Конспект лекций_Соединения элементов МК

Министерство образования и науки Украины

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

Кафедра “Металлические конструкции”

АЛЁХИН А.М., РОМЕНСКИЙ И.В.

«СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ»

(конспект лекций для студентов всех форм

обучения по направлению подготовки «Строительство»)

Утверждено на заседании кафедры

”Металлические конструкции” Протокол № от г.

Макеевка, ДонНАСА, 2014 г.

УДК: 621.791:69(075)

Соединения элементов металлических конструкций. Конспект лекций / Сост.: Алёхин А.М., Роменский И.В. – Макеевка: ДонНАСА. – 2014. – 112 с.

В конспекте лекций содержатся сведения о физической сущности сварки и классификации способов сварки. Приведены теоретические основы сварки. Даны основные сведения о сварочных материалах для электрической и газовой сварок.

Рассмотрены напряжения и деформации, возникающие при сварке строительных конструкций и изделий, а также мероприятия по их снижению. Представлена работа, расчет и конструирование сварных, болтовых и специальных болтовых соединений.

Издание 3-е, переработанное и дополненное.

Для студентов специальностей ПГС, ТСК, ТГВ, ГСХ, ВК.

2

Введение

В настоящее время для соединений деталей и элементов металлических конструкций широкое применение получили как неразъёмные соединения с помощью сварки, так и разъёмные соединения на болтах, заклепках и новых прогрессивных видах болтовых со-

единений.

Сварные соединения обладают высокой прочностью, водо- и газонепроницаемостью,

что позволяет применять их в ответственных листовых конструкциях. Сварку применя-

ют при изготовлении и монтаже металлических и железобетонных конструкций, техно-

логических трубопроводов и оборудования из различных марок сталей, цветных метал-

лов и сплавов, других материалов.

Болтовые соединения на болтах и заклепках делают соединения простыми и надеж-

ными, что способствует их широкому применению при монтаже металлических конст-

рукций.

К специальным болтовым соединениям относят дюбели, распорные и химические анкера, которые применяются при соединении металлических конструкций к деревян-

ным, сборным железобетонным, монолитным железобетонным, каменным и армокамен-

ным конструкциям, а также оборудования.

Содержание конспекта лекций соответствует учебной программе модуля «Соедине-

ния элементов металлических конструкций» дисциплины «Металлические конструк-

ции».

Прилагаемый список литературы позволяет студентам расширить познания по инте-

ресующим их темам и вопросам.

Представленные в конспекте лекции материалы могут быть полезны специалистам,

работающим в области строительства.

3

1. Общие сведения о сварке

Проблема прочного соединения твердых материалов с давних пор имеет большое значе-

ние. Процессы соединения деталей из металла, дерева, камня, керамики, кирпича, пла-

стмассы и т.п., а также разделения и дробления их дополняют друг друга и составляют основу обработки твердых материалов. Без этих процессов нельзя представить сейчас промышленность и строительство.

Существует две большие группы соединения твердых тел:

1.Механические способы соединения;

2.Способы соединения за счет молекулярных и атомных сил сцепления.

К первой группе относят различные виды болтовых соединений, заклепочные и кли-

новые соединения, плотная посадка и т.п.; ко второй – сварка, пайка, склеивание, соеди-

нение цементами и др.

Перечисленные способы соединения твердых тел различаются своими особенностя-

ми, и имеет свои области применения, дополняя друг друга, и позволяют выполнять са-

мые различные производственные задачи.

Способы первой группы позволяют получать разъемные соединения, т.е. дающие возможность разъединять детали без их разрушения. Соединения второй группы в большинстве своем неразъемные.

Одним из основных способов второй группы является сварка, позволяющая соеди-

нять практически все металлы и их сплавы, стекло, пластмассы, керамику и т.п. Спосо-

бы сварки все время совершенствуются, области применения их расширяются. Этого требует бурное развитие техники, использование новых материалов, создание новых оригинальных конструкций.

4

1.1. Физическая сущность сварки и ее классификация

Сварка представляет собой процесс образования неразъемного соединения однородных или разнородных тел за счет межмолекулярных или межатомных сил сцепления при на-

гревании и (или) пластическом деформировании.

Всякие твердые и жидкие тела представляют собой систему атомов или молекул,

связанных между собой межатомными или межмолекулярными силами сцепления, ко-

торые являются результатом взаимодействия их электронных оболочек. Внутри объема тела эти силы сцепления взаимно уравновешены. Атомы и молекулы, находящиеся на поверхности тела, имеют свободные связи и могут при определенных условиях присое-

динять к себе другие атомы и молекулы (например, адсорбция газов, связь с поверхно-

стными атомами другого твердого или жидкого тела.) Значит, для получения неразъем-

ного соединения твердых тел необходимо обеспечить взаимодействие между поверхно-

стными атомами тел. Для этого нужно сблизить кромки соединяемых деталей на рас-

стояние, равное или меньшее межатомному расстоянию кристаллической решетки со-

единяемых тел (3-5) 10-10м.

Для жидких тел это выполняется легко за счет подвижности, смачивания поверхно-

сти, но для твердых тел возникают трудности, т.к. их поверхность даже после тщатель-

ной обработки имеет микроскопические неровности, впадины, бугорки и при соприкос-

новении они будут иметь контакт только в отдельных физических точках.

Кроме того, атомному сближению и сцеплению препятствуют пленки окислов или других химических соединений, адсорбированных газов и различные загрязнения, в ре-

зультате чего в обычных условиях на поверхностях соединяемых тел не могут проявить-

ся межатомные силы сцепления из-за отсутствия свободных связей.

1.1.1. Сварка

При сварке перечисленные трудности получения прочного соединения устраняются двумя следующими основными приемами:

1.Нагревом соединяемых деталей;

2.Сдавливанием или осадкой их; нагрев ослабляет межатомные связи, снижает твер-

дость материала и повышает его пластичность.

Сдавливание или осадка соединяемых деталей создает пластические деформации,

течение материала на границе раздела, разрушает окислы и загрязнения, удаляя их из зоны сварки в грат вместе с поверхностным слоем материала и выводя «ювенильные»

5

слои материала, что создает межатомные силы сцепления.

Нагрев и осадка при сварке дополняют друг друга: чем выше нагрев, тем меньше давление осадки, и наоборот. В предельных случаях осадочное давление или нагрев ста-

новятся ненужными.

При нагреве до расплавления металла осадочное давление не требуется, т.к. жидкий металл самопроизвольно сливается в общую сварочную ванну и после затвердевания ча-

сти детали будут прочно скрепленными.

При холодной сварке к соединяемым деталям прикладывают высокое удельное дав-

ление осадки, создающее большие пластические деформации. Нагрев при этом не ну-

жен. Возможна холодная сварка при температуре кипения жидкого азота (-196°С).

Многие другие способы сварки занимают промежуточное положение. Процессу сварки и повышению прочности соединения способствуют взаимное растворение и диффузия металла соединяемых частей. При сварке деталей из разных металлов могут образовываться непрерывные твердые растворы (Fe-Ni; Fe-Cr; Ni-Mn и др.), металлы могут иметь неполную взаимную растворимость (Fe-Cu; Fe-Zn) или практически не рас-

творяться друг в друге (Fe-Ag; Fe-Mg; Fe-Pb и т.д.) Следует иметь в виду, что и в по-

следнем случае могут успешно свариваться металлы.

Все имеющееся многообразие способов сварки (более 50) по способу устранения фак-

торов, препятствующих межатомному взаимодействию, можно разделить на две группы:

1.Сварка плавлением (в жидкой фазе)

2.Сварка давлением (в твердой фазе).

При сварке плавлением металл соединяемых частей в зоне сварки расплавляется, пе-

реходит в жидкое состояние. При этом расплавляется и присадочный материал; таким образом образуется сварочная ванна из основного и присадочного металла (рис.1.1).

Рис. 1.1. Сварка плавлением:

а– плавление свариваемого металла; б – сварное соединение;

1– источник тепла; 2 – свариваемый металл; 3 – жидкий металл; 4 – наплавленный металл (сварной шов); 5 – присадочный металл

6

При этом не требуется предварительной особо тщательной очистки поверхности ме-

талла; нагрев расплавляет металл и загрязнения поверхности, всплывающие в сварочной ванне.

Затвердевающий металл зоны сварки претерпевает значительные изменения в хими-

ческом составе и структуре, приобретая характерную структуру литого. Температура нагрева значительно превышает температуру плавления свариваемого металла, что ис-

ключает значительный нагрев обеих деталей и увеличивает скорость сварки.

В зависимости от источника нагрева сварка плавлением подразделяется на пять основ-

ных видов: дуговую, газовую, термитную, электрошлаковую и электронным лучом.

При дуговой сварке нагрев и плавление осуществляется за счет тепла электрической сварочной дуги; при газовой – используется тепло сгорания газа или паров жидких го-

рючих; при термитной – тепло, выделяемое при сгорании термитной смесью; при элек-

трошлаковом процессе тепло для сварки образуется от прохождения тока через расплав-

ленный слой шлака; при электронно-лучевой – нагрев и плавление металла производит-

ся теплом от бомбардировки электронами луча металла изделия, помещаемого в вакуум.

Сварка давлением может производиться без предварительного или с предваритель-

ным местным нагревом деталей (рис.1.2). При этом состав металла и его структура не изменяются. Этот вид сварки требует тщательней подготовки и зачистки соединяемых поверхностей, требует обязательного приложения осадочного давления. При этом сила осадки обратно пропорциональна температуре нагрева свариваемых элементов. В зави-

симости от рода источника местного нагрева различают сварку: контактную (электросо-

противлением), термитную давлением, газопрессовую, индукционную (электропрессо-

вую), трением и вакуумно-диффузную.

Рис. 1.2. Сварное соединение, выполненное (без расплавления металла):

а – процесс нагрева; б – сварное соединение; 1 – свариваемые детали; 2 – слои металла в пластическом состоянии; 3 – сварной шов; 4 – грат

Каждый вид сварки подразделяется на способы, отличающиеся между собой технологи-

ческими особенностями.

7

1.1.2. Пайка

Этот процесс соединения металлов занимает промежуточное положение между сваркой и склеиванием. Соединение производится с помощью сравнительно легкоплавкого ме-

талла, называемого припоем, температура плавления которого ниже, чем соединяемого металла. Расплавленный припой наносится на хорошо зачищенные кромки соединяемых частей, смачивает их и после затвердевания образует соединение. Припой и соединяе-

мые металлы весьма разнообразны, что обуславливает резкие различия в процессе пайки и характере получаемых соединений. Основная составная часть припоев - олово, медь,

серебро.

В этом способе соединения существенную роль играет способность припоя хорошо смачивать основной металл, т.е. адгезия (прилипание) припоя к металлу должна превы-

шать когезию (сцепление) частиц припоя. Основной металл не расплавляется. Здесь по-

чти всегда применяются флюсы для очистки поверхности металла от окислов и других загрязнений и усиления адгезии жидкого припоя к твердому металлу.

Слой расплавленного припоя практически не оказывает сопротивления сдвигу.

Прочность соединения возникает скачком образно при затвердевании припоя.

1.1.3.Склеивание

Это самый универсальный способ соединения твердых материалов за счет сил молеку-

лярного сцепления. Можно склеивать дерево, металлы, пластмассы, бетон, стекло, рези-

ну и т.д., а также разнородные материалы (металл + дерево; + резина, + пластмассы и т.д.

Между соединяемыми частями клей вводится обычно в жидком виде и, реже, в виде порошка или пластинок, размягчаемых нагреванием. Клей в соединении затвердевает постепенно вследствие испарения растворителей, химических реакций или полимериза-

ции. Склеивание почти полностью основано на адгезии, причем клей почти во всех слу-

чаях не взаимодействует с соединяемым материалом. Прочность склеивания довольно высокая, и при правильном склеивании разрушение под нагрузкой происходит или по соединяемому материалу, или по клеевой прослойке.

Преимущество способа такого соединения материалов - простота, небольшая стои-

мость и высокая универсальность.

Недостатком является снижение прочности при нагреве, старение клеев, в сравни-

тельно короткий срок снижающее их прочность, чувствительность некоторых из них к воздействию сырости.

8