Производство сварных конструкций

УДК 621.791(075.32)
ББК 30.4я723

О35

Рецензенты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник ОАО «НПО «ЦНИИТМАШ»

С.И. Феклистов;

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «МГИУ»

В.Ф. Савельев

Овчинников В.В.

О35
Производство сварных конструкций : учебник / В. В. Овчинников. —

М. : ИД «ФОРУМ» : ИНФРАМ, 2019. — 288 с. — (Профессиональное
образование).

ISBN 9785819906224 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 9785160106809 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161025604 (ИНФРАМ, online)

Рассмотрены общие вопросы разработки технологий изготовления сварных

конструкций. Даны основные виды технологических операций, примеры сборочносварочных приспособлений и технологической оснастки, порядок выбора режимов сварки для различных способов сварки плавлением. Описаны особенности производства типовых сварных конструкций: балочных, рамных и
решетчатых конструкций; негабаритных емкостей и сооружений; сосудов, работающих под давлением; сварных труб, трубопроводов, корпусных конструкций
и сварных деталей машин.

Для студентов учреждений среднего профессионального образования, бакалавров, а также может быть полезен для специалистов сварочного производства
машиностроительных предприятий.

УДК 621.791(075.32)
ББК 30.4я723

ISBN 9785819906224 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 9785160106809 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161025604 (ИНФРАМ, online)

©Овчинников В.В., 2017
©ИД «ФОРУМ», 2017

ФЗ

№ 436ФЗ

Издание не подлежит маркировке
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Предисловие

Изготовление конструкций различного назначения с помощью сварки получает все большее распространение во всех промышленно развитых странах. Экономичность изготовления сварных конструкций является главным фактором, обеспечивающим
их приоритетное применение по сравнению с литыми, коваными
и штампованными конструкциями.
Машиностроение является отраслью с высокоразвитым сварочным производством. Технологический процесс изготовления
сварных конструкций включает в себя последовательное выполнение заготовительных, сборочных, сварочных, контрольных, отделочных и других операций. Преобладающими способами сварки
являются электродуговая и электрошлаковая. В последние годы
бурно развиваются лучевые методы сварки (электроннолучевая и
лазерная сварка), а также сварка трением с перемешиванием.
При широком применении компьютерных средств проектирования и моделирования технологических процессов роль конструктора и технолога существенно возрастает. Вопросы проектирования и изготовления должны решаться во взаимной связи. При
разработке технологических процессов изготовления сварных
конструкций следует стремиться к максимальной замене ручного
труда путем комплексной механизации и автоматизации как отдельных операций, так и процесса в целом.
Технология выполнения сборочносварочных операций включает в себя десятки самостоятельных операций: установку и базирование заготовок, сборку, сварку, кантовку, транспортировку,
зачистку швов и зоны сварки, правку, контроль, маркировку, окраску и т. п.
Разработка технологии предусматривает выбор схем базирования, последовательности сборки, технологической оснастки, элементов приспособлений, вспомогательного инструмента и материалов. При этом решают отдельные задачи:
• выбор сварочного оборудования;
• назначение параметров сварочных материалов (марка и диаметр сварочной проволоки, марки защитных газов, флюсов
и т. п.);
• назначение параметров режимов сварки (сила тока, напряжение, скорость сварки и т. д.);
• назначение методов контроля в процессе и после окончания
сварки.
Исходными данными при проектировании сварочного технологического процесса являются чертежи сварной конструкции,
технические условия на ее изготовление и планируемая программа
выпуска. Чертежи и технические условия содержат данные о применяемых материалах, конфигурации заготовок, размерах, типах
сварных соединений. В чертежах и технических условиях определены также критерии для оценки качества получаемых сварных
соединений. Характер требований к качеству сварной конструкции зависит от особенностей условий ее эксплуатации и возможных последствий выхода из строя.
С учетом программы выпуска производят оценку техникоэкономической эффективности спроектированного сварочного технологического процесса.
Разработка технологии имеет целью обеспечить оптимальные
условия выполнения каждой отдельной операции и всего процесса в целом. Для разных сварных конструкций представления об
оптимальности технологического процесса могут сильно отличаться, поэтому вопросы рационального проектирования процесса изготовления сварных конструкций рассматриваются на примерах их изготовления (главным образом на примере сварки
плавлением). Особую важность при этом приобретают вопросы
аттестации сварочного производства.

4
Предисловие

Глава 1
КЛАССИФИКАЦИЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Принципы классификации сварных конструкций

Большое разнообразие сварных конструкций затрудняет их
единую классификацию. Сварные конструкции можно классифицировать:
• по способу получения заготовок (листовые, литосварные,
кованосварные, штампосварные);
• целевому назначению (вагонные, судовые, авиационные
и др.);
• характерным особенностям их работы (балки, рамы, фермы,
емкости, сосуды, работающие под давлением, трубы и трубопроводы, корпусные конструкции и т. п.).
При рассмотрении вопросов проектирования и изготовления
сварных конструкций последние целесообразно классифицировать в зависимости от характерных особенностей работы. В этом
случае можно выделить следующие типы сварных конструкций.
Балки — конструктивные элементы, работающие в основном
на поперечный изгиб; жестко соединенные между собой балки образуют рамные конструкции.
Колонны — элементы, работающие преимущественно на сжатие или сжатие с продольным изгибом.
Решетчатые конструкции — система стержней, соединенных в
узлах таким образом, что они испытывают главным образом растяжение или сжатие; к решетчатым конструкциям относятся фермы, мачты, арматурные сетки и каркасы.
Конструкции, испытывающие избыточное давление — конструкции, к которым предъявляют требование герметичности соединений; к этому типу конструкций относятся различные емкости, сосуды и трубопроводы.
Корпусные транспортные конструкции — конструкции, подвергающиеся динамическим нагрузкам, поэтому к ним предъявляют
требования высокой жесткости при минимальной массе (основные конструкции данного типа — корпуса судов, вагонов, кузова
автомобилей).
Детали машин и аппаратов работают преимущественно при
переменных, многократно повторяющихся нагрузках, поэтому характерным требованием для них является получение точных размеров, обеспечиваемое главным образом механической обработкой заготовок или готовых деталей (примерами таких конструкций являются станины, валы, колеса).

1.2. Балки и колонны

Типы поперечных сечений и размеры сварных балок весьма
разнообразны. Если нагрузка приложена в вертикальной плоскости, чаще всего используют балки двутаврового сечения. При приложении нагрузки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а
также при действии крутящего момента более целесообразно использование балок коробчатого сечения.
Обычно сварной двутавр состоит из трех основных листовых
элементов: стенки и двух полок (поясов), но может иметь вертикальные и горизонтальные ребра жесткости. При больших размерах двутавровой балки ее стенка и пояса могут быть составными.
Такие балки нашли применение при сооружении пролетных
строений автодорожных мостов. Устойчивость вертикальной
стенки обеспечивается вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости, сечение изменяется за счет изменения ширины и
толщины поясов.
Типовые конструкции подкрановых балок с тонкой стенкой и
поясами из тавров, полученных роспуском широкополочных двутавров, показаны на рис. 1.1. Сварные балки пролетом 6 м и высотой 800...1300 мм предполагается изготовлять с уширенными верхними поясами под краны грузоподъемностью 10...20 т без ребер
жесткости и под краны 30...50 т с ребрами жесткости. Балки про6
Глава 1. Классификация сварных конструкций

1.2. Балки и колонны
7

Рис. 1.2. Примеры колонн постоянного (а) и переменного (б, в) сечений:
а, б — сплошные; в — сквозная

Рис. 1.1. Составные подкрановые балки с использованием широкополочных
двутавров

летом 12 м и высотой 1100...1600 мм предусматриваются с поясами
одинаковой ширины и с ребрами жесткости.
Балки коробчатого сечения широко используют в конструкциях мостовых кранов. Обычно вдоль балки располагают поперечные диафрагмы, которые приваривают к сжатому верхнему поясу
и к боковым стенкам. Сварные элементы коробчатого сечения используют также в качестве стержней ферм крупных мостовых пролетных строений. В конструкциях ферм автои железнодорожных
мостов применяют унифицированные сварные коробчатые элементы шириной 526 и высотой 450, 600 и 800 мм, длиной до 17 м.
В отличие от балок эти элементы диафрагм не имеют.
Колонны могут быть сплошные (рис. 1.2, а, б) и сквозные
(рис. 1.2, в). Колонны цехов воспринимают нагрузку от кровли и
от кранового моста в местах расположения опор подкрановых балок. Резкое увеличение нормальной силы и изгибающего момента
в этом сечении нередко приводит к необходимости использования
ступенчатых колонн (рис. 1.2, б, в). Нижняя часть колонн имеет
опорную плиту, передающую нагрузку на бетонный фундамент.

1.3. Балочные и решетчатые конструкции

Рамы представляют собой объемную пространственную конструкцию, предназначенную для объединения отдельных деталей и
механизмов в единый агрегат. Одно из главных требований,
предъявляемых к рамам, — жесткость конструкции. Поэтому входящие в состав сварной рамы балочные заготовки соединяют друг
с другом либо непосредственно, либо с помощью вспомогательных элементов жесткости. Размеры рам и их конструктивное
оформление весьма разнообразны, различны и методы получения
балочных заготовок. Так, рамы клетей мощных прокатных станов
собирают и сваривают из балочных заготовок в виде массивных
стальных отливок (рис. 1.3). В рамах тележек железнодорожного
подвижного состава нередко также наиболее сложные элементы
выполняют в виде стальной отливки с относительно тонкими
стенками.
Общим для решетчатых конструкций является наличие в узлах
соединений нескольких отдельных стержней того или иного сечения.

8
Глава 1. Классификация сварных конструкций

Фермы, как и балки, работают на поперечный изгиб. Конструктивные формы балок проще, однако при достаточно больших
пролетах применение ферм оказывается более экономичным. Характерные схемы решеток ферм показаны на рис. 1.4. Треугольная (а) и раскосная (б) схемы являются основными. Фермы, воспринимающие нагрузки по верхнему или нижнему поясу, с целью
уменьшения длины панели изготовляют по схемам, изображенным на рис. 1.4, в, г. Иногда применяют безраскосные фермы с
жесткими узлами (рис. 1.4, д). По очертанию поясов фермы могут
быть с параллельными поясами или с поясами, образованными
ломаной линией (рис. 1.4, е). По назначению фермы разделяют на
стропильные и мостовые.
Стропильные фермы работают при статической нагрузке.
В качестве стержней используют главным образом прокатные и
значительно реже гнутые замкнутые сварные профили и трубы.
В общем объеме производства фермы из парных прокатных
уголков составляют около 90 %. Стержни в узлах соединяют либо
непосредственно, либо с помощью вспомогательных элементов
главным образом дуговой сваркой. Перспективно применение то1.3. Балочные и решетчатые конструкции
9

Рис. 1.3. Рама вертикальной клети

чечной контактной сварки. Изза статического характера нагружения стропильных ферм чувствительность к концентрации напряжений в точечных соединениях мала; в то же время контактная
сварка обеспечивает значительное повышение производительности сборочносварочных работ.
Мостовые фермы работают при переменных нагрузках и нередко при низких климатических температурах, что определяет
высокую чувствительность их сварных соединений к концентрации напряжений. Поэтому в процессе проектирования и изготовления сварных мостовых пролетных строений особое внимание
уделяют предотвращению и устранению концентрации напряжений в сварных соединениях и узлах.
Решетчатые пролетные строения с ездой понизу применяют
главным образом для железнодорожных мостов. Для автодорожных мостов более характерно использование стальных и сталежелезобетонных сплошностенчатых пролетных строений с ездой поверху.
Пространственные решетчатые конструкции башенного типа
(радиомачты, радиобашни, буровые вышки и т. д.) вследствие
большой высоты подвергаются значительным ветровым нагрузкам, поэтому их изготовляют преимущественно из трубчатых элементов. Поскольку размеры этих конструкций превышают габарит железнодорожного подвижного состава, их монтируют из сваренных на заводе секций. Основные стойки башни располагаются
по углам граней секций и являются поясами плоских ферм. Стой10
Глава 1. Классификация сварных конструкций

Рис. 1.4. Схемы решеток ферм

ки составляются из отдельных труб стандартной длины и через
приваренные к их торцам фланцы соединяются между собой болтами.
В особенно трудных условиях работают буровые вышки для
добычи нефти и газа в открытом море на глубинах порядка
150...200 м. Помимо ветровой, они испытывают значительные нагрузки от ударов волн. Поэтому в этих конструкциях используют
трубы больших диаметров. Так, опоры буровых вышек для добычи
нефти в Северном море на глубинах более 150 м сооружают из
труб диаметром до 4270 мм при толщине стенок до 64 мм.
Мачты линий электропередачи также являются пространственными решетчатыми конструкциями, но для их изготовления
используют прокат в виде уголков.
К решетчатым конструкциям следует отнести и сварные элементы арматуры железобетона: сетки, плоские и пространственные каркасы. Сетки из взаимно перпендикулярных стержней круглого или периодического профиля, соединяемых контактной
сваркой, могут быть рулонные (рис. 1.5, а) и плоские (рис. 1.5, б).
Их назначение — армирование плит перекрытий, перегородок,
покрытия дорог, аэродромов, каналов и других элементов конструкций и сооружений. Типы сварных каркасов разнообразны.
Плоские каркасы используют в балочных перекрытиях (рис. 1.6),
они состоят из продольной арматуры (поясов) и соединительной

1.3. Балочные и решетчатые конструкции
11

Рис. 1.5. Виды сварных сеток

решетки в виде отдельных стержней или непрерывной змейки.
Плоские каркасы, как и сетки, сваривают на точечных контактных машинах. Пространственные каркасы обычно имеют поясные
продольные стержни и соединительную решетку либо в виде отдельных стержней, располагаемых по каждой из граней, либо в
виде непрерывной проволоки, навиваемой по спирали.

1.4. Оболочковые конструкции

Конструкции оболочкового типа собирают из листовых заготовок и сваривают герметичными швами. В зависимости от габаритных размеров, конструктивного оформления и характерных
особенностей изготовления и эксплуатации оболочковые конструкции можно разделить на негабаритные емкости и сооружения,
сосуды, работающие под давлением, трубы и трубопроводы.
Емкости и сооружения нередко имеют размеры, намного превышающие габарит подвижного железнодорожного состава. Такие
изделия приходится изготовлять на заводе по частям и отправлять
на место монтажа отдельными секциями.
Вертикальные цилиндрические резервуары чаще всего используют для хранения нефтепродуктов. Высота резервуара обыч12
Глава 1. Классификация сварных конструкций

Рис. 1.6. Армирование балок плоскими сварными каркасами