CC BY
150
------------------------------ © В.С. Квагинидзе, Н.Н. Чупейкина,
2011
В.С. Квагинидзе, Н.Н. Чупейкина
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГОРНО-ТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Рассмотрены конструктивно-технологические мероприятия по повышению работоспособности сварных соединений металлоконструкций горнотранспортного оборудования.
Ключевые слова: металлоконструкции, горные машины, сварные соединения.
Сварочные напряжения и деформации доставляют немало трудностей при изготовлении и эксплуатации сварных конструкций, так как они могут вызывать: а) изменение запроектированных размеров свариваемых деталей и узлов; б) искажение и изменение формы отдельных сварных узлов и конструкций; в) появление трещин и разрывов в процессе изготовления сварных конструкций; г) разрушение сварных конструкций в процессе эксплуатации, особенно при пониженных температурах.
Поэтому мероприятиям по уменьшению напряжений и деформации уделяется большое внимание, и закладываются они с начала проектирования конструкции и правильного выбора технологии изготовления.
При производстве сварочных работ необходимо стремиться к получению наиболее сплошного металла сварного шва, поэтому необходимо строго соблюдать требования, предъявляемые к геометрическим размерам шва и их соотношениям.
В процессе сварки требуется соблюдение предусмотренных технологией правил и требований к направлению и порядку расположения швов, так как усадочные напряжения в шве уравновешиваются местными напряжениями в основном металле. Рациональный вид соединения и правильный выбор швов обеспечивают минимальные усадочные напряжения сварных конструкций.
Для повышения качества получаемых сварных соединений применяются различные методы повышения надежности свар-
ных соединений металлоконструкций горно-транспортного оборудования. Мероприятия для уменьшения напряжений по сварке можно разделить на конструктивные и технологические.
Конструктивные мероприятия.
Суть конструктивных мероприятий заключается в рациональном проектировании сварных соединений, создании конструктивных форм, обеспечивающих максимальное устранение концентрации напряжений в соединениях и конструкциях.
Для осуществления конструктивных мероприятий необходимо выполнение ряда условий.
1. При выборе основного металла и электродов для изготовления проектируемой конструкции надо руководствоваться следующим: основной металл не должен иметь склонности к образованию закалочных структур при остывании на воздухе; электроды должны давать наплавленный металл, пластические свойства которых должны быть не ниже свойств основного металла.
2. Не допускать скопления швов в конструкции и избегать их пересечений.
3. Не допускать короткозамкнутых швов.
4. Ограничивать применение косынок, накладок.
5. При расстановке ребер жесткости располагать их так, чтобы при сварке нагреву подвергались одни и те же места основного металла (рис. 1), так как это уменьшает поперечную усадку стенки, а следовательно, и всей конструкции.
6. Применять преимущественно стыковые швы, которые являются менее жесткими, чем узловые.
7. Проектируя сложные конструкции, предусматривать их изготовление в виде отдельных узлов, которые после соединяются в целую конструкцию.
8. В сложных сварных конструкциях применять штампованные и литые узлы.
9. Расположение швов не должно затруднять механизацию сварочных работ.
10. Предусматривать сборку и сварку в приспособлениях, обеспечивающих точную сборку и правильную последовательность сварочных работ.
Рис. 1. Расстановка ребер жесткости: а — правильная; б — неправильная
Концентрация напряжений является одной их главных причин, вызывающих резкое понижение прочности соединений по сравнению с основным металлом. Устранения концентрации напряжений можно добиться следующими способами:
а) механическая обработка швов фрезой, резцом или абразивным кругом, обеспечивая плавное сопряжение шва и основного металла, способствует устранению концентрации напряжений в соединениях. Особенно эффективна механическая обработка для стыковых швов, предел выносливости которых возрастает на 40-60 %, для угловых швов предел выносливости повышается на 10-20 %;
б) конструкция корневой части шва в стыковых соединениях имеет важное значение, так как концентрация напряжений в корне шва может быть значительной при отсутствии, проплавления, неблагоприятной форме шва и наличии дефектов сварки;
в) конструкция крепления дополнительного листа в сварных балках может позволить добиться существенного повышения прочности сварных соединений, при использовании рациональной формы окончания поясного листа, различного расположения швов, скоса на поясных листах;
г) сварное соединение с конструктивным непроваром снижает концентрацию напряжении в соединениях большой толщины (втавр), когда отрицательное влияние непровара компенсируется некоторым усилением шва;
д) устройство искусственных деконцентраторов в виде отверстий и выкружек в местах образования высокой концентрации напряжений, вызванной сваркой, в некоторых случаях заметно повышают прочность соединения;
е) избегать приварки вспомогательных элементов к деталям, работающим при переменных напряжениях; избегать применения прерывистых швов; сварные швы не располагать в наиболее
напряженных участках конструкции; по возможности использовать сварку в нижнем положении.
Технологические мероприятия. Здесь также необходимо выполнение комплекса требований.
1. Выбор правильного теплового режима сварки в части нагрева основного металла.
2. Термическая обработка в виде высокого отпуска, применяемая для снижения деформации конструкций в процессе их механической обработки, вылеживания и эксплуатации, а также для повышения работоспособности конструкций при переменных нагрузках. Отпуск сварного изделия может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на сопротивление усталости соединений, так как эффективность определяется результирующим влиянием двух факторов: снижение вызванных сваркой остаточных напряжений и разупрочнение металла шва и околошовной зоны. Вопрос о целесообразности отпуска следует решать с учетом формы конструкции, технологии сварки, характера распределения остаточных напряжений и условий эксплуатации.
3. Местный нагрев наводит сжимающие остаточные напряжения в зоне соединений, где имеются значительные сварочные растягивающие напряжения. Важно правильно определить место нагрева для высокой эффективности метода;
2. Выбор правильной последовательности наложения швов. Этот порядок должен быть таким, чтобы свариваемые детали находились в свободном состоянии, особенно это относится к стыковым швам. Поэтому в первую очередь свариваются стыковые швы балок, а затем угловые. При сварке цилиндрических резервуаров или полотнищ вначале сваривают стыки каждого пояса, а затем — пояса между собой (рис. 2). Сварку следует производить напроход от середины изделия к краям, но ни в коем случае не варить от краев к его середине. Нельзя ставить прихватки на пересечении швов.
3. Уменьшение зазоров во избежание поперечных усадок.
4. Поверхностный наклеп, при котором происходит поверхностное пластическое деформирование металла шва и околошов-ной зоны, упрочняет слои металла и наводит в них благоприятные сжимающие остаточные напряжения.
6 7 1 8 > г II
11 3 15 16 4 17 (в 5,9
гз 24 1? ?5 гв 1327 28
20 21 гг
Рис. 2. Порядок наложения швов: а — при сварке емкостей; б — при сварке тавровых балок
Для поверхностного наклепа применяют методы пластического деформирования: дробеструйный наклеп, обкатка роликами, чеканка;
5. Импульсная обработка, при которой используют энергию взрыва малыми зарядами для локального пластического деформирования околошовной зоны и создания в сварном соединении сжимающих остаточных напряжений;
6. Изменение режима и техники сварки позволяет добиться более плавного перехода от шва к основному металлу. Следует выбирать наиболее рациональный порядок сварки, чтобы в наиболее нагруженных узлах не возникали растягивающие остаточные напряжения. Необходимо избегать дефектов сварки: подготовки кромок, внутренних и наружных.
7. Выполнение швов больших сечений в несколько слоев, с применением метода «горки» или «каскадного».
8. Место сварки должно быть защищено от атмосферных осадков, холода и сквозняков. Чем выше температура окружающей среды, тем равномернее и медленнее происходит остывание шва. Сварка на морозе, на сильном ветре, сквозняке часто приводит к трещинам.
9. Применение обратных деформаций (рис. 3). Перед сваркой изделие подвергается выгибу. Предварительная перегрузка, когда элемент с концентратором напряжении нагружают до появления текучести. При снятии нагрузки возникают остаточные напряжения противоположного знака, т. е. перегрузка вызывает сжимающие остаточные напряжения.
Рис. 3. Способ обратной деформации: а — до сварки; б — после сварки
10. Обратноступенчатая сварка.
11. Проковка швов уплотняет шов, уменьшает действие усадки шва. Последний слой шва проковывать не рекомендуется, чтобы не вызвать трещину на поверхности шва.
12. Искусственное охлаждение разогретого металла.
3. Сварка деталей в закрепленном положении.
14. Точность сборки гарантирует равномерное сечение швов и уменьшает напряжения.
15. Предварительный нагрев.
16. Глубокий провар корня шва.
После сварки деформированные детали правят. Применяют два вида правки — холодную и горячую. Холодная правка производится домкратами, прессом, кувалдой или молотком. Метод громоздкий и требует много усилий, возможно образование трещин и разрывов в швах в процессе правки.
Горячая правка производится местным нагревом до пластического состояния выпуклой стороны изделия. После остывания в местах нагрева появляются остаточные напряжения растяжения, которые распрямляют изделие. При горячей правке местный нагрев производят газопламенной горелкой. Горячая правка более проста и эффективна, чем холодная. После правки, если этого требует технология, производят отжиг.
Чтобы предотвратить снижение прочности при переменных нагрузках, необходимо рационально спроектировать сварную конструкцию, создать конструктивные формы, которые обеспечивали бы максимальное устранение концентрации напряжений (рис.4).
Рис. 4. Рекомендуемое оформление соединений со стыковыми и угловыми швами, работающих под переменными нагрузками
Рис. 5. Влияние конструкции на усталостную прочность: а - выкружка в целом элементе полосы; б - выкружка в приваренном элементе; в - деконцентратор; г - швы без обработки
Эффект повышения сопротивления усталости соединений из низкоуглеродистых сталей достигается механической зачисткой швов.
Повышению усталостной прочности способствует механическая обработка сварных деталей, обеспечивающая плавные сопряжения наплавленного и основного металла. Эффективность такого приема можно видеть на примере приварки планок к листовым элементам, изображенным на рис.5 для сравнения указаны пределы выносливости а-1.
Эффект повышения предела выносливости сварных точечных соединений достигается их обжатием ковочным давлением при остывании. Проковка повышает сопротивляемость усталостным разрушениям в 1,4 - 2 раза, а при обработке специальными инструментами и скоростной проковке - в 2,2 - 3 раза.
Перечисленные мероприятия способствуют уменьшению напряжений и деформаций при сварке, гарантируют предотвращение трещин в процессе сварки и эксплуатации
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Квагинидзе В.С., Радкевич Я.М., Русихин В.И. Ремонтная технологичность металлоконструкций карьерных механических лопат на угольных разрезах Севера. - М.: Изд. МГГУ, 1997.
2. Квагинидзе В.С. Управление качеством эксплуатации карьерного горнотранспортного оборудования в условиях Севера. Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2001
3. Квагинидзе В.С. Эксплуатация карьерного горного и транспортного оборудования в условиях Севера. - М., Изд. МГГУ, 2002.
4. Квагинидзе В.С. Петров В.Ф. Корецкий В.Б. Эксплуатация карьерного оборудования. - М.: Изд. МГГУ, 2007. ВТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------
Квагинидзе В.С. - доктор технических наук, профессор, ГОУ ДПО «Институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов», ipk40@rambler.ru
Чупейкина Н.Н. - кандидат технических наук, помощник президента СРО НП «СОЮЗАТОМСТРОЙ», net71@mail.ru
