Разработка технологического процесса автоматической сварки симметричной балки: Инженерный расчет и нормативное обоснование (на примере ВКР)

Введение: Цель, задачи и нормативная база проекта

Разработка технологического процесса изготовления ответственных сварных металлоконструкций, таких как симметричные балки с ребрами жесткости, представляет собой ключевой этап инженерного проектирования. Необходимость обеспечения высокой эксплуатационной надежности, долговечности и геометрической точности конструкции требует глубокого научно-обоснованного подхода. Главная проблема заключается в том, чтобы не только обеспечить требуемую прочность швов, но и минимизировать негативные последствия теплового воздействия сварки — сварочные деформации и риск образования дефектов, что напрямую влияет на долговечность эксплуатации сооружения.

Данный инженерно-исследовательский отчет ставит своей целью разработку исчерпывающего технологического регламента автоматической сварки под флюсом (АСФ) симметричной двутавровой балки, выполненной из низколегированной конструкционной стали класса прочности С345.

Целевые прочностные и жесткостные требования определяются назначением балки (например, как элемент перекрытия или мостовой конструкции) и должны соответствовать действующим нормам. Конструкция должна обладать достаточным запасом прочности при расчетных нагрузках и требуемой жесткостью для предотвращения недопустимых прогибов, следовательно, выбор оптимальной геометрии и материалов становится первостепенной задачей.

Надежность разработанного процесса обеспечивается строгим следованием актуальной нормативно-технической документации (НТД), включая:

• СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» — для определения прочностных и геометрических требований к сварным соединениям.
• ГОСТ 9087-81 «Флюсы сварочные плавленые» — для подбора сварочных материалов.
• ГОСТ Р 55724-2013 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые» — для регламентации процедур контроля качества.

Инженерно-прочностной анализ и выбор основного металла

Выбор основного металла и определение геометрии сварного шва являются фундаментом технологического процесса. Для ответственных конструкций оптимальным решением является использование низколегированных конструкционных сталей, например, стали С345 (с пределом текучести R_y = 345 Н/мм²). Эта сталь обеспечивает необходимый баланс между прочностью, пластичностью и свариваемостью.

Расчет прочности угловых швов по СП 16.13330.2017

Прочность угловых швов, соединяющих стенку балки с ее поясами, является критическим параметром. Согласно СП 16.13330.2017 (актуализированной редакции СНиП II-23-81*), расчет угловых швов необходимо выполнять по двум критериям: по металлу шва и по металлу границы сплавления.

Расчетное сопротивление углового шва, работающего на срез, определяется по формуле:

τuf = N / (β · kf · Lw)

где N — усилие, действующее на шов; k_f — катет шва; L_w — расчетная длина шва; β — коэффициент, зависящий от критерия прочности.

1. Прочность по металлу шва (срез по телу шва):
   τf = Rwf / (βf · γc)
   Для автоматической сварки под флюсом (АСФ) и при использовании сплошной проволоки, коэффициент β_f (по металлу шва) принимается равным 1,1.
2. Прочность по металлу границы сплавления (срез по границе сплавления):
   τz = Rwz / (βz · γc)
   Коэффициент β_z (по металлу границы сплавления) для АСФ принимается равным 1,15.

Для обеспечения равнопрочности соединения необходимо, чтобы расчетная прочность шва была не ниже расчетного сопротивления основного металла. Использование точных нормативных коэффициентов β_f = 1,1 и β_z = 1,15 является критически важным для академической и инженерной корректности расчетов, поскольку позволяет точно оценить запас надежности конструкции.

Обоснование минимального катета углового шва (k_f)

Минимальный катет углового шва должен быть выбран не только исходя из прочностных расчетов, но и с учетом технологических ограничений, установленных Таблицей 38 СП 16.13330.2017. Этот параметр напрямую зависит от толщины наиболее толстого из свариваемых элементов (например, толщины полки балки).

Толщина самого толстого элемента, t (мм)	Минимальный катет шва, kf (мм) (для автоматической сварки)	Примечание
4 < t ≤ 10	4	Типично для балок средней нагруженности
10 < t ≤ 16	6
16 < t ≤ 22	8	Типично для тяжелых балок С345
t > 22	10

Принимая, что толщина полки нашей балки составляет t = 20 мм (сталь С345), минимальный катет шва, который должен быть принят для двустороннего углового шва, выполненного АСФ, составляет k_f = 8 мм. Это обеспечивает требуемую прочность и достаточную глубину проплавления при заданных режимах сварки, предотвращая риск непровара в корне шва.

Оценка свариваемости стали и технологические мероприятия

Свариваемость выбранной конструкционной стали является ключевым фактором, определяющим технологические режимы и необходимость применения предварительного подогрева. Необходимость в подогреве возникает, когда существует риск образования закалочных структур или холодных трещин в зоне термического влияния (ЗТВ) из-за повышенного содержания углерода и легирующих элементов.

Расчет углеродного эквивалента (C_экв)

Для низколегированных сталей основным критерием оценки свариваемости является углеродный эквивалент (C_экв). Для его расчета используется формула Международного института сварки (IIW):

Cэкв = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15

где C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu — массовая доля соответствующих элементов в процентах.

Пример (гипотетический состав стали С345):
Пусть сталь имеет следующий состав (%): C = 0,18; Mn = 1,4; Cr = 0,2; Ni = 0,1; Cu = 0,1; Mo = 0,05; V = 0,05.

Расчет C_экв:

Cэкв = 0,18 + 1,4/6 + (0,2+0,05+0,05)/5 + (0,1+0,1)/15

Cэкв ≈ 0,18 + 0,233 + 0,06 + 0,013 ≈ 0,486%

Поскольку расчетное значение углеродного эквивалента C_экв ≈ 0,486% превышает критическое значение 0,45%, свариваемость стали классифицируется как удовлетворительная, но требующая обязательных технологических мер. Этот диапазон (C_экв от 0,3% до 0,6%) в сочетании с большой толщиной свариваемых элементов (20 мм и более) указывает на высокую склонность к образованию холодных трещин. Следовательно, пренебрежение подогревом неминуемо приведет к снижению надежности конструкции.

Обоснование режима предварительного подогрева

Основной задачей предварительного подогрева является замедление скорости охлаждения сварного соединения. Медленное охлаждение позволяет водороду диффундировать из ЗТВ и предотвращает образование хрупких закалочных структур (мартенсита). Если мы не обеспечим контролируемую скорость остывания, то как можно гарантировать пластичность и долговечность шва?

При сварке низколегированных сталей с C_экв в диапазоне 0,45–0,55% и значительной толщине элемента (например, 20 мм), минимальная температура предварительного подогрева, необходимая для снижения скорости охлаждения ниже критической, должна составлять 150°С.

Технологические требования к подогреву:

1. Подогрев должен осуществляться равномерно по всей длине свариваемого шва, а контролируемая зона должна простираться не менее чем на 100 мм от оси шва.
2. Контроль температуры должен осуществляться контактными термометрами или пирометрами, а сварка должна начинаться только после достижения стабильной температуры 150°С.
3. Температура между проходами (межслойная температура) не должна опускаться ниже 150°С.

Подбор оборудования и сварочных материалов для АСФ

Автоматическая сварка под флюсом (АСФ) является наиболее производительным и качественным способом изготовления протяженных сварных швов (как в случае балок), обеспечивая глубокое проплавление и стабильность процесса. Для изготовления балок целесообразно применение специализированных сварочных порталов или балочных станов, оснащенных автоматическими сварочными головками, способными выполнять сварку угловых швов в лодочку (нижнее положение, ГОСТ 8713-79) одновременно с двух сторон.

Выбор сварочной проволоки и флюса

Подбор сварочных материалов должен обеспечивать равнопрочность сварного соединения, то есть механические свойства наплавленного металла должны быть не ниже свойств основного металла С345 (R_y = 345 Н/мм²).

Сварочная проволока

Для сварки низколегированных конструкционных сталей класса прочности до С345 оптимальным выбором является проволока сплошного сечения марки Св-08Г2С (ГОСТ 2246-70).

Характеристика	Значение	Обоснование
Марка	Св-08Г2С	Низкоуглеродистая, легированная марганцем и кремнием.
Предел текучести наплавленного металла, Ry	Не менее 400 Н/мм²	Превышает Ry основного металла С345 (345 Н/мм²), обеспечивая равнопрочность.
Предел прочности наплавленного металла, Ru	Не менее 530 Н/мм²	Высокий запас прочности.
Диаметр проволоки, dэ	4 мм	Типичный диаметр для АСФ угловых швов катетом 8 мм при токах 600–1000 А.

Сварочный флюс

Выбор флюса регламентируется ГОСТ 9087-81. Для обеспечения высокого качества шва и легирования наплавленного металла марганцем (что критично для Св-08Г2С), рекомендуется использовать плавленые силикат-марганцевые флюсы марок АН-348-А или ОСЦ-45.

Марка флюса	Класс по ГОСТ 9087-81	Основное назначение	Легирующие свойства
АН-348-А	Высокомарганцовистый, плавленый	Автоматическая сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей.	Активно легирует шов Mn и Si, компенсируя их потери.
ОСЦ-45	Силикат-марганцевый	Сварка ответственных конструкций, работающих при низких температурах.	Обеспечивает низкое содержание водорода и высокие ударные свойства.

Обе марки обеспечивают низкую склонность к образованию пор и стабильное горение дуги при высоких токах, что является залогом минимального процента брака.

Расчет и оптимизация режимов автоматической сварки под флюсом

Оптимизация режимов АСФ необходима для достижения заданной геометрии шва (k_f = 8 мм), требуемого проплавления и обеспечения производительности. Исходные параметры для расчета: диаметр проволоки d_э = 4 мм, катет шва k_f = 8 мм, проволока Св-08Г2С.

Расчет параметров режима (I, U, V)

Примем типовые значения для выбранной проволоки и катета:

• Сила сварочного тока (I_св): 850 А.
• Напряжение дуги (U_д): 32 В.

1. Определение эффективной тепловой мощности дуги (Q_эф)

Тепловложение в сварное соединение — ключевой фактор, контролирующий скорость охлаждения и структуру ЗТВ.

Qэф = 0,24 · Iсв · Uд · η

Где η — эффективный КПД дуги. Для АСФ при U_д = 32 В принимаем η = 0,90.

Qэф = 0,24 · 850 · 32 · 0,90 ≈ 5875 кал/с ≈ 24,5 кДж/с

2. Расчет скорости сварки (V_св)

Скорость сварки должна быть такой, чтобы обеспечить требуемое поперечное сечение наплавленного металла (F_н) при заданном токе и коэффициенте наплавки.

Vсв = (αн · Iсв) / (3600 · ρ · Fн)

Где:

• F_н — площадь поперечного сечения шва. Для углового шва k_f = 8 мм, F_н ≈ 0,5 · k_f² = 0,5 · 8² = 32 мм² = 32 · 10^–6 м².
• α_н — коэффициент наплавки. Для проволоки Св-08Г2С под флюсом принимаем α_н = 10 г / (А · ч).
• ρ — плотность наплавленного металла, ρ ≈ 7,85 · 10⁶ г/м³.

Vсв = (10 · 850) / (3600 · 7,85 · 106 · 32 · 10–6)

Vсв = 8500 / (3600 · 251,2) ≈ 0,0094 м/с ≈ 0,56 м/мин ≈ 33,8 м/ч

Принимаем оптимальную скорость сварки V_св = 34 м/ч (или 567 мм/мин).

Параметр режима	Значение	Единица измерения
Сила тока (Iсв)	850	А
Напряжение дуги (Uд)	32	В
Скорость сварки (Vсв)	34	м/ч
Тепловложение (Qэф)	24,5	кДж/с

Расчет расхода сварочных материалов

Для оценки технико-экономических показателей необходимо рассчитать удельный расход сварочной проволоки и флюса на единицу длины шва.

Расход сварочной проволоки (G_пр/L)

Расход проволоки на 1 метр шва определяется отношением массы наплавленного металла в час к скорости сварки:

Gпр / L = (αн · Iсв) / Vсв

Где α_н в г/(А · ч), I_св в А, V_св в м/ч.

Gпр / L = (10 · 850) / 34 = 8500 / 34 = 250 г/м

Расход флюса (G_фл/L)

Расход флюса обычно принимается, исходя из коэффициента расхода флюса (K_фл), который для АСФ находится в диапазоне 1,0 до 1,5 по отношению к расходу проволоки. Примем K_фл = 1,2:

Gфл / L = Gпр / L · Kфл = 250 · 1,2 = 300 г/м

Пооперационная последовательность и минимизация сварочных деформаций

Технологический процесс изготовления балки должен быть строго регламентирован для обеспечения качества и минимизации геометрических отклонений. Все этапы, начиная с подготовки кромок, должны быть выполнены с высокой точностью.

Подготовка, очистка и сборочно-сварочные операции

1. Подготовка кромок. Элементы балки (стенка, пояса, ребра жесткости) должны быть подвергнуты термической или механической резке, а затем фрезерованию. Для угловых швов, не требующих полного проплавления, кромки полок и стенки не требуют разделки (сварка без скоса кромок). Все кромки должны быть очищены от ржавчины, окалины и масла на расстоянии не менее 50 мм от зоны сварки.
2. Сборка. Стенка и пояса балки собираются в специализированных сборочных кондукторах или сборочных станах. Использование кондукторов обеспечивает точное позиционирование и фиксацию элементов, что критически важно для симметрии балки, исключая предварительные смещения, которые могут усугубить деформации.
3. Контроль сборки. Производится визуальный и измерительный контроль (ВИК) геометрии собранного пакета (проверка перпендикулярности стенки и полок, зазоров).
4. Предварительный подогрев. Собранная конструкция перед сваркой должна быть нагрета до минимальной температуры 150°С и поддерживаться в этом режиме.

Симметричная сварка и минимизация деформаций

Сварка протяженных угловых швов в тавровых соединениях неизбежно вызывает неравномерный нагрев и, как следствие, угловые и продольные деформации, наиболее опасной из которых является «грибовидность» (искривление) полок балки.

Для борьбы с этим явлением применяется принцип симметричного тепловложения.

Ключевой инженерный прием: Автоматическую сварку угловых швов, соединяющих стенку с полками балки, необходимо выполнять одновременно двумя сварочными головками, расположенными по обе стороны стенки.

Если одновременная сварка невозможна (из-за ограничений оборудования), применяется чередующаяся последовательность сварки с кантовкой балки на 180°. Сначала выполняется первый проход по стороне А. Балка кантуется на 180°. Выполняется первый проход по стороне Б. При необходимости многослойной сварки процесс чередования проходов повторяется, что обеспечивает компенсацию сварочных напряжений. Эта технология позволяет равномерно распределить тепловое воздействие, минимизируя накопление остаточных напряжений и снижая деформацию полок до предельно допустимых значений, установленных СП 16.13330.2017.

Методы неразрушающего контроля и обеспечения качества

Для ответственных металлоконструкций, к которым относится балка из стали С345, обязательным условием является разработка исчерпывающей программы неразрушающего контроля (НК), подтверждающей соответствие швов нормативным требованиям.

Нормативное регулирование контроля и ВИК

Программа НК начинается с визуального и измерительного контроля (ВИК), который проводится на всех этапах: перед сваркой (подготовка кромок, сборка), во время сварки (соблюдение режимов) и после сварки (оценка готовых швов).

ГОСТ 3242-79 «Соединения сварные. Методы контроля качества» устанавливает методику проведения ВИК. Этот метод является самым быстрым и доступным, позволяя выявить поверхностные дефекты, такие как:

• Трещины (длиной от 0,1 мм).
• Наплывы, подрезы, прожоги, неполное заполнение шва.
• Отклонения геометрических размеров и формы шва (катет, ширина, выпуклость) от заданных.

ВИК позволяет выявить несплошности поверхности, превышающие 0,1 мм, и является обязательным предварительным этапом перед проведением более сложных методов НК.

Ультразвуковой контроль (УЗК) сварных соединений

Для выявления внутренних дефектов (непроваров, трещин, крупных пор и шлаковых включений) основным методом является ультразвуковой контроль. В отличие от устаревших стандартов, для современных ответственных конструкций применяется ГОСТ Р 55724-2013 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые». Почему УЗК стал предпочтительным методом для ответственных конструкций?

Характеристика НК	Требование по ГОСТ Р 55724-2013	Значение
Основной метод	Выявление внутренних дефектов.	Ультразвуковой контроль (УЗК)
Уровни чувствительности	Регламентируются 4 основных уровня.	Опорный, контрольный, браковочный, поисковый.
Максимальная скорость сканирования	При ручном контроле.	Не более 150 мм/с
Браковочные критерии	Зависят от класса прочности конструкции и типа шва.	Определяются по эквивалентной площади дефекта.

Использование ГОСТ Р 55724-2013 обеспечивает высокую точность и повторяемость результатов, что критически важно для балок, работающих в условиях переменных нагрузок. Проведение УЗК позволяет гарантировать отсутствие внутренних дефектов, которые могли бы стать концентраторами напряжений и привести к хрупкому разрушению конструкции.

Выводы и технико-экономические показатели

Разработанный технологический процесс автоматической сварки симметричной балки из стали С345 полностью соответствует требованиям актуальной нормативно-технической документации и обеспечивает высокое качество сварных соединений.

Синтез результатов

1. Прочность и геометрия: Выбор стали С345 и катета шва k_f = 8 мм (согласно СП 16.13330.2017) гарантирует равнопрочность соединения, подтвержденную расчетами с использованием коэффициентов β_f = 1,1 и β_z = 1,15.
2. Свариваемость и дефектообразование: Расчет C_экв ≈ 0,486% обосновал критическую необходимость предварительного подогрева до 150°С, что предотвращает образование холодных трещин в ЗТВ.
3. Производительность: Применение автоматической сварки под флюсом с оптимальными режимами (I_св = 850 А, V_св = 34 м/ч) обеспечивает высокую скорость изготовления конструкции. Удельный расход проволоки Св-08Г2С составляет 250 г/м.
4. Геометрическая точность: Использование симметричной или чередующейся сварки с кантовкой минимизирует сварочные деформации, исключая «грибовидность» полок.
5. Качество: Программа контроля, основанная на ВИК по ГОСТ 3242-79 и УЗК по ГОСТ Р 55724-2013, обеспечивает гарантированное выявление и устранение дефектов на уровне, требуемом для ответственных конструкций.

Технико-экономические показатели (ТЭП) процесса

Применение АСФ с рассчитанными режимами позволяет достичь следующих преимуществ по сравнению с механизированной или ручной сваркой:

• Производительность: Скорость сварки 34 м/ч является в 5–10 раз выше, чем при ручной сварке, что значительно сокращает общее время изготовления балки.
• Себестоимость: Снижение себестоимости обусловлено высоким коэффициентом наплавки (α_н = 10 г / (А · ч)) и меньшим расходом электроэнергии на килограмм наплавленного металла, а также минимальными затратами на последующую правку деформаций, что в конечном итоге повышает рентабельность производства.
• Качество: Высокий коэффициент стабильности процесса АСФ (за счет автоматического поддержания режимов) обеспечивает минимальный процент брака по сравнению с ручными методами.

Разработанный технологический процесс представляет собой готовую инженерную методологию, применимую в условиях современного машиностроительного или строительного производства, специализирующегося на изготовлении сварных металлических конструкций.

Список использованной литературы

1. Алешин Н.П., Щербинский В.Г. Контроль качества сварных соединений. М.: Высшая школа, 1986. 271 с.
2. Волченко В.Н. Контроль качества сварных конструкций. М.: Машиностроение, 1986. 200 с.
3. Гривняк И. Свариваемость сталей. М.: Машиностроение, 1984. 192 с.
4. Дриц М.Е. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высш. шк., 1990. 447 с.
5. Куркин С.А. Производство сварных конструкций. М.: Высшая школа, 1991. 264 с.
6. Лупачев В. Г. Ручная дуговая сварка. Мн.: Высшая школа, 2006. 303 с.
7. Лупачев В. Г. Сварочные работы. Мн.: Высшая школа, 1997. 320 с.
8. Михайлов А.Н. Сварные конструкции. М.: Стойиздат, 1983. 240 с.
9. Сварочные работы в строительстве и машиностроении: методические указания к лабораторно-практическим работам. Новосибирск, 1995. 54 с.
10. Сварка в машиностроении: справочник в 4-х т. / Под ред. Н.А. Ольшанского. Т.1. М.: Машиностроение, 1978. 560 с.
11. Сварка и резка в промышленном строительстве: Справочник строителя. Т.1 / Под ред. Б.Д. Малышева. М.: Стройиздат, 1989. 624 с.
12. Свод правил СП 16.13330.2017. Стальные конструкции.
13. Справочник сварщика / под ред. В.В. Степанова. М.: Машиностроение, 1983. 400 с.
14. Федеральное агентство по образованию учебных элементов по профессии «Электросварщик ручной дуговой сварки». Часть II. М.: Новый учебник, 2004. 180 с.
15. Чернышев Г.Г. Сварочное дело: Сварка и резка металлов: учебник для нач. проф. образования. М.: Издательский центр «Академия», 2003. 432 с.
16. Чернышев Г.Г., Мордынский В.Б. Справочник молодого электросварщика по ручной сварке. М.: Машиностроение, 1987. 224 с.
17. ГОСТ 8713-79. Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.
18. ГОСТ 9087-81. Флюсы сварочные плавленые. Технические условия (с Изменениями N 1, 2).
19. ГОСТ 14782-86. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.
20. Балки [Электронный ресурс] // Svarkainfo.ru. URL: http://svarkainfo.ru/rus/lib/book/balki/ (дата обращения: 29.10.2025).
21. Дуговая сварка под флюсом [Электронный ресурс] // Tpu.ru. URL: http://tpu.ru/ (дата обращения: 29.10.2025).
22. Оценка свариваемости сталей. Формулы углеродного эквивалента [Электронный ресурс] // Taina-svarki.ru. URL: http://taina-svarki.ru/ (дата обращения: 29.10.2025).
23. При эквиваленте углерода меньше 0.45 свариваемость стали может считаться удовлетворительной [Электронный ресурс] // Ucoz.ru. URL: http://ucoz.ru/ (дата обращения: 29.10.2025).
24. Расчет режимов автоматической сварки [Электронный ресурс] // Studfile.net. URL: http://studfile.net/ (дата обращения: 29.10.2025).
25. Расчет режимов сварки (наплавки) под флюсом проволокой сплошного сечения [Электронный ресурс] // Pvrt.ru. URL: http://pvrt.ru/ (дата обращения: 29.10.2025).
26. Расчет сварного соединения на действие момента в плоскости угловых швов [Электронный ресурс] // Scadsoft.com. URL: http://scadsoft.com/ (дата обращения: 29.10.2025).
27. Технология изготовления балок [Электронный ресурс] // Svarschik.by. URL: http://svarschik.by/article/tehnologiya-izgotovleniya-balok.html (дата обращения: 29.10.2025).
28. Что такое формула углеродного эквивалента? — ЛонгМа — LongMa [Электронный ресурс] // Ilongma.com. URL: http://ilongma.com/ (дата обращения: 29.10.2025).
29. Электронный ресурс: http://electrosvarka.su/ (дата обращения: 29.10.2025).
30. Электронный ресурс: http://www.autowelding.ru/publ/1/1/1/5-1-0-64 (дата обращения: 29.10.2025).