Тема 4. Лекція 6 ВИРОБНИЦТВО МЕТАЛЕВИХ ВИРОБІВ ТА КОНСТРУКЦІЙ

План

1. Виробництво сталевих конструкцій.

2. Виробництво виробів і конструкцій з алюмінієвих сплавів.

Література

1. Стрелецкий Н.С. Проектирование и изготовление экономических металлических конструкций. – М.: Стройиздат, 1989.

2. Колесниченко В.Г. Технология монтажа металлических конструкций. – К.: Вища школа, 1983.

3. Тарановский С.В. Алюминиевые конструкции. – 1984.

Виробництво сталевих конструкцій

Металеві конструкції поділяють на будівельні і технологічні.

Будівельні конструкції – колони, ферми, балки використовують при будівництві цивільних і промислових будівель і споруд. Будівельні конструкції головним чином виготовляють із маловуглецевої сталі. Марки сталі для виробництва металоконструкцій вибирають в залежності від умов їх експлуатації, навантажень, призначення і інших факторів.

Технологічні металоконструкції застосовують при встановленні технологічного обладнання, або вони є складовою частиною цього обладнання. До технологічних металоконструкцій відносять: естакади трубопроводів, огородження, резервуари, ємності, бункери, нестандартне обладнання та інші.

Сталь маловуглецеву будівельну і вуглецеву гарячекатану звичайної якості поділяють на три категорії: А – сталь, яка відповідає визначеним механічним властивостям; Б – сталь, яка відповідає визначеному хімічному складу; В – сталь, яка відповідає визначеним механічним властивостям і додатковим вимогам по хімічному складу. Характеристики деяких сталей групи А наведені у таблиці 1.1, а Б – 1.2.

Таблиця 1.1. Характеристика сталей групи А

Таблиця 1.2. Хімічний склад сталей групи Б

Низьколеговані сталі, які вміщують не більше 1% хрому і нікелю використовують в будівництві для виготовлення конструкцій, які вимагають підвищеної міцності. Для виробництва технологічних металоконструкцій можуть застосовувати спеціальні леговані і високолеговані сталі. Сталі, які застосовують у будівництві, мають великі міцність, електро- і теплопровідність. Вони, як правило, добре зварюються, працюють при низьких і високих температурах. До недоліків сталі можна віднести велику щільність, здатність до корозії в умовах дії агресивних середовищ. Для виготовлення несучасних зварних конструкцій використовують сталі таких видів: мартенівську марок В Мст 3 пс (сп, кп), низьколеговану марок 15 ГС, 14Г2,10Г2С, 10Г2СД. Сталі марок Ст4 та Ст5 рекомендовано для конструкцій, які не мають зварних з’єднань і сприймають тільки статичні навантаження. До сталі для мостових конструкцій ставлять спеціальні вимоги щодо однорідності та дрібнозернистості, відсутності зовнішніх дефектів, міцнісних та деформативних властивостей. Конструкції виготовляють з прокатних металевих виробів.

Прокатуванням металу під тиском між валками стана виготовляють: сортову сталь, прокатну сталь листову, кутики, швелери, двутаври, труби. Основну масу прокатних сталевих виробів одержують прокатуванням у гарячому стані, при температурі 900…1250ºС (гаряча прокатка) і невелику частину – у холодному стані (холодна прокатка). На сортаменти сталі є відповідні стандарти найбільш раціональних типів профілів та частоти їх градації.

Сортову сталь: круглу (діаметром 10…210 мм), застосовують для виготовлення арматури, скоб, болтів; квадратну (сторона квадрата 10…100 мм), штабову (завширшки 12…20 мм) – для виготовлення в’язів, хомутів та бугелів. Сталь листову завтовшки 4…160 мм для технологічних конструкцій, кутики (рівнобокі та нерівнобокі) випускають площиною перерізу від 1 до 140 см. Швелери характеризуються перерізом і визначаються їхнім номером, який відповідає висоті стінки швелера у сантиметрах. Двутаври мають номер відповідно до висоти у сантиметрах. Труби мають діаметр 8…1620 мм. Вони можуть бути круглого, квадратного та прямокутного перерізу.

Важливим напрямом у справі раціонального використання металу у будівництві є застосування гнутих профілів прокату і сталей підвищеної та високої міцності в конструкціях промислових будівель та споруд. Найбільш доцільною конфігурацією профілів є замкнута форма поперечного перерізу. Гнуті профілі виготовляють методом безперервного профілювання листів, штабів і стрічки на профілевигинальних агрегатах різних типів. Застосування металевих конструкцій з профілів дає змогу економити метал. Такі конструкції стійкі при змінних навантаженнях, надійні за умов низьких температур, мають підвищену корозійну стійкість. Найдоцільніше застосовувати гнуті профілі при будівництві великопрогінних промислових та громадських будинків: складальних цехів, гаражів, виставочних павільйонів, спортивних залів. Знаходять сфери використання гнуті гофровані профілі; листові з гофрами. Такі профілі застосовують як панелі перекриттів, стінові та покрівельні елементи, настили підлог. Легкість монтажу, демонтажу, багаторазовість складання і транспортування – усе це дає змогу широко впроваджувати їх при створенні споруд цивільного та спеціального призначення.

Питома вага окремих металевих конструкцій у загальному обсязі їх виробництва у теперішній час складає, %: колони, балки, ригелі, прогони, ферми – до 50; резервуари, бункери – до 15; спеціальні конструкції споруд металургійної і хімічної промисловостей – до 20 ; огороджуючи конструкції – до 10; інші – до 5.

Металеві конструкції виготовляють на спеціалізованих і неспеціалізованих підприємствах. В останньому випадку, як правило, мають місце перевитрати металу внаслідок частої заміни профілів профілями більшого перерізу. Спеціалізовані підприємства по виготовленню металевих конструкцій підрозділяються на підприємства невеликої потужності – виробництво 25-30 тис. т виробів в рік; середньої потужності – 30-70 тис. т виробів в рік; великої потужності – більш ніж 70 тис. т виробів в рік. Підвищення обсягів виробництва конструкцій на нових механізованих підприємствах, їх типізація і стандартизація створюють найбільш сприятливі умови для загальної спеціалізації підприємств, що в свою чергу дозволяє підвищити рівень заводської готовності конструкцій до 60% і продуктивність праці на підприємствах; знизити собівартість конструкцій у 1,5…2 рази. На спеціалізованих заводах широке використання отримали автоматизовані і комплексно-механізовані лінії по виготовленню окремих виробів, вузлів і конструкцій із профільного і листового металу. Значне зменшення трудових витрат на спеціалізованих підприємствах досягається за рахунок механізації допоміжних і транспортних операцій. Для досягнення більшого ступеню заводської готовності конструкцій необхідно підвищувати точність їх виготовлення, створювати автоматизовані лінії по очистці, грунтовці, фарбуванню або цинкуванню конструкцій. Передбачається повна комплектація конструкцій необхідними допоміжними виробами. Підприємства невеликої потужності, як правило, виготовляють окремі конструкції легких каркасів промислових будинків, естакад, опор ЛЕМ. Цехи підготовки металу і фарбувальний в цьому випадку розміщуються у прольотах з поперечним рухом кранів, а цехи обробки, збирання і зварювання конструкцій – в прольотах з повздовжнім рухом кранів паралельно виробничому потоку. Більшість діючих підприємств невеликої потужності мають у збірально-зварювальних цехах мостові крани вантажопідйомністю 10…15 т, а в фарбувальних і зварювальних цехах – 20 т. Технологічні схеми таких підприємств передбачають можливість збирання конструкцій на відкритих майданчиках, які обладнують козловими, баштовими, залізничними, гусеничними або автомобільними кранами. Електрозварювальне обладнання, з метою захисту його від впливу атмосферних опадів, розміщують у невеликих закритих приміщеннях або під наметами. Підприємства середньої потужності виготовляють різні конструкції каркасів головних цехів металургійних заводів, цехів заводів важкого машинобудування, ТЕС. Усі види цехів основаного виробництва таких підприємств розміщують в головному корпусі з поперечними прольотами. Збирально-зварювальні цехи обладнують мостовими кранами вантажопідйомністю 30 т. Підприємства великої потужності виготовляють важкі конструкції доменних цехів, мостів великих прольотів, конструкції багатоповерхових будинків. Збірні цехи таких заводів обладнують мостовими кранами вантажопідйомністю 60 і 100 т.

По ступеню спеціалізації підприємства по виготовленню металевих конструкцій підрозділяють на універсальні, які виготовляють різні металеві конструкції для промислових, житлових, цивільних і інших споруд, та спеціалізовані, які виготовляють один або декілька видів однорідних конструкцій (опори ЛЕМ, мостових конструкцій тощо). Має місце і внутрішньозаводська спеціалізація, яка здійснюється як за рахунок спеціалізації окремих цехів по видам виробляємої продукції, так і по технологічним ознакам. Останнє дозволяє в свою чергу спеціалізувати робочі місця по видам робіт і організовувати потокове виробництво різних виробів і конструкцій. Підприємства по виготовленню металевих конструкцій бувають з нетиповим виробництвом, при якому кожний раз виготовляють конструкції різних видів і типорозмірів, а також серійним, при якому одночасно на протязі визначеного часу виготовляють конструкції одного типорозміру і виду, а в подальшому можливий перехід на виготовлення іншої серії конструкцій.

До цехів основного виробництва на заводах по виготовленню металевих конструкцій відносять: підготовки метала, попередньої обробки метала і заготовки окремих виробів, збірний і фарбувальний. До допоміжних цехів відносять: ремонтно-механічний, ремонтно-будівельний, транспортний, електроремонтний. Для забезпечення основного виробництва різними видами енергоресурсів, інструментом організують підсобні цехи: інструментальний, енергетичний. Крім перелічених виробничих підрозділів на кожному підприємстві організують склади вихідної сировини і готової продукції, а також різні адміністративні і побутові приміщення. Технологічний процес, пов’язаний з виготовленням металевих конструкцій, складається з двох взаємопов’язаних процесів – основного і допоміжного, які в свою чергу складаються з ряду операцій. На мал.1.1 наведена принципова технологічна схема виготовлення сталевих конструкцій ( балок, колон) в заводських умовах.

Попередню обробку металу (усунення деформацій, отриманих при його транспортуванні з металургійних підприємств, різку швелерів і балок тощо) виконують у цеху підготовки металу, обладнаного листовипрямляючими вальцями, пресами тощо. Попередній обробці підлягає до 10% металу, який поступає на підприємство. Для повного випрямлення сталевих листів їх перепускають крізь вальці 4…5 разів. Операції по виготовленню окремих виробів і вузлів конструкцій, а також шаблонів і різних пристосувань виконують у цеху попередній обробки металу. Шаблоном є пристосування, яке відображає деталь конструкції у натуральну величину, виготовлене з великою точністю. Процес обробки включає різні операції по переносу з шаблона на метал форми і розмірів виробів, механічну і кисневу різку заготовок, центрівку і утворення отворів, холодне або гаряче гнуття виробів, штампування листової і профільованої сталі, фрезерування окрайців виробів для фасонного розподілення, випрямляння виробів. Технологічні операції по обробці окремих виробів групують в залежності від профілю прокату (прокат листовий або сортовий). Кожний технологічний потік оснащують необхідним обладнанням і транспортними засобами. Для обробки листових виробів використовують гільйотинні і прес-ножиці; газоріжучі машини; листозгинальні і листовипрямляючи вальці; свердлувальні, крайстругальні станки тощо. Виготовлені вироби маркують і подають на склад напівфабрикатів.

Рис.1.1. Принципова технологічна схема виготовлення сталевих конструкцій в заводських умовах.

Збирання зварних конструкцій із деталей, які поступають зі складу напівфабрикатів, виконується в збиральному цеху. Процес передбачає електрозварювання окремих деталей і вузлів. Воно може здійснюватися ручним способом, автоматичним зварюванням під шаром флюсу або напівавтоматичним зварюванням в середовищі газів. Для виконання зварювальних робіт в цехах організують спеціалізовані ділянки або робочі місця. В випадку виготовлення клепаних конструкцій клепку виконують пневматичним або електричним способом. Конструкції збирають на спеціальних стелажах, обладнаних кондукторами. Збиральний цех має окремі ділянки, які спеціалізуються на виготовленні колон, балок, ферм або інших конструкцій. Виготовлені конструкції маркірують, потім вони проходять пост технічного контролю, після чого їх направляють у фарбувальний цех, де їх очищують від іржі, грунтують, фарбують або покривають антикорозійним покриттям. Готові вироби поступають на склад, де їх вкладають у штабелі.

Трудоємність окремих операцій при виготовленні зварних металевих конструкцій відносно загальних трудових витрат характеризується такими величинами, %: випрямляння сталі – 3…4; виготовлення шаблонів і розмічування – 4…5; різання сталі – 10…12; свердлування або проколювання отворів – 2; обробка окрайків – 2…3; випрямляння після різання і згинання – 3…4; ковальські роботи – 1…2; збирання конструкцій – 30…32; зварювання – 32…35; свердлування монтажних отворів – 2…3; грунтування і фарбування поверхні конструкцій – 2. Як видно з наведених даних при виготовленні конструкцій на підприємствах найбільш трудоємними операціями є різання, зварювання і збирання. Тому механізації цих операцій приділяють найбільшу увагу.

Різання металу при виготовленні конструкцій виконують такими способами: механічне різання – на ножицях і пилах; газопламене – шляхом спалювання металу у струмені кисню; киснефлюсове; повітря дугове. Механічне різання може бути розподілене на два основних виду: сколювання металу по лінії різання внаслідок утворення напруг, які перебільшують межу міцності; вилучення металу з лінії різання у вигляді стружки або тирси. Для механічного різання металу методом сколювання застосовують гільйотинні ножищ і прес-ножиці, які забезпечують добру швидкість різання при високій якості окрайків. На гільйотинних ножицях розрізають листову сталь. В залежності від товщини листів (до 6, 10, 16 і 20 мм) гільйотинні ножиці поділяють на 4 групи. Листи товщиною більше ніж 20 мм розрізають газопламеневим способом.

У гільйотинних ножицях верхній ніж розташований по відношенню до нижнього під кутом у 5…6º. В наслідок чого для різання потрібне значно менше зусилля і одержують напівфабрикати з окрайками доброї якості. На прес-ножицях ножі для різання листів також розташовані під кутом, але на таких агрегатах можливо розрізати листи довжиною не більш 700…800 мм. Різання більш довгих листів пов’язане з необхідністю переміщення листів, що може призвести до утворення перегинів і викривленню лінії різання. Для різання кутової і квадратної сталі використовують ножиці з паралельно розташованими ножами. При чому кутова сталь розрізається зразу по двом полицям. Звичайно прес-ножиці забезпечують другими ножицями, які розташовані паралельно і призначені для розрізання кутової і квадратної сталі, а також дрібного швелера. У деяких конструкціях отвороутворюючих пресів передбачають додаткові пристрої для розрізання профільної сталі. Широко розповсюдженні прес-ножиці типів С-229А, Н-535. Різновид механічного способу розрізання – розрізання з вилученням металу по лінії розрізання у вигляді стружки або тирси – використовують тільки при розрізанні профільного металу. Розрізання по цьому способу здійснюють трьома способами: дисковими пилами; ножівками; пилами тертя.

Газопламеневе кисневе розрізання засноване на здатності сталі, яка нагріта до температури розплавлення, інтенсивно горіти у струмені чистого кисню. Для розрізання металу його спочатку нагрівають тільки на вузькому участку, який розташований на початку лінії розрізання. Потім на нагріте місце направляють струмінь ріжучого кисню, одночасно переміщуючи полум’я далі по лінії розрізання. Метал згоряє у струмені чистого кисню по всій товщині, утворюючи у листі тільки вузьку щілину. При згорянні металу утворюються рідкі розплавлені шлаки, які вилучають з місць розрізання струменем кисню. Кількість тепла, яке виділяється при згорянні металу у 6…8 разів перевищує кількість тепла від згоряння газу. Це дозволяє використовувати для розрізання різні види газів: ацетилен, пропан, природний газ, водень. Для цього також можуть застосовувати й гас. Найбільша температура полум’я (3000…3150ºС) досягається при згоранні ацетилену. Температура полум’я при згоранні пропану складає 2000…2100ºС; гасу – 2300ºС; метану – 1800ºС за допомогою кисневого розрізання можна виконувати вирізання з сталевих листів деталей любої форми, а також оброблювати окрайки листів перед зварюванням. Кисневе розрізання практично не впливає на властивості маловуглецевої сталі близько місць розрізання. При розрізанні сталей з підвищеним вмістом вуглецю окрайки становляться більш твердими, тому що у місці розрізу така сталь частково закаляється. Звичайною кисневою різкою не можливо розрізати нержавіючі і термостійкі сталі, тому що вони вміщують велику кількість хрому і нікелю. Це пов’язане з тим, що кисневі сполуки хрому дуже тугоплавкі. Тому сталі, які вміщують 3…4% хрому, можливо розрізати киснем тільки з попереднім підігріванням усієї деталі. Нержавіючі і термостійкі сталі, які вміщують 15…20% хрому, можна розрізати киснем тільки з застосуванням спеціальних флюсів. Киснем також не можливо розрізати мідь, алюміній, чавун, так як температура їх плавлення нижча, ніж температура горіння. Внаслідок цього розплавлені частки будуть видуватись з місць розрізання не згорів у кисні, а окрайки розрізу почнуть покриватись шаром тугоплавких оксидів цих металів. Розрізняють два типа кисневого розрізання: ручне і машинне. Ручне виконують різаком УР (універсальний різак). Він має мундштук кільцевого типу, який дає підігріваюче полум’я у вигляді кільця, у середину якого подають ріжучий струмінь кисню. В залежності від товщини сталі використовують мундштуки визначеного розміру і встановлюють відповідний режим розрізання. Так характеристики режимів розрізання металу різаками УР на ацетилені наведені у табл.1.3.

При розрізанні сталі гасом, необхідно перед розрізанням нагрівати гасовий різак з метою подавання гасу не у вигляді рідини, а у вигляді газу. Ручне розрізання не забезпечує високої якості розрізу, тому що у цьому випадку можуть бути відхилення лінії розрізу від необхідної, неякісна поверхня розрізу, тощо. Тому на підприємствах по виготовленню металевих конструкцій для розрізання листів використовують спеціальні установки для розрізання, і тільки метал важкого профілю розрізають вручну з застосуванням необхідних пристосувань і шаблонів. Найбільше розповсюдження отримали напівавтомати повдовшньо-поперечнього розрізання типу АСП-1.

Таблиця 1.3

Він складається з столу, на якому встановлюють шаблон. По окрайку шаблона переміщується електродвигуном магнітний палець котушки. Переміщення магнітного пальця повторюється різаком, який закріплений на другому кінці штанги, яка за допомогою повздовжніх і поперечних кареток може пересуватись відносно столу у любому напрямку. Управління роботою напівавтомата зосереджено на пульті управління, де мається показник швидкості розрізання, яка вибирається в залежності від товщини розрізаємого металу. За допомогою напівавтомата АСП-1 можна вирізати деталі з сталевого листа товщиною від 5 до 200 мм і шириною до 1500 мм. Для отримання розрізу з любим контуром застосовують машини типу АСШ. Орієнтовні режими розрізання на напівавтомата АСП-1 наведені у табл.1.4.

Таблиця 1.4

Існують ще багато марок машин для кисневого розрізання, але принцип їх роботи приблизно однаковий. За допомогою різальних машин досягається точність розрізання у межах 0,3…0,5 мм; гладенька поверхня розрізу, яка не потребує повторної обробки при виготовленні металевих конструкцій; необхідний кут окрайків і значна продуктивність праці.

Нержавіючі сталі, з яких виготовляють деякі частини технологічного обладнання для підприємств хімічної промисловості, розрізають під флюсом. Спосіб кисневофлюсового розрізання полягає в тому, що в струмінь кисню за допомогою спеціальної апаратури безперервно вводять порошкоподібний флюс. При згорянні цього флюсу виділяється додаткове тепло, яке підвищує температуру у місці розрізання металу. Внаслідок цього тугоплавкі оксиди металу залишаються у рідкому стані. Вони змішуються з продуктами згоряння флюсу, утворюють рідкі шлаки, які відносно легко витікають з розрізу. Як флюс використовують дрібну залізну тирсу з зернами розміром 0,1…0,2 мм. Для шлакоутворення до залізного порошку добавляють спеціальні добавки: ферофосфор, алюмінієвий порошок, технічну буру, кварцовий пісок. Для кисневофлюсового розрізання застосовують установки УРХС, УФР. За допомогою таких установок можна також розрізати деякі кольорові метали: мідь, алюміній. При застосуванні таких установок частина кисню з балону подається до бункера з порошкоподібним флюсом, проходить крізь спеціальний інжектор, змішується з флюсом і надходить до різака типу РКВ. Його конструкція відрізняється від конструкції звичайного різака УР, так як до нього надходять три шланги: перший подає кисень з флюсом; другий – кисень для розрізання і нагріву; третій – ацетилен або інший газ. Суттєвим недоліком установки УРХС є швидке зношування сопел різака.

Повітрянодугове розрізання засноване на вилученні струменем повітря рідкого металу, який безперервно виплавляється по лінії розрізання електричною дугою. Таке розрізання використовують для вуглецевих, легованих і спеціальних сталей, алюмінію, міді і інших металів і сплавів. При розрізанні цим способом отримують рівний розріз з чистою поверхнею, яка не потребує обробки окрайків перед зварюванням. Для повітря дугового розрізання застосовують різак РВД-1-57, який складається з електродоутримувача і головки, яка має два отвори, крізь які проходить стисле повітря (0,4…0,5 МПа). Для розрізання використовують вугільні або вугільнографітові електроди діаметром 6…12 мм і довжиною 200…250 мм. При розрізанні застосовують машини ПС-500, ПС-300, які виробляють постійний струм з силою близько 300 А.

Після механічного і кисневого розрізання окрайки оброблюють струганням, фрезеруванням, рубанням. Для цього застосовують спеціальні окрайкостругальні станки, пневматичні зубила тощо.

Згинання металу при виготовленні металевих конструкцій здійснюють у гарячому і холодному стані. При відносно великих радіусах кривизни вальцювання і згинання листової і профільної сталі здійснюють у холодному стані. При відносно малих радіусах кривизни і невеликих кутах загину застосовують гаряче згинання і кування. При холодному згинанні сталі радіус кривизни, для того щоб вона не втрачала своїх пластичних властивостей, залежить від сортаменту сталі і повинен не менше як у 25 разів перевищувати товщину листів ; у 45 разів – висоту швелерів ; у 25 разів – висоту двохтаврових балок. Для того, щоб зігнути сталь необхідно утворити у ній такі напруження, які перебільшують межу пружності, але менш, ніж межа текучості. Якщо у сталі при її згинанні перейти межу текучості, то вона втрачає міцність. Радіус кривизни при згинанні залежить і від поперечного перерізу елементу. Якщо перейти визначенні співвідношення, то крайні шари метала отримають критичні напруження, які перебільшують межу текучості. В наслідок чого сталь втрачає міцність. При виготовленні металевих конструкцій можуть виконувати такі види згинання і вальцювання листової сталі для утворення циліндричних або конічних поверхонь: кільцеве згинання профільної сталі; зміна профілю сталі у поперечному напрямку; зменшення товщини окрайків листової сталі; гаряче згинання. Для вальцювання листів їх пропускають декілька разів між валками у прямому і зворотному напрямках на трьохвалкових вальцях. Два нижніх валка рухаються електродвигуном; верхній валок, прижимний, вільно закріплений. При пропусканні листа між валками він поступово вигинається, тому що верхній валок розташований декілька нижче верхніх точок нижніх валків. Для отримання потрібного радіуса вигину змінюють положення верхнього валка. При підійманні верхнього валка радіус вигину збільшується. Найменший радіус згину, який можна досягти на вальцях, приблизно на 20% більше радіуса верхнього валка. Кільцеве згинання профільної сталі з невеликим перерізом можна здійснювати також на трьохвалкових вальцях при їх обладнанні нескладними пристосуваннями. Для згинання балок, швелерів і важких кутиків застосовують випрямляльно-вигинальні преси, спеціальні чотирьохвалкові вигинальні стани. Для штампування і відгинання окрайків у листової сталі у холодному стані застосовують преси. Для вирубування дрібних деталей з кутиків, листів застосовують ексцентрикові преси потужністю від 60 до 600 т. Для вигинання і кування у гарячому стані сталевий виріб рівномірно нагрівають до температури 1000…1100ºС і оброблюють за допомогою пневматичного молота. Вигинання і кування виконують при температурі не нижче 680…700ºС, так як при подальшому зниженні температури значно зменшуються пластичні властивості сталі. Випрямляння маловуглецевої сталі після надання їй необхідної форми куванням або вигинанням не можна виконувати при температурі від 450 до 200ºС, тому що вона становиться крихкою. Отвори в сталевих елементах утворюють продавлюванням або свердлуванням. Для продавлювання застосовують кривошипні отворопробивні преси, на яких за допомогою пуансона і матриці утворюють отвори. Продуктивність отворопробивних пресів значно перебільшує продуктивність свердлувальних станків. Так, на свердлування 100 отворів діаметром 25 мм у листі товщиною 10 мм потрібно 1,35 чол.-годин, а на виконання такої ж роботи на отворопробивному пресі – тільки 0,8 чол.-години. Але продавлювання не забезпечує достатню точність у діаметрі отворів, як при свердлуванні. Отвір не має форми правильного циліндру, розміри отвору з сторони матриці і з сторони пуансона неоднакові. Це залежить від в’язкості металу, а іноді є наслідком зносу пуансона або матриці. Продавлювання отворів необхідно розглядати як розрізання металу внаслідок створення руйнівних напружень зрізання. При продавлюванні в сталі марки Ст 3 отвору діаметром 30 мм при товщині металу 25 мм необхідно прикладати зусилля орієнтовано у 80 т. Також, як і при холодному розрізанні ножицями, у металі по краям отворів частково змінюється структура його зерен. Тому у відповідальних конструкціях для того, щоб запобігти появу волосяних тріщин виконують розсвердлування отворів на глибину 1,5…2 мм. Це одночасно забезпечує більш правильну форму отворів. Свердлування отворів з найбільшим діаметром 100 мм здійснюють на радіально-свердлувальних станках. Деталі на свердлування подають по рольгангу або на спеціальних вагонетках. Отвори діаметром 10…12 мм при невеликих габаритах деталей свердлять на вертикально-свердлувальних станках. Електродрелі застосовують при свердлуванні отворів в конструкціях на місцях їх монтажу.

Збирання металевих конструкцій є підготовчою операцією перед зварюванням, так як взаємне розташування збираємих елементів визначається умовами їх зварювання, крім того фіксація положення збираємих елементів у більшості випадків виконується за допомогою зварювання в окремих точках. Якість виготовлених металевих конструкцій в значній мірі залежить від трьох операцій: заготовки деталей, їх збирання і зварювання. Механізація операції збирання конструкцій в умовах підприємств виробничої бази будівництва досягається за рахунок використання сучасних підіймальних засобів, спеціальних пристосувань і механізмів. Завданням збирання металевих конструкцій є закріплення окремих елементів у проектному положенні, тобто в такому положенні, у якому вони повинні знаходитись у готовому вузлі або споруді. Збирання ґратчастих конструкцій виконують на спеціальних стелажах, а при масовому виготовленні одного і того ж елемента – у спеціальних кондукторах. Найбільш вигідним положенням для виконання зварювання під час збирання є таке, коли зварюваємий шов знаходиться у нижньому положенні. З метою скорочення тривалості і полегшення операції зварювання застосовують стенди, маніпулятори, кантувачі. Кантувач улаштований так, що елемент, який закріплений на планшайбі, може повертатись на любій площині за рахунок складної системи редукторів, якім надають рух електродвигуни, завдяки чому зварювання можна робити повсякчасно у нижньому положенні, а також застосовувати механізовані види зварювання. Незалежно від того, де виконують збирання – стелажі, кондуктори, найбільш трудоємною операцією є пристикування елементів з приганянням площин і утримування потрібної відстані між елементами і деталями для зварювання. Для виконання таких робіт існує багато різних пристроїв: скоби з клиннями; струбцини, стягувачі з кутиків, тощо.

При виготовленні сталевих конструкцій застосовують три види електрозварювання: ручне електродугове; напівавтоматичне і автоматичне під шаром флюсу; у середовищі захисного газу. В відповідності з положенням зварних швів розрізняють зварювання у нижньому, вертикальному, горизонтальному і верхньому положенні. Найбільшу продуктивність досягають при зварюванні у нижньому положенні, коли розплавлений метал не витікає, шлаки і гази легко виділяються з шву і спливають на поверхню, сам шов має більш високу якість. Тому намагаються виконувати зварювання у нижньому положенні, використовуючи різні кантувачі, маніпулятори, підіймальні засоби. Зварювання у верхньому положенні є найбільш трудоємним тому, що розплавлений метал витікає. Таке зварювання виконують електродами діаметром не більше 4 мм, на короткій дузі і зменшеній силі струму. Це значно знижує продуктивність праці. Металоконструкції, які виготовляють з маловуглецевої сталі, зварюють електродами типів Е-42 і Е-42А. Тип електрода характеризує тільки межу міцності шву при розтягу, але не визначає режим роботи електрода і галузі його застосування. Вибір електродів для виконання той або іншої роботи здійснюють по марці електрода з урахуванням складу його обмазки (табл.1.5).

Для зварювання високовуглецевих і легованих сталей використовують електроди з спеціальною обмазкою в залежності від марки і складу зварюваємої сталі. Зварювання нержавіючих сталей здійснюється по спеціальним технологіям з використанням електродів, які мають осердя, яке виготовлене з сталі, близької по складу до зварюваємої сталі. Для зварювання технологічних металоконструкцій застосовують швидкісні методи зварювання з глибоким проплавленням зануреною дугою. Це забезпечує зменшення об’єму наплавленого металу на одиницю довжини шву за рахунок розплавлення металу виробу і зменшує переріз шву при зберіганні потрібної міцності. Спосіб глибокого проплавлення полягає у тому, що зварювання виконують, спираючись обмазкою електрода на виріб. При цьому електрод нахиляють у бік зварювання на 70…80 і легенько натискають електрод на виріб у напряму зварювання. Застосовують електроди з потовщеною обмазкою, яка зразу не руйнується при натисканні електроду. Осердя виплавляються з дуже короткою дугою. Зварювальна дуга, також як і зварювальна ванна захищені обмазкою електрода і шлаками, які утворюються при зварюванні, від впливу азоту повітря. Це підвищує якість шву і знижує втрати тепла. Зварювання ведуть на максимально допустимих силах струму, що забезпечує глибоке проплавлення внаслідок того, що сила тиску дуги, яка витискує метал із кратера шва, прямопропорційна квадрату сили струму, а швидкість зварювання пропорційна силі струму. Для виконання зварювання швидкісним способом застосовують електрод марки ЦМ-7С з потовщеною обмазкою. Продуктивність такого зварювання в 1,5-2 рази більша, ніж звичайного, і не потребує високої кваліфікації зварювальників. Електрод у цьому випадку рухається прямолінійно і постійно спирається обмазкою на виріб. Для отримання вузьких швів підсилюють тиск на електрод, а для отримання широкого шву, навпаки, тиск послабляють. Позитивною відмінністю зварювання з глибоким проплавленням є те, що стискові шви у невідповідальних конструкціях при товщині металу до 15…18 мм не потребують попередньої обробки окрайків, а кутові і таврові з’єднання можуть бути виконані з меншим перерізом за рахунок розплавлення основного металу зварюваємих елементів, що не послаблює поперечний переріз і міцність шву. Швидкісне зварювання способом глибокого проплавлення може виконуватись тільки у нижньому і похилому положеннях, тобто при зварюванні в кутик вершина кута спрямована вниз. Для підвищення швидкості зварювання можна застосовувати електроди збільшеного діаметру, що вимагає збільшення сили струму. Але діаметр електродів звичайно не перебільшує 6 мм, тому що при застосуванні більш товстих електродів при невеликій товщині зварюваємих елементів можна пропалити метал. При використанні електрода ЦМ-7С утворюється до 12 грамів розплаву на 1 А/год, в той час, як при використанні електрода ООМ-5 – тільки 6,5…7 5 грамів на 1 А/год. Але електродом ЦМ-7С забороняється зварювати шви, які розташовані вертикально або зверху.

Таблиця 1.5

При ручному зварюванні захисним шлакоутворюючим шаром є розплавлена обмазка електроду, а при напівавтоматичному і автоматичному зварюванні – шар спеціального флюсу. Електрозварювальна проводка безперервно подається у зону зварювання спеціальними механізмами і дуга горить в оболонці з рідкого розплавленого флюсу. При ручному зварюванні втрати теплоти складають близько 75%, а при зварюванні під шаром флюсу – близько 45%, що забезпечує підвищення продуктивності зварювальних робіт. При зварюванні під шаром флюсу сила струму складає 800…1000 А, а інколи і 1500…2000 А, що також збільшує кількість розплавляємого металу і продуктивність праці. Крім того, зварювання йде безперервно без втрат металу у вигляді залишків електродів і розбризкування внаслідок того, що шов постійно закритий. Якість шву значно вище як по формі, так і по структурі, так як розплавлений метал надійно закритий, шов остигає повільніше, що забезпечує однорідність по складу метала. Продуктивність автоматичного зварювання перебільшує продуктивність ручного зварювання у 5…10 разів при більш якісному шві. Негативною відмінністю зварювання під шаром флюсу є обов’язкове нижнє положення шву, так як у іншому випадку флюс буде осипатись. Розподілення зварювання на напівавтоматичне і автоматичне залежить від способу пересування зварювальної головки. При напівавтоматичному зварюванні механізоване тільки подавання електродного дроту, а зварювальну головку переміщують вручну. У деяких випадках зварювальна головка закріплюється нерухомо, а пересувається виріб з швидкістю, яка відповідає швидкості зварювання. При автоматичному зварюванні механізовані операції і подавання зварювального дроту, і переміщення зварювальної головки, При виготовленні гратчастих конструкцій головним чином використовують напівавтоматичне зварювання, так як зварювальні шви у гратчастих конструкціях короткі і застосування самохідної зварювальної головки недоцільне.

Найбільше розповсюдження отримали зварювальні автомати типу ТС (трактор зварювальний) і АДС. Автомат ТС-17 уявляє собою самохідну зварювальну головку. Діаметр електродного зварювального дроту можна змінювати від 1,5 до 5 мм, швидкість подавання зварювального дроту від 52 до 403 м/год, швидкість зварювання від 16 до 126 м/год. В залежності від режиму роботи сила зварювального струму складає від 200 до 1000 А. Струм подають від зварювального трансформатора типу ТСД-1000. У зварювального автомата АДС-1000-2 швидкість подавання зварювального дроту складає 30…108 м/год; швидкість зварювання – 10…40 м/год; сила зварювального струму 300…1200 А при максимально можливому діаметрі електродного дроту 6 мм. За допомогою автоматів зварюють більшість циліндричних апаратів, газопроводи. Шви з незначною довжиною, переривчасті шви зварюють шланговими напівавтоматами марок ПШ-5; ПШ-54. Електродний дріт в таких автоматах подають з швидкістю 79…600 м/год. Зварювальний дріт крізь шланг діаметром 27 мм і довжиною 3,5 м подається до мундштука тримача, куди іншим дротом, який також розміщений у тому ж шлангу, підводять зварювальний струм. Тримач напівавтомата при зварюванні переміщується по шву вручну. Для зварювання напівавтоматами використовують дріт діаметром 1,5…2,5 мм; сила струму досягає 600 А. При роботі напівавтоматом вручну зварювальник з початку зварювання повинен здійснювати рівномірне переміщення тримача по осі шву. Зварювальний дріт повинен виступати з мундштука тримача на 15…25 мм, що досягається спиранням насадки тримача на зварювальний виріб.

При зварюванні у середовищі захисних газів при електродуговому зварюванні використовують вуглекислий газ і аргон. У середовищі вуглекислого газу зварюють вуглецеві сталі, аргону – леговані сталі. Для зварювання у середовищі вуглекислого газу застосовують апаратуру, яка дозволяє механізувати подавання зварювального дроту до зварювальної головки, куди підводять вуглекислий газ і електричний струм. Зварювання ведуть на постійному струмі і зворотній полярності. Джерелом струму є перетворювач ПСГ з жорсткою характеристикою. Кращі результати при використанні вуглекислого газу досягають при обертанні виробу, тому що у цьому випадку зварювання можна постійно проводити у нижньому положенні. У середовищі аргону зварюють нержавіючі і жаростійкі сталі, алюмінієві і магнієві сплави. При такому зварюванні застосовують електроди з вольфраму, які не розплавляються. В склад електрода може входити двооксид торію. Якщо відсутні електроди, які складаються з вольфраму і двооксиду торію, то застосовують звичайні електроди з вольфраму з нанесеним на їх кінці шаром порошкоподібного двооксиду торію. Використання двооксиду торію сприяє стійкості дуги і знижує температуру на електроді настільки, що кінець електрода не розплавляється. Зварювання вольфрамовими електродами в середовищі аргону здійснюється за рахунок розплавлення окрайків основного метала зварюваємого виробу. Листові конструкції товщиною до 3 мм зварюють з використанням тільки електродів. При більшій товщині необхідно при зварюванні використовувати додатково і дріт, який виготовлений з такого ж металу, що і зварюваємий виріб. Зварювальні шви, які виконані автоматичним дуговим зварюванням у середовищі аргону, щільні і чисті, мають високі механічні властивості і стійкість проти корозії.

Усі нержавіючі і жаростійкі сталі характеризуються великим вмістом хрому і нікелю (хрому до 18…25%, нікелю до 10…12%). При зварюванні сталі, яка вміщує хром, має місце виділення по границям зерен металу карбідів хрому, які утруднюють зварювання і спричиняють міжкристалічну корозію у шві. Тому в склад нержавіючих сталей вводять титан і ніобій, які перешкоджують утворенню карбідів хрому, забезпечують добру зварюваємість сталі і виключають необхідність термічної обробки швів після зварювання. Сталі марок IX18Н9Т і 1х18Н11Б добре зварюються при постійному струмі ручною дуговою і аргоновою зваркою. Для зварювання застосовують електроди з обмазкою ЄНТУ-3, УОНІ-13/НЖ, ЗИО-3, ЦЛ-11 з осердям з такої ж марки сталі, що і зварюваємий виріб. Конструкції з жаростійкої сталі Х23Н18 зварюють з застосуванням спеціальних електродів.

Для виробництва металевих конструкцій на сучасних великих підприємствах розповсюдженні лінії по обробці окремих деталей, які можуть виконати як кілька операцій, так і весь комплекс операцій, пов’язаних з виготовленням групи виробів, однакових або близьких по конструктивним і технологічним ознакам. Розроблені потокові лінії по збиранню і зварюванню окремих вузлів і елементів металевих конструкцій. Технологічний процес обробки виробів на потокових лініях передбачає максимальне скорочення транспортних і такелажних операцій. Для здійснення цього лінії обладнують повздовжніми рольгангами, поперечними транспортерами, що забезпечує переміщення оброблюємих виробів від одного станка до іншого в заданій послідовності і ритму. При виготовленні деталей із сортового прокату на потокових лініях трудоємність робіт по основним операціям зменшується на 50…60%, із листового прокату – 40…50%, великорозмірних конструкцій (балок, ферм, колон тощо) на 30…40%. При цьому значно поліпшуються умови праці робітників і підвищується якість виробляємих конструкцій. Ефективність потокової організації виробництва найбільш виявляється на підприємствах по виробництву металевих конструкцій вузької спеціалізації.