CC BY
58Попков Ю.В., канд. техн. наук, доц., Обернихин Д.В., аспирант, Фролов Н.В., магистрант
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ НА ПРОЧНОСТЬ КРЕСТООБРАЗНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АРМАТУРЫ
pjvbel@yandex.ru
Предоставление проектным организациям и заводам железобетонных изделий данных о минимально требуемой прочности сварки продольных и поперечных стержней арматуры станет одним из условий, определяющих успешное выполнение задач по повышению экономичности производства железобетона. Собран накопившийся научный материал по использованию контактной точечной сварки в строительной отрасли, проанализированы результаты испытания опытных образцов крестообразных соединений, сделан вывод по уменьшению объемов энергозатрат и перспективах применения полученных результатов при производстве железобетонных конструкций. Установлено что снижение прочности крестообразных соединений арматуры до 30% от равнопрочного является граничным значением, при котором не происходит преждевременного разрушения изделия. В связи с этим предлагается, что технология выполнения таких соединений должна учитывать мероприятия, не позволяющие зайти за граничный параметр прочности.
Ключевые слова: контактная точечная сварка, крестообразные соединения металлической арматуры, прочность, экономия электроэнергии.
Введение. В настоящее время большинство развитых стран четко следуют курсу экономии энергоресурсов при получении продукции во всех сферах промышленной индустрии. Не исключением здесь является и строительная отрасль, поскольку снижение энергозатрат на производство строительных конструкций напрямую связано с их себестоимостью. Один из видов внедрения энергосберегающих технологий при изготовлении железобетонных конструкций и изделий может быть связан с расчетом стыковых соединений металлической арматуры, получаемых при помощи контактной точечной сварки.
Определение величины минимально требуемой прочности сварки продольных и поперечных стержней арматуры позволит вести проектирование и производство железобетона экономически оптимально.
Электрическая контактно-точечная сварка применялась как аналог паечным и клепочным соединениям при изготовлении мелких деталей бытового назначения, но благодаря высокой производительности стала использоваться в масштабном производстве и более крупных изделий [1].
Традиционными элементами армирования конструкций из железобетона являются плоские каркасы и сетки, образованные крестовыми соединениями металлических стержней. Для изготовления таких деталей, а также для приварки к поверхностям металлического проката (листового, уголкового и др.) используют контактно-точечную сварку.
Сварочный процесс, при котором элементы соединяются либо в одной, либо параллельно в нескольких точках называется контактно-точечной сваркой. Прочность таких соединений определяет размер и структура провара точки, зависящие в большой степени от вида рабочей поверхности электродов [2], а также от силового значения сварочного тока, сжимающего усилия и состояния свариваемых поверхностей элементов.
Физический смысл контактно-точечной сварки арматуры заключается в следующем. Последовательно от вторичной обмотки трансформаторной машины по проводникам (медные шины, хоботы, электродержатели и электроды) ток подходит к месту пересечения арматурных стержней, закрепленных между электродами. Электрическое сопротивление в месте стыка имеет величину во много раз большую, чем на остальных участках цепи, вследствие чего именно здесь скапливается тепловая энергия, которая переводит арматурную сталь в пластическое состояние. Далее под влиянием сжимающего усилия электродов происходит соединение арматуры [1-3].
Методология. Испытания образцов крестообразных соединений арматуры, полученных при помощи контактно-точечной сварки, производились на разрывной машине. Физико-механические характеристики стержней, использованных для изготовления каркасов, определялись в лабораторных условиях путем замера, взвешивания и испытания на разрыв. Контактно-точечная сварка крестообразных соеди-
нений выполнялась на специализированной машине МТ-3001-1 УХЛ4.
Основная часть. Для получения соединений заданной прочности, сварочный процесс необходимо выполнять при определенном режиме подачи сварочного тока, зависящего от номинального диаметра стержней и марки стали из которой они изготовлены. Выбор и корректировку режимов сварки можно осуществить на основе анализа испытаний крестообразных соединений при срезе. В случае, когда прочность оказывается меньше предварительно обозначенной вследствие непровара, необходимо увеличить плотность тока или продолжительность его действия. Если же прочность будет недостаточна из-за пережога, то эти показатели соответственно уменьшают.
Аппараты применяемые для контактно-точечной сварки в зависимости от количества одновременно свариваемых узлов и подвода тока делят на одноточечные двусторонние, двухточечные одно- и двухсторонние, многоточечные односторонние. По своему положению они
бывают стационарными и подвесными. Регулирование продолжительности протекания тока в большинстве случаев осуществляется автоматически.
Из общего количества свариваемых элементов при производстве арматурных изделий на заводах ЖБИ порядка 60% выполняются при помощи контактно-точечной сварки [4]. Обусловлено это легкостью автоматизации сварочного процесса, высокой мощностью машин и стоимостью задействованного оборудования.
Для экономии затрат на электроэнергию, расходуемую при выполнении соединений арматуры, предлагается нахождение оптимальных режимов и параметров контактно-точечной сварки, при которых разрушение элементов происходило бы при нормируемом значении напряжений с минимально возможным потреблением электричества.
Для исследования прочности соединений был выбран тип сварки каркасов К1-Кт (соединения крестообразные, полученные контактно-точечной сваркой) по ГОСТ 14098-91 (рис. 1).
Рис. 1. Крестообразное сварное соединение
В проведенном эксперименте для изготовления каркасов использовалась бунтовая проволочная арматура периодического профиля класса А500С номинального диаметра 6 мм.
Физико-механические характеристики арматуры, использованной при изготовлении каркасов, определялись опытным путем по результатам испытания стержней на разрывной машине. Средние значения характеристик: временное сопротивление овр = 555 МПа, модуль упругости Е, = 2,08 106 МПа. Фактическая пло-
щадь поперечного сечения арматуры определялась аналитически по результатам взвешивания образцов известной длины и объемного веса и составила А, = 0,299 см2.
Стержни сваривались на контактно-точечной машине МТ-3001-1 УХЛ4 с различными параметрами сварки (табл. 1), различающимися по степени «жесткости» и по величине относительной осадки Н/ё.
Осадка стержней (Н, мм) в крестообразных соединениях - величина вдавливания стержней
друг в друга на участке, нагретом при контактной сварке до пластичного состояния. Для соединений типов К1 (рис. 1) значение осадки для пары пересекающихся стержней вычисляют:
Н = 1 - (а+Ь), (1)
где а - общая толщина арматуры после сварки в месте соединения, мм; Ь - общая величина вмятин (Ь'+ Ь"), мм.
"Жесткость" режима определялась силой сварочного тока регулируемой трансформатором контактной машины, выдержкой под током
и величиной относительной осадки. Чем выше сварочный ток и меньше выдержка под ним (при одинаковой величине относительной осадки), тем жестче режим сварки [5, 6].
Для оценки влияния параметров режимов на прочность крестообразных соединений, образцы последних сваривались при различном вариантном сочетании силы сварочного тока и времени выдержки, а также двух вариантах относительной осадки.
Таблица 1
Параметры машины МТ-3001-1 УХЛ4 при контактно-точечной сварки
Тип параметров сварки Параметры станка Уровень тока нагрева Тип разрушения Средняя нагрузка при разрушении, Н Сила тока, А
Предсжатие, Н Сжатие, Н Импульс тока 1, с Интервал, с Импульс тока 2, с
Ток 1 Ток 2
Тип 1 (заводские параметры) 625 625 1,2 5 1,4 6 9 1 18320 20500
Тип 2 (100% прочность стыка) 375 500 1 1 1,2 4 6 1 18230 19120
Тип 3 375 500 0,6 1 0,7 1 1 2 15200 17500
Тип 4 375 500 0,6 1 0,7 4 6 2 14730 16890
Тип 5 375 500 0,6 1 0,7 3 3 2 7130 15310
Тип 6 (30% прочность стыка) 375 500 0,6 1 0,7 2 2 2 5500 14690
Тип 7 375 500 0,6 1 0,7 1 1 2 2100 14550
Тип 8 375 500 0,6 1 0,7 1 1 2 1450 13850
Примечания: тип разрушения 1 - по металлу стержня, 2 - по стыку
При каждом режиме сваривалось по три образца (рис. 2), после чего производилось их испытание в лаборатории на срез согласно
ГОСТ 10922-90 при помощи разрывной машины по схеме (рис. 3).
Рис. 2. Операция приварки поперечной арматуры и образцы для испытания
Рис. 3. Схема испытания крестообразных соединений
на срез: 1, 2 - арматурные стержни; 3 - зажимы; 4 - упор, препятствующий отгибу конца стержня Г, Р - прилагаемая нагрузка
В результате осуществлен подбор режимов контактно-точечной сварки, обеспечивающих при испытаниях крестообразных соединений на срез усилие, равное 100% и 30% от разрывной нагрузки хомутов. Прочность сварных соединений при испытаниях на срез в целом возрастает как с увеличением осадки, так и с повышением жесткости режима, что соответствует общепринятым представлениям. При этом разрушение происходит по металлу стержня (рис. 4, а). Хотя для контактно-точечной сварки продольной и поперечной арматуры, обеспечивающей 30% разрывного усилия хомутов (принятое согласно рекомендации норм проектирования Германии БГК-488-2-2009 с целью опытной проверки влияния данного типа соединения на работу изгибаемых элементов по наклонным сечениям), разрушение идет по стыку (рис. 4, б).
Рис. 4. Разрушение опытных образцов по металлу стержня (а) и по стыку (б) Важным фактором при производстве желе- скольких параметров: сила тока, времени сварки зобетонных конструкций является расход элек- и силы давления на стрежни. троэнергии (табл. 2), который зависит от неТаблица 2
Тип параметров сварки Время сварки, с Сила тока, А Сопротивление, мкОм Мощность, кВт Затраты электроэнергии, Втч
Тип 1 (заводские параметры) 1,4 20500 36 15,13 5,9
Тип 2 (100% прочность стыка) 1,2 19120 36 13,16 4,4
Тип 6 (30% прочность стыка) 0,7 14690 36 7,77 1,5
Таким образом, проведя оптимизацию параметров сварки, можно уменьшить затраты электроэнергии на 25% при равнопрочном соединении, а снизив значение прочности до 30% (нижнее граничное значение) энергозатраты сократятся до 70%.
Выводы. Оптимизация режимов контактно-точечной сварки на заводах ЖБИ при получении равнопрочных соединений арматурных стержней типа К1-Кт по ГОСТ 14098-91 позволит добиться значительной экономии электроэнергии без существенного снижения прочности
а
железобетонных конструкций (на данном этапе исследований экономия составляет 25% от общего количества энергозатрат при производстве).
Уменьшение величины прочности сварки продольной и поперечной арматуры до 30% от нормативного значения при изготовлении каркасов и сеток позволит сэкономить до 70% электроэнергии, при этом данная прочность будет иметь граничное значение, когда не происходит преждевременного разрушения изделия. Поэтому, технология производства таких крестообразных соединений должна предусматривать мероприятия, не позволяющие перейти за граничную величину.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кочергин К.А. Контактная сварка. Л.: Машиностроение, 1987. 240 с.
2. Орлов Б.Д., Чакалев А. А., Дмитриев Ю. В. и др. Технология и оборудование контактной
сварки. М.: Машиностроение, 1986. 352 с.
3. Малышев Б. Д., Акулов А. И., Алексеев Е. В., Блинов А. Н. и др. Сварка и резка в промышленном строительстве. М.: Стройиздат, 1989. 590 с.
4. Смоляго Г.А., Луценко А.Н., Дрокин С.В. К оценке живучести каркасных конструктивных систем из монолитного железобетона с учетом дефектов изготовления и монтажа. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 2. С. 80-83.
5. Козловский С. Н. Критерий оценки режима контактной точечной сварки // Сварочное производство. 1992. №9. С. 5-7.
6. Емельянов С.Н., Попковский В.А., Кать-кало А.А., Коротеев А.О. О выборе параметров режима при контактной точечной сварке оцинкованных сталей с сохранением покрытия. // Вестник Белорусско-Российского университета. 2011. № 2. С. 34-40.
