В строительной практике применяют разнообразные способы соединения металлических конструкций, которые можно разделять на две группы: разъемные и неразъемные. Разъемными соединениями будут болтовые, шпоночные и клиновые, а неразъемными — сварные и клепаные.
Сварные по сравнению с другими видами соединений (клепаными) имеют значительные технико-экономические преимущества: экономят время, рабочую силу, металл и снижают стоимость строительства.
Применяемые в настоящее время способы сварки могут быть разделены на два основных вида: пластическая сварка и сварка плавлением.
При пластической сварке производится нагрев кромок металла до пластического или жидкого состояния и их соединение (обжатие); сварка плавлением основана на расплавлении кромок металла соединенных деталей и последующего затвердения расплавленного металла в зоне шва.
К пластичной сварке относятся:
• кузнечная сварка;
• электрическая сварка сопротивлением, основанная на тепловом действии тока, проходящего через свариваемые детали (например, точечная и стыковая сварка арматуры).
К сварке плавлением относятся:
• электродуговая сварка, основанная на использовании тепла электрической дуги;
• газовая сварка, основанная на расплавлении кромок металла теплом, получаемым при горении газа;
• газодуговая сварка, основанная на использовании тепла электрической дуги в среде защитного газа;
• термитная сварка, при которой нагрев металла происходит за счет горения термита (например, сварка рельсов).
Для соединения стальных строительных конструкций преимущественно применяется электродуговая сварка, реже газовая и термитная. Арматура железобетонных конструкций сваривается преимущественна при помощи сварки сопротивлением.
Электродуговая сварка
При дуговой сварке нагрев металла до расплавленного состояния кромок соединяемых деталей осуществляется теплом электрической дуги, возникающей при прохождении тока между электродом и деталями. Температура в месте возникновения дуги может достигать до 6000°, что обеспечивает сосредоточенный быстрый нагрев металла до расплавления, в результате чего детали свариваются. Электродуговая сварка осуществляется с применением постоянного и переменного тока.
Способ электродуговой сварки изобрел инж. Н. Н. Бенардос в 1882 г., применив угольный электрод; инж. Н. Г. Славянов в 1888 г. усовершенствовал способ Н. Н. Бенардоса, заменив угольный электрод металлическим. Способ Н. Г. Славянова быстро получил широкое практическое применение и сохранился до наших дней.
По способу Н. Г. Славянова один провод от источника тока присоединяется к свариваемой детали, а второй — к электроду — металлическому стержню. При замыкании цепи между концами электрода и деталью возникает электрическая дуга, в результате чего плавятся кромки детали и электрод; металл электрода заполняет шов между деталями и образует после затвердения сваркой шов.
Прочность шва зависит от глубины провара, т. е. от глубины сплавления наплавленного металла электрода с металлом детали, и от вида электрода.
Электрод представляет собой -стальной стержень диаметром от 2 до 12 мм, покрытый специальными обмазками. Обмазки, в состав которых могут входить поташ, сода, мел, крахмал и др., наносятся на электрод в жидком состоянии; для прочной связи обмазки с электродом их разводят жидким стеклом. Обмазка повышает устойчивость горения дуги, создает газовую оболочку, защищая расплавленный металл от воздействия воздуха, образует шлаковую защиту шва, что в конечном итоге улучшает качество сварного соединения.
При ручной дуговой сварке применяются электроды: типов Э-34; Э-38 и Э-42А — для сварки углеродистой стали обыкновенного качества и мостовой стали; типов Э-50А и Э-55А-для сварки низколегированной стали.
Цифры при электроде показывают предел прочности при растяжении (в кг/см2) сварного соединения, получаемого при сварке данным электродом.
Для изготовления электродов применяют малоуглеродистую сварочную проволоку.
Газовая сварка
Процесс газовой сварки заключается в расплавлении металла в месте стыка деталей теплом, получаемым при горении газа или жидкого топлива. В шов добавочно вводится присадочный металл, получаемый плавлением металлической проволоки, по качеству сходный с металлом свариваемых деталей. Газовая сварка применяется для соединения тонкостенных конструкций из углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и серого чугуна. В строительстве она имеет ограниченное применение из-за высокой стоимости по сравнению с дуговой сваркой.
Наиболее экономичной газовой сваркой является ацетиленокислородная сварка. Раздельно доставленные в специальных баллонах ацетилен и кислород по шлангам подаются к горелкам, где они смешиваются и по выходе из наконечника горелки зажигаются. Пламя, температура которого достигает около 3000°, переносится к месту сварки деталей и в него вводится присадочный металл — стальная проволока. Под действием высокой температуры кромки деталей и присадочный металл расплавляются, заполняя место стыка и образуя сварной шов.
Контроль качества сварных соединений
Контроль качества сварных соединений осуществляется внешним осмотром, металлографическими исследованиями, механическими испытаниями, просвечиванием и другими способами.
Внешний осмотр позволяет установить дефекты на поверхности шва, его размеры и форму, плотность соединения, что особенно важно при сварке баков, резервуаров, газопроводов и водоводов.
Металлографические исследования осуществляются макро- и микроанализом. Для этой цели в плоскости шва вырезаются образцы, которые затем подвергаются механическим испытаниям. Микроанализ устанавливает глубину провара, наличие пор, раковин и трещин в шве.
Механические испытания производят на образцах, вырезанных из конструкции; иногда ограничиваются испытаниями образцов из специально сваренных пластин. Образцы подвергаются испытаниям на растяжение, загиб, удар и др. Производство испытаний аналогично рассмотренным в разделе «Механические свойства металлов».
Просвечивание рентгеновскими лучами позволяет выявить дефекты шва без разрушения сварного соединения, что является большим преимуществом этого метода.
Просвечивание швов рассматривается непосредственно или на фотоснимке. Рентгеноанализ дает возможность установить наличие в шве трещин, непроваров, газовых пузырей.