеры конструкций так, чтобы они соответствовали формам и размерам технологической оснастки и, напротив, при проектировании технологической оснастки учи­тывать типизацию и нормализацию проектируемых изделий.

Целями типизации и нормализации являются упрощение форм конструкций, устранение излишнего количества швов, повышение технологичности, сокращение числа типоразмеров, обеспечение перевода возможно большей продукции на крупносерийное и мас­совое производство.

Как показал опыт, при разработке типовых проектов наиболее целесообразна такая система работ, при которой основные прин­ципиальные решения принимают специализированные проектные организации, а деталировочные чертежи выполняют заводы-изгото - вители.

Выбор материала — важный этап проектирования, поскольку оказывает большбе влияние как на эксплуатационные качества конструкции, так и на ее массу и экономичность изготовления. Поэтому материал выбирают с учетом характера эксплуатационных нагрузок (усталостных, ударных, статических), работы конструкций в условиях низких и высоких температур, вакуума, агрессивных сред, износа и т. п. Важным параметром качества материала яв­ляется стабильность его свойств — узость интервала в разбросе показателей механических характеристик. Кроме того, при выборе материала учитывают комплекс условий: первоначальные затраты на материал, технологическую обработку, проведение сварочных операций и т. д.

Масса конструкции существенно зависит от удельной прочности используемого металла. Низкоуглеродистые стали применяют наи­более часто, они дешевы, хорошо свариваются, но обладают низкой удельной прочностью. Многочисленные марки низколегированных сталей с пределом текучести 35—40 кгс/мм2 используют все шире, однако они уже во многих случаях не удовлетворяют возросшим требованиям промышленности.

Значительное распространение для металлоконструкций полу­чили стали в термообработанном состоянии: закалка с последующим отпуском. Эффективна термообработка низкоуглеродистых сталей типа СтЗ и Ст4. Еще более эффективными оказываются некоторые термообработанные низколегированные стали. Как правило, предел текучести низкоуглеродистых сталей в результате термообработки повышается на 10—20%, сталей 19Г, 14Г2 — на 40—60%, цтали 15Г2 — еще выше. Согласно государственному стандарту рекомен­дуются для применения в металлоконструкциях термически обра­ботанные стали толщиной 6—40 мм: низкоуглеродистые, повышен­ной прочности, а также стали марок 45Т, 60Т, 75Т. Высокопрочные стали с пределом текучести более 60 кгс/мм2 получают путем соче­тания определенной композиции легирования и термообработки. Установлено, что наиболее перспективны для изготовления сварных конструкций высокопрочные низкоуглеродистые стали с мартен - ситной и бейнитной структурой. Использование высокопрочных свариваемых сталей дает возможность значительно снизить массу изделия, что особенно важно для подъемно-транспортных механиз­мов, железнодорожного подвижного состава, автомобилей, судов и других транспортных конструкций. Повышение прочности стали требует более совершенных конструктивных разработок отдельных сварных узлов, повышения качества изготовления и контроля. Совместные творческие усилия металлургов, технологов и проекти­ровщиков открыли путь применению высокопрочных сталей в метал­локонструкциях, однако в СССР используют их пока еще недоста­точно, главным образом вследствие дефицитности. Дальнейшее раз­витие металлоконструкций из термообработанных сталей опреде­ляется, улучшением качества их производства, расширением ассор­тимента, увеличением выпуска и проведением ряда научно-иссле­довательских работ, подтверждающих рациональные пределы при­менения этих материалов.

Для многих специальных задач в металлоконструкциях приме­няются высоколегированные стали аустенитного класса, а также всевозможные сплавы, обеспечивающие коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность изделий. Хорошо освоены техно­логические процессы сварки указанных материалов. Стоимость их высока, поэтому их использование в конструкциях диктуется особыми условиями.

В течение многих лет проводят изыскания по замене в металло­конструкциях сталей легкими сплавами и в первую очередь алю­миниевыми сплавами. Значительное большинство алюмиевых спла­вов сваривается достаточно удовлетворительно дуговой и контакт­ной сваркой, в частности сплавы АД1, АМг, АМгб, АМг-61, АД31, В92 и др. Сваривают профили всевозможных видов: труб, листов; элементы прокатные, прессованные, штампованные. Сваривают сплавы литые, но главным образом деформируемые, в ненагарто - ванном, полунагартованном, нагартованном состояниях, искусст­венно и естественно состаренные.

В зависимости от химического состава и приемов обработки (нагартовка, старение) предел прочности свариваемых алюминиевых сплавов может иметь значения в пределах 10—50 кгс/мм2 и даже выше.

Стоимость 1 т алюминиевых сплавов значительно выше стоимости стали. Поэтому применение алюминиевых сплавов в металлокон­струкциях вряд ли может быть оправдано только экономическими соображениями, оно целесообразно, когда выигрыш в массе изделия является решающим для эксплуатации объектов, например в авиа­ционных, ракетных и других транспортных конструкциях, а также с целью повышения антикоррозийности, из эстетических соображе­ний и в некоторых особых случаях.

При проектиробании изделий из алюминиевых сплавов необхо­димо учитывать специфику поведения этих материалов в процессе изготовления сварной конструкции и при эксплуатации. Следует избегать жестких узлов со значительным скоплением швов, не допускать резких концентраторов напряжений в соединениях, учитывать повышенную деформируемость и пониженную устойчи­вость элементов при сжатии, связанную с меньшим значением модуля упругости Е по сравнению со сталью. В конструкциях из нагартованных или термически упрочненных сплавов приходится учитывать разупрочнение зоны соединения в результате теплового воздействия сварки. При значительном разупрочнении обеспечение равнопрочности сварного соединения иногда достигают путем уве­личения толщины соединяемых элементов в зоне расположения швов.

Изготовление сварных алюминиевых конструкций требует вы­сокой культуры технологического процесса.

Конструкции из алюминиевого сплава требуют тщательно раз­работанного технологического процесса изготовления заготовок. Элементы из алюминиевых сплавов не должны подвергаться грубой обработке, недопустимы даже царапины на поверхностях, могущие заметным образом изменить их механические свойства. Разметку следует производить карандашом или мелом. Резка алюминиевых сплавов должна производиться плазменным способом или пилами и фрезами. Отверстия не продавливают, а сверлят. Эти сплавы требуют увеличенных радиусов изгиба, правку элементов произво­дят на деревянных стеллажах.

Сложность технологического процесса сварки алюминиевых конструкций не одинакова. Она возрастает с повышением прочно­стных характеристик. Значительная величина деформаций и неже­лательность правочных операций нагревом или пластическим де­формированием заставляют применять специальные меры для умень­шения остаточных деформаций путем выбора рациональных режи­мов и прижимных устройств; учитывать образование общих оста­точных деформаций при учете припусков на обработку. Опасность возникновения пор требует предусматривать тщательную очистку поверхностей металлов, подлежащих сварке химическим и механи­ческим методами, а также обеспечивать надежную защиту сварочной ванны.

В практику машиностроения входит применение разнородных и композиционных металлопластов. Необходимость их применения диктуется требованиями эксплуатации, например в сосудах для агрессивных сред используют двухслойные стали.

Сварные конструкции из разнородного материала соединяют современными способами сварки: электронным лучом, диффузией, взрывом и т. д. Соединение некоторых трудносвариваемых материа­лов, чувствительных к термическому эффекту сварки, можно осу­ществлять пайкой, при которой ряд затруднений устраняется.

В отдельных случаях в машиностроении применяют конструкции с соединениями металлов с неметаллическими материалами: стек­лом, керамикой и т. д. Конструкции этих видов также могут осу­ществляться с применением сварки и пайки, хотя процесс соеди­нения при этом становится более трудным.

В машиностроение входит изготовление изделий из ценных сплавов: титановых, танталовых, никелевых, ниобиевых и т. д. Многие ценные сплавы, в частности тугоплавкие и активные, хорошо соединяются сваркой, и их применение в машиностроении не лими­тируется техническими трудностями.

В ряде машиностроительных конструкций металлы заменяют полимеры, например в сантехнике, декоративных изделиях, с целью повышения антикоррозийности, упрощения заготовок. Конструкции из полимеров успешно свариваются, при этом сварные соединения удовлетворяют заданным требованиям.

Важной задачей проектировщика является выбор технологиче­ского процесса сварки изделия. Оптимальность этого выбора в зна­чительной степени зависит от того, насколько проектировщик знаком с состоянием сварочного производства и тенденциями его развития. Наиболее распространенным видом сварки является дуговая, однако серьезным конкурентом последней становится контактная.

При проектировании конструкций со швами значительной длины, выполняемыми в нижнем положении, а также однотипных изделий наиболее производительным методом является автомати­ческая сварка под флюсом. Скорость сварки обычно составляет 25—60 м/ч, но при выполнении прямолинейных швов в серийном производстве (изготовление труб, балок) может достигать 120— 180 м/ч.

Несколько менее производительна, но весьма экономична дуго­вая сварка в среде С02. Ее существенным преимуществом является возможность выполнения швов во всех пространственных положе­ниях. Оба вида сварки могут быть рекомендованы для соединений конструкций из низколегированных и низкоуглеродистых сталей. Прогрессивным методом, нашедшим достаточно широкое распрост­ранение в промышленности, является сварка порошковой прово­локой.

Первоначально считали, что' электрошлаковая сварка пред­назначена для соединения элементов очень больших толщин верти­кальными швами. Для элементов толщиной свыше 50 мм этот способ безусловно наиболее производительный.

Тем не менее, сфера применения электрошлаковой сварки рас­ширяется. В условиях монтажа ее с успехом используют для сое­динения листов толщиной 30, 25 мм и менее при условии выполнения швов на вертикальной плоскости. Найдены пути улучшения струк­туры и механических свойств соединений, выполняемых электро­шлаковой сваркой, например внесением в сварочную ванну метал­лического порошка. Это обеспечивает возможность получения швов с мёлким зерном без какой-либо последующей термообработки изделий, удорожающей производство работ.

При изготовлении конструкций из высоколегированных сталей, различных сплавов со специальными свойствами, из цветных метал­лов успешно применяют сварку в среде инертных ґазов аргона и гелия плавящимся и вольфрамовым электродами. Наряду с при­веденными развиваются и другие способы сварки, в особенности с вакуумной защитой.

Легированные стали, алюминиевые сплавы, различного рода медные сплавы, а также тугоплавкие металлы, неметаллические материалы, как, например, карбиды, бориды, графиты, керамика и многие другие, иногда вводимые в металлические конструкции, достаточно хорошо соединяются в вакуумных камерах электрон­ным лучом, а также при помощи диффузионного метода. В ваку­умных камерах возможно также соединение при помощи дуговой сварки неплавящимся электродом (молибденом и др.), в парах металла.

Методом, конкурирующим с наиболее распространенной в про­мышленности дуговой сваркой, является контактный. Контактную стыковую сварку применяют в крупносерийном и массовом произ­водстве для соединения деталей различного профиля, в особенности арматуры железобетона, рельсов и труб. Помимо стыковой сварки элементов из низкоуглеродистых и низколегированных сталей современные сварочные установки открывают возможность соеди­нений конструкций из алюминиевых и других сплавов.

Исключительно высокой производительностью обладает метод контактной сварки радиочастотными установками. Скорость сварки достигает 50 м/мин и более. Этот способ соединения используют при изготовлении труб с прямолинейными и даже спиральными швами. Его с успехом распространяют на изготовление профильного металла, например тавров, двутавров, швеллеров и т. д.

Контактной точечной сваркой соединяют изделия из углероди­стых низко - и высоколегированных сталей и цветных сплавов. Точечная сварка — процесс весьма разнообразный и производи­тельный. Его широко используют в равной степени для изделий индивидуального и массового производства. Постановка 300 точек в минуту не является редким явлением. Особенно производительна точечная сварка при применении многоточечных машин. Современ­ные установки позволяют сваривать точками изделия из сталей с толщинами, достигающими в сумме до 60—80 мм. Возможна точечная сварка не только малогабаритных изделий, но и крупно­габаритных. Комплексные агрегаты, включающие оборудование для точечной сварки, позволяют сваривать на стендах крупнейшие конструкции. С другой стороны, переносными точечными аппара­тами легко осуществляется сварка на конвейере и в монтажных условиях.

Точечную сварку выполняют не только контактным способом, но и дуговым. Ряд заграничных фирм выпускает оборудование для сварки вольфрамовыми электродами. В СССР достаточно широко распространена сварка проплавными точками плавящимися элект­родами. Особенно заслуживает внимания сварка проплавными точками с принудительным опусканием электрода в сварочную ванну, что позволяет выполнять соединения элементов не только малых, но и средних толщин до 15—20 мм.

При создании металлоконструкций, требующих применения двухслойных сталей, следует иметь в виду широкие возможности, предоставляемые сваркой взрывом. Этим способом достигают воз­можности получения двухслойного разнородного металла высокого качества при огромной производительности.

Для некоторых специальных форм металлоконструкций, напри­мер толстостенных барабанов и других, возможно использовать одну из модификаций сварочного процесса — электрошлаковый переплав металла, при помощи которого возможно формирование различных типов изделий средних и больших толщин при очень высоких механических свойствах.

При изготовлении некоторого вида металлических изделий локальные изменения свойств могут быть достигнуты применением наплавки. Применение наплавочных работ в новых изделиях непре­рывно расширяется. Способы наплавки очень разнообразны. При­меняют способы нанесения твердых покрытий в вакуумных камерах. При этом достигается высокое качество при вполне достаточной производительности.

Выше перечислены наиболее употребительные методы сварки металлов. Конечно, при проектировании особых видов металличе­ских конструкций не следует забывать о других возможностях, предоставляемых сваркой, например о соединении металлов холод­ным способом при помощи сжатия, о диффузионной сварке в ва­кууме, о сварке трением, ультразвуком и т. д. Однако эти методы более часто применяют в изделиях специфических назначений, не характерных для широкого класса металлоконструкций, так же как и группа способов сварки, используемых в приборостроении и радиоэлектронике (контактная конденсаторная, микроплазмен - ная, лазерная и т. д.).

Выбор способа сварки определяется не только формой изделия й стремлением проектанта к получению высокой производительности процесса. Эти параметры являются важными, однако необходимо также учитывать свойства сварных соединений, получаемые при разных способах сварки, для работы в различных эксплуатацион­ных условиях.

Задачей конструктора является нахождение правильного реше­ния, взаимосвязывающего конструктивное оформление изделия, возможность производства его в индустриальной и монтажной обстановке, с учетом свойств применяемого материала и требований, предъявляемых к качеству сварных соединений.

Качество материала конструкций определяют сертификатами и лабораторными испытаниями: химическими, механическими, металлографическими, технологическими пробами. Оптимальным является применение физических методов контроля для установле­ния внутренних дефектов материала: рыхлот, пористости, расслое­ний и т. д. Для ответственных конструкций целесообразно исполь­зование ультразвукового контроля для отбраковки дефектных заготовок. Пока такой контроль производят в исключительных случаях.

При контроле качества выполнения заготовительных операций: правки, резки, гибки, очистки под сварку и т. д. проверяют соот­ветствие требований технических условий на изготовление кон­струкции. Контроль правильности установки элементов перед сборкой и размеров конструкций после ее сборки осуществляют в соответствии с требованиями проекта.

Одной из главных оценок технологии изготовления сварных конструкций является качество сварных соединений. Очень эффек­тивным является профилактический контроль сварочных про­цессов.

При дуговой сварке контролируют электроды, присадочный материал, флюсы, газы, сборочные операции, технологическую подготовку под сварку (кромок), установку изделия в требуемое положение, режимы сварочного процесса, их стабильность, после­довательность укладки швов, соответствие исполнительных разме­ров швов проектным и т. д.

Современные автоматические сварочные установки (дуговые и контактные) имеют обратные связи, обеспечивающие постоянство заданных режимов. Дальнейшее развитие таких установок с регу­лирующими процессами является актуальной задачей сварочной техники, обеспечивающей надлежащее качество конструкций.

Функционально-статистический метод контроля сварных соеди­нений, основанный на статистическом изучении продукции задан­ного типа в определенной отрасли промышленности и на предприя­тиях, позволяет с достаточно высокой степенью вероятности прог­нозировать качество сварной продукции. Однако он не дает твердой гарантии хорошего качества каждого индивидуального объекта. Эта последовательная задача решается с помощью различных методов последующего контроля изготовленной конструкции.

Методы последующего контроля качества сварных соединений разнообразны: просвечивание рентгеновскими лучами, радиоактив­ными изотопами с жестким и мягким излучением, ультразвуковой контроль элементов толщиной более 5—6 мм. В отдельных случаях применяют магнитный метод контроля (магнофлокс), более часто — электромагнитный, позволяющий получить представление не только о наличии дефекта, но и о его характере. Часто считают целесооб­разным соединять методы, например электромагнитный с после­дующим рентгеновским и т. д. Для контроля плотности швов разработаны физические методы, установки с гелиоискателями и др.

Разрабатывают методы для контроля качества сварных кон­струкций и соединений при изготовлении из разнородных материа­лов, а также из полимеров. Однако эти способы отработаны еще мало и в промышленности применения не нашли.

Несомненно, что повышение культуры производства во многих случаях может значительно сократить необходимость проведения контроля и испытаний законченных изделий. При этом более широ­кое развитие должны получить профилактические методы, обеспе­чивающие качество.

Однако требования к качеству конструкций, к разносторонним высоким механическим свойствам, к точности изготовления, ста­бильности результатов непрерывно растут. Поэтому непрерывное развитие методов контроля остается важной задачей, обеспечиваю­щей прогресс техники изготовления сварных конструкций из раз­ных материалов при различных условиях их эксплуатации.