Выбор типов и методика расчетов сварных стыков двутавров и швеллеров стальных конструкций паровых стационарных котлов.

Металлические конструкции сегодня широко применяются при возведении зданий любой этажности. В ход идут не только металлические уголки, но и швеллеры, двутавры и трубы. Не удивительно, что многих интересует сварка швеллеров и двутавров своими руками, поэтому мы решили рассказать вам об этом более подробно.

Что такое швеллер

Опытных строителей этот вопрос точно развеселит, но чтобы все читатели до конца понимали о чем идет речь, уточним базовые понятия. Швеллер – это изделие из металла, имеющее характерную П-образную форму, изготавливаемое на заводах при помощи специального оборудования посредством горячего проката и прессования. Форма швеллера позволяет увеличить прочность с минимальным расходом металла.

Для изготовления применяют разные виды металлов – сталь или алюминий. Сталь может быть как углеродистой, так и низколегированной, от разновидности материала зависит цена на швеллер.

Как сварить два швеллера

Сварка двух швеллеров требует либо наличия помощника, либо наличие струбцины. До начала сварочных работ, нужно изучить стандарты ГОСТ и понять общий принцип. Хотя сварочный шов имеет более высокую прочность, нежели металл швеллера, однако общая прочность конструкции снизится, из-за снижения прочности металла на границах сплавки, там прочность теряется примерно на 15%.

Для сварки вам потребуются электроды УОНИ. Работа с электродами требует определенной сноровки, а начинать учиться варить именно на швеллерах – плохая затея. Если ранее вы не работали с УОНИ, то рекомендуем немного потренироваться еще до того, как вы начнете сваривать два швеллера. Ничего страшного, если вы потратите несколько килограмм электродов до того, как научитесь нормально варить.

В любом случае, каждый швеллер нужно отчистить от загрязнений еще до начала сварочных работ. Два швеллера, сваренных УОНИ электродами можно применять в конструкциях, с эксплуатационной температурой до -40 градусов. Существует и альтернативный метод сварки – при помощи специальных станков, однако ручная сварка более широко распространена.

Профессионалы советуют сначала сварить все толстые элементы, и лишь затем браться за тонкие. Обязательно следите за тем, чтобы не образовывались зазоры, так как в последствии, в уже собранной конструкции, в них может скапливаться вода, что будет приводить к коррозии металла, а это с годами снизит прочность всей конструкции.

Что такое двутавры

Двутавры представляют собой металлический профиль, с сечением в форме буквы «H». В продаже существуют не только металлические двутавры, но и деревянные. Металлические двутавры до 30 раз жестче, чем квадратный профиль, и превосходят швеллеры.

В продаже имеются двутавры с разным размером полок, имеющие обозначение от 10 до 60. При сварке нескольких балок нужно учитывать не только устойчивость самой балки, но и продумать промежуточное закрепление.

Как сварить двутавры

Сварка двутавров предполагает и стыковые и угловые швы. До начала сварочных работ нужно верно рассчитать двутавр и зачистить металл, лишь затем приступать к работе.

Чтобы сварить двутавры, нужно соблюдать конкретную последовательность:

1. Сварка вертикальной стенки;
2. Сварка стыков пояса;

Сварка осуществляется автоматом или полуавтоматом с использованием электродов. При этом нужно оставлять зазор, как указано в соответствующем чертеже. Все время важно следить за тем, чтобы стыки не смещались. Для прочности всей конструкции, монтируются ребра жесткости в поперечном положении.

Получается, что для сварки швеллеров нужно использовать электроды УОНИ, а для сварки двутавров применяют автомат.

Любое сварное соединение ослабляет конструкцию и отдельные его узлы. Поэтому в строительстве для уменьшения сварных соединений при повышенных нагрузках на опорные балки несущих конструкций принято использовать швеллерный и двутавровый металлопрокат. Сварка швеллера при монтаже несущих частей конструкции представляет особую важный этап, но часто вызывает затруднения и невозможность выполнить строгие правила сваривания (ГОСТ).

Конструктивные особенности соединения швеллеров

Общие сведения о швеллере

Стальной швеллер представляет собой металлическое изделие, которое имеет П-образный профиль сечения. Данная конструкция позволяет при минимальном расходе материала, металла, получить высокие конструкционные характеристики. Способы изготовления швеллеров (гибкой на специальном станке или методом горячего проката) не влияют на выбор техники сваривания при его соединении, а только на общие прочностные характеристики.

Основные преимущества швеллера направлены на усиление отдельных узлов конструкции и заключаются:

1. В возможности выдерживать большие осевые нагрузки.
2. В высоком сопротивлении на изгиб при центральной нагрузке.
3. В возможности соединения без использования сварки.

И так же эти же преимущества являются и недостатками при сваривании швеллеров.

В настоящее время выпускается пять видов швеллеров:

• специальные;
• с полками разной величины;
• равнополочные;
• с определенным уклоном полочных граней;
• с параллельными гранями полок.

Самой большой прочности соединения можно добиться при сваривании равнополочных швеллеров с параллельными гранями полок. Они и являются самыми востребованными в сфере строительства.

Трудности соединения швеллеров

Для сборных металлоконструкций швеллера хорошо себя зарекомендовали, но мельчайшие ошибки в их соединении вызывают критичное нарушение прочности всей конструкции. Каждое сварное соединение само по себе ослабляет прочность металлоконструкции на 5-7%, при том, что металл шва имеет более высокие прочностные характеристики, чем металл основной детали.

Проблема заключается в самой техники сваривания, в правильном предварительном разогреве металла и в опыте сварщика. Неудобное положение при сборке некоторых узлов, а так же неправильно выбранные шов приводит к тому, что околошовная зона сваривания (зона не равномерного плавления) теряет до 20% своей прочности. Это самые уязвимые места соединения и на каждый сварной шов их два, с двух сторон. ГОСТ предусматривает самые распространенные узловые соединения, но далеко не все.

Итог:

1. Всеми рекомендованными нормами по ГОСТу пренебрегать нельзя.
2. Сварка швеллеров по ГОСТу гораздо прочнее, даже при условиях дополнительного усиления конструкции.
3. Все дополнительные накладки после необходимо выполнять исключительно снаружи швеллеров.
4. Сварка во внутренних углах швеллера только ослабляет общую конструкцию, поэтому варить во внутренних углах, как и внутри самого швеллера, не желательно.
5. Сваривать можно не только по ГОСТу, так как это иногда неудобно, но и опираясь на рекомендации.

Какой сваркой предпочтительней соединять швеллера

Электродуговая сварка

Особенности использования электродов и возможности подбора их по основным характеристикам делают электродуговую сварку самой предпочтительной для соединения швеллеров. Наиболее качественный шов получается при использовании , но есть некоторые особенности их использования.

Непосредственно режим сварки и скорость выполнения шва зависит от выбранного вида соединения, но наиболее оптимальной при ручной сварке является 20 м/ч.

Газовая сварка

При соединении швеллеров чаще всего полностью отказываются от применения . Температура нагрева и большая зона нагрева, а соответственно и еще большая околошовная непрочная зона нагрева, не способствуют выбору данного способа соединения. Негативное термическое влияние, а так же перегрев зоны шва, приводит к возникновению ненужного внутреннего напряжения металла и к сильной деформации общей конструкции (балки).

Но с последующей обработкой кромок и газовая сварка для исправления дефектов готовых металлоконструкций используется часто.

Распространенные варианты соединения швеллеров

Для соединения двух швеллеров между собой используют два основных варианта. Выбор варианта соединения зависит:

• от условий выполнения шва;
• от длины сварного соединения и количества сварщиков для его исполнения;
• от вида нагрузки и зоны ее влияния (чаще всего это сжатие, приложенное к середине центра сечения);
• от толщины и типа швеллера;
• от максимальной общей нагрузки на конструкцию, от необходимой прочности.

Основные типы соединений и самые распространенные металлоконструкции из швеллеров на практике получают при использовании наиболее удобного метода сваривания.

Используется электродуговая сварка (ГОСТ 11534) или сварка под флюсом (ГОСТ 15164) с электродами УОНИ. Для начала необходимо сваривать более толстые элементы - полки швеллеров, а только потом менее толстые - стенки.

Сварка встык

Используется чаще всего, так как является наиболее экономичной. Если главные критерии для соединения швеллеров - простота и скорость работы, а не качество и надежность, то стоит остановиться на таком шве. Сварку необходимо выполнять с двух сторон с достаточной глубиной провара. В монтажных условиях и при учете не использования такого соединения для сборки отдельных элементов конструкции допускается односторонняя сварка с подваркой корня шва.

Особое внимание на обработку кромок:

Описание процесса сваривания встык:

1. Устанавливается балка, так чтобы стенки были в горизонтальном положении.
2. Проводится скос кромок согласно толщине металла.
3. Устанавливается вторая балка для сварки швеллера встык с зазором до 3 мм при помощи крана.
4. Выполняется прихватка швеллеров между собой точечным швом с шагом в 40 мм.
5. Проверяется прямолинейность получаемой конструкции.
6. Основную необходимо провести без перерыва, от середины стенки по направлению к полкам.

Для уменьшения и внутренних напряжений и общей деформации балок так же рекомендуется провести усиление конструкции непосредственно после монтажа балки.

Сварка с накладками

Во избежание распространенного дефекта - трещин необходимо при сваривании встык добавить и подкладки. Зазор с обработанными кромками в собранном стыке должен быть не более 8 мм и при этом подкладка крепится со стороны свариваемых кромок. Толщина подкладки зависит от режима сварки и толщины исходного металла. Для данного типа соединений рекомендовано использовать автоматическую сварку под флюсом.

Все накладки лучше тщательно обварить по контуру с использованием всех рекомендаций при выполнении швов внахлест. В ситуациях, когда обварить со всех сторон не получается, необходимо все зазоры заполнить антикоррозионной жидкостью.

Описание процесса сращивания двух швеллеров:

1. Швеллера свариваются торцами друг к другу согласно ГОСТу или с предварительной обработкой кромок.
2. Изнутри сварной шов тщательно зачищается до ровной плоскости.
3. Внутри швеллера приваривается первая подкладка - стальная полоса той же марки длинной равной ширине швеллера умноженной на коэффициент 5. Ширина полосы должна соответствовать ширине швеллеров (до начала округления к полкам), толщина полосы равна толщине металла конструкции.
4. Полоса соединяется только швами по продольным сторонам.
5. Вторая подкладка на роль ребра и приваривается по двум сторонам от полосы.
6. Ребро необходимо тщательно проварить по контуру с двух сторон и обязательно приварить вплотную к полосе.

Такой метод сращивания подходит и для двутавровых балок, только необходимо все продублировать с двух сторон. По прочности сращенная таким образом конструкция будет только на несколько процентов (до 10%) в зависимости от общей длины, уступать монолитному изделию.

Для получения усиленной полой балки несущей конструкции часто соединяют два швеллера полками внутрь, образовывая так называемую коробочку. Технология подобного соединения схожа со сваркой швеллеров встык.

Описание процесса соединения:

1. Шов выполняют либо согласно ГОСТу с разделением кромок, либо оставляют зазор.
2. Ширину зазора выбирают исходя из толщины металла балки (минимум 3 мм), который необходим для предотвращения наплавки металла шва горкой.
3. Зачищать полученные швы болгаркой категорически нельзя, это приводит к ослаблению соединения.
4. Два швеллера необходимо закрепить струбцинами.
5. Соединительный сварной шов выполняют от середины к краям либо методом прихвата, когда работает один сварщик, либо одновременно продвигаются к краям два сварщика.

Выполнить такое соединение в полевых условиях при монтаже конструкции на месте возможно только при сваривании в горизонтальном нижнем положении. В других случаях рациональней и надежней будет использовать стыковые швы с последующим усилением подкладками.

Самые распространенные металлоконструкции из швеллеров

Балки и возможные варианты их сваривания

Стыковое соединение между одинаковыми швеллерами. Накладные монтажные швы выполняются на тонком металле (1,2), а после на более толстом 3. Соединение используется для получения маломощных конструкций.

Данное соединение выполняется двумя сварщиками и используется для сваривания швеллеров с разными по толщине полками. Первый шов выполняется для более толстого металла (1). Стыковое соединение (3) проводится согласно правилам, а угловые соединения (4) необходимо проводить одновременно двумя сварщиками (от краев балки к середине).

При изготовлении более сложных металлоконструкций используются эти же методы сваривания. Вся конструкция разбивается на отдельные узловые соединения, в которых происходит сваривание швеллеров. Монтаж конструкции всегда начинают от середины к краям и со швеллеров из более толстого металла, а после из более тонкого. Близко друг к другу швы располагать не желательно, лучше использовать подкладки из металла и дополнительные усиления конструкции.

Соединение швеллеров требует определенной последовательности действий и точного плана выполнения монтажа. Важность каждого шва нельзя недооценивать, так как существует большой риск потери всех преимуществ использования швеллеров для прочности конструкций.

Как сварить или состыковать швеллер между собой

Швеллер является важным элементом самых различных металлоконструкций, в том числе рамных. Чаще всего он выполняет функции восприятия разнообразных механических нагрузок – сжимающих, растягивающих, изгибающих, крутящих. Однако для формирования требуемой пространственной конфигурации жесткого каркаса (рамы) необходимо соединять отдельные швеллеры между собой с помощью сварки, качество которой должно обеспечивать участку соединения механические характеристики, сравнимые с характеристиками цельного швеллера.

Варианты стыковки швеллеров

По взаимному расположению швеллеров в месте их соединения различают следующие варианты:

• полками внутрь,
• полками наружу,
• смешанное,
• с полками, перпендикулярными плоскости каркаса.

Также распространено крестообразное соединение диагональных связей, в которых швеллера располагаются «стоя» или «лежа.

Требования к сварке швеллеров

• В первую очередь свариваются толстые элементы швеллера (полки), после чего приступают к сварке тонкой стенки.
• Не следует варить по внутренним граням полок и в углах соединения полки и стенки швеллера, поскольку это приведет лишь к ослаблению конструкции.
• Стык двух швеллеров должен иметь зазор 2 – 3 мм для исключения образования «горки» при его обварке, после зачистки которой произойдет ослабление сварочного шва.
• Если к конструкции не предъявляются особые требования по прочности и надежности, а важна скорость и простота выполнения работы, то можно выполнять соединение швеллеров встык с двухсторонним обвариванием (без накладок).
• Кромки торца, по которому происходит стыковка, формируются V- или X-образно (соответственно, для тонкого или толстого профиля) под углом 30° – 60°.
• На стыке соединяемых деталей не должно быть горизонтальных и вертикальных переломов.
• Стыковка может производиться с использованием листовых накладок, которые должны располагаться симметрично относительно продольной оси сечения.
• Зона сварного соединения без накладок не менее чем на 5% (в ряде случаев до 20%) слабее прочности швеллера, что необходимо учитывать в проектных расчетах.
• При использовании накладок стык между торцами швеллеров можно не обваривать, поэтому его ширина может достигать 50 мм.

Накладки рекомендуется полностью обваривать по контуру примыкания, что предотвратит проникновение между ними и швеллером влаги, приводящее к щелевой коррозии. Если это невозможно зазор между накладкой и швеллером заполняется антикоррозийным материалом. Для повышения плотности их контакта следует использовать прижимные струбцины.

Кромки накладок на полки швеллера должны быть параллельны кромкам полок. При проварке стыка накладки на полки устанавливаются лишь после зачистки шва и контроля его качества.

Наращивание длины швеллера

В некоторых случаях необходимо соединять два коротких швеллера по прямой для увеличения длины. Тогда эффективен следующий способ:

• между торцами швеллеров предусматривается зазор 2 – 3 мм,
• накладки толщиной как полки швеллера устанавливаются в требуемую позицию и привариваются по всему периметру,
• между перпендикулярными накладками предусматривается зазор 2 – 3 мм, который проваривается до швеллера,
• зазор между швеллерами проваривается до накладок.

Поскольку основным несущим швом является стык швеллеров, находящийся снаружи, то удобство его проварки гарантирует надежность соединения. Кроме того, расположение накладок внутри обеспечивает сохранение внешних размеров швеллера.

Также распространено следующее решение для торцевого соединения швеллеров:

Швеллер — один из главных элементов из которых состоит металлоконструкция. Для формирования нужной структуры каркаса требуется сварка швеллеров. Сварной узел имеет хорошую надежность, но любые нарушения в технологии сварки могут привести к ослаблению всей конструкции. В связи с этим сварка является самым сложным и контролируемым этапом при производстве металлоконструкций.

Выбор соединения прямо пропорционально зависит от размеров конструкции и действующих на нее сил.

Различают следующие варианты взаимного расположения швеллеров:

Выбор определенного варианта связан с:

• условиями наложения шва;
• протяженности места сваривания и количества задействованных рабочих для его наложения;
• вида сил и мест их воздействия;
• типа и габаритных размеров швеллера;
• требуемой расчетной устойчивостью и полной нагрузки на сооружение.

Применяемые виды сварки

Электродуговая сварка

Огромный выбор типов электродов по их номинальным характеристикам и особенности работы ими обеспечивают неоспоримое преимущество перед остальными видами сварки и делают его предпочтительным для данной задачи. Самый лучший шов мы получим в случае применения электродов УОНИ. При работе данными электродами следует учесть их особенности и рекомендации:

1. По возможности соединения должны быть выполнены внахлест.
2. Для использования данного электрода нужен предварительный опыт работы с ним.
3. Перед применением электрод подлежит прокалке в спец. печи на протяжении часа. Температура прокалки 250 С.
4. Места соединений изделий должны быть очищены от загрязнений, ржавчины и подготовлены согласно ГОСТу 5264-80.
5. Сварщик должен работать короткой дугой средней мощности, постоянным током и обратной полярностью.
6. Металлоконструкция сваренная данным электродом не должна использоваться при температуре ниже — 40 С.

Газовая сварка

Данным типом при сварки швеллеров зачастую не пользуются из-за огромной области и температуры нагрева. Данные факторы являться источником образования внутренних напряжений в структуре металла и общих деформаций негативно влияющих на всю металлоконструкцию. Тем не менее газовую сварку часто используют для устранения изъянов готовых конструкций или порезки заготовок с последующим снятием кромок.

Типы сварки

Сварка швеллеров встык

Данное соединение применяют для не ответственных конструкций. Сварка выполняется с лицевой, тыльной стороны и с условием хорошей толщины провара. Монтажный шов сперва выполняют на тонкой, а после на более толстой части швеллера. Допускается выполнение данного шва с одной стороны изделия с обязательной подваркой корня шва.

Последовательность наложения швов

Потребность в снятие кромок определяется исходя из толщины полок швеллера:

1. 6 мм и менее-скос кромок не требуется.
2. 6-12 мм — скос делают под углом 30 .
3. 12 мм и более-скос кромок выполняется под тупым углом на внутренней стороне заготовки. Шов выполняют V и Х-образным.

Алгоритм сварки:

1. Швеллер размещается стенками горизонтально.
2. Снимают кромки в зависимости то толщины металла.
3. Производится стыковка двух балок с зазором не больше 3 мм.
4. Производится временная прихватка заготовок между собой точками с шагом в 40 мм.
5. Анализируется правильность созданной конструкции.
6. Окончательная обварка поверхности стыка проводится непрерывно от середины стенки в сторону полок.

Для улучшения сварных характеристик и предотвращения появления трещин в местах сварки советуется выполнить усиление проката подкладками сразу после установки изделия. При приварке П-образного проката только в стык, без накладок, сваренное соединение будет слабее чем сам швеллер.

Сварка швеллеров с накладками

Зазор при стыке двух свариваемых деталей устанавливают не больше 8 мм. Накладка размещается со стороны сварного шва. Толщина усиления зависит от режима сварки и размеров проката.

Накладки усиления обязательно обойти электродом по всей плоскости. При невозможности кругового обвара все зазоры заполнить веществом, препятствующим коррозии.

Алгоритм сварки:

1. Швеллера привариваются торцами друг к другу согласно технологических норм ГОСТа.
2. Шов внутри швеллера зачищается к плоскости.
3. Во внутреннюю часть швеллера приваривается усиление — лист стали имеющий длину равную 5-ти кратной ширине швеллера. Ширина листа ровна ширине швеллеров, толщина листа берется равноценной толщине материала швеллера. Полоса заваривается лишь по продольным сторонам.
4. Вторая полоса крепится в качестве ребра и заваривается по обеим сторонам от полосы. Ребро должно быть хорошо проварено по контуру с двух сторон и вплотную к полосе.

Прочностные характеристики срощеного данным методом изделия уступят монолиту на малость.

Соединение швеллеров внутрь

Для создания усиленной пустотелой балки можно соединить два изделия полками внутрь. Выполнение такого соединения одинаково со сваркой двух швеллеров встык. Данное соединение применяют при требовании конструкций средней мощности.

Алгоритм сварки:

1. Заготовки установить полками горизонтально напротив друг друга.
2. Скрепить струбцинами.
3. Шов выполнить либо по ГОСТу с разделением кромок, либо оставить зазор.(величину зазора выбирают в зависимости от толщины швеллера, но не менее 3 мм).
4. Шов необходимо производить по методу прихвата либо от середины к краям.

Зачистка швов болгаркой в данном соединении категорически запрещена и может привести к ослаблению всей конструкции.

Смещенное соединение.

Такая сварная конструкция производится несколькими сварщиками и применяется для объединения швеллеров с различными геометрическими размерами. Сварку начинают с мест, имеющих более толстый металл. Соединение встык производят, руководствуясь стандартными нормами, а угловые соединения требуется производить синхронно двумя сварными (от края к середине). Продольные швы нельзя накладывать до конца балки. Это расстояние зависит от соединяемых материалов и площади полки проката. Для углеродистых сталей данное расстояние приравнивается к ширине полки, а для легированных металлов приравнивается к двукратной ее ширине.

При сборе металлоконструкций различной степени сложности и конфигурации используются выше перечисленные нами методы и типы сваривания швеллеров. Любая металлоконструкция может быть разбита на отдельные небольшие самостоятельные узловые соединения, в которых будут применимы вышеописанные методы.

Самым прочным способом соединением среди всех видов считается соединение равнополочного проката с параллельными полками.

Любая сварка швеллеров или двутавров требует соблюдения заранее определенного ряда действий и точного порядка проведения монтажных работ. Сборку любой металлоконструкции всегда нужно начинать с середины и продвигаться к краям, одновременно сварку начинают со швеллеров имеющих более толстый профиль металла. При компоновке не рекомендуется размещать сварные швы близко друг к другу, данные места лучше укреплять применяя подкладные листы из металла и вспомогательные усилительные конструкции. Любой сварной шов сам по себе уменьшает прочность всей металлоконструкции на 5-7 процентов, хотя материал сварного шва обладает более лучшими прочностными характеристиками, чем материал основной детали. Сварочный режим и быстрота наложения сварного шва напрямую зависит от выбранного вами вида соединения, но наилучший при работе ручной электросваркой считается 20 м/ч.

Чтобы создать отличное прочное соединение необходимо перед сваркой хорошо зачистить места будущих соединений, и обработать кромки согласно рекомендациям ГОСТа. Полосы укрепления после приварки встык нужно размещать только снаружи швеллеров. Сварка во внутренних углах швеллера приведет к ослаблению всей конструкции, поэтому проводить работы во внутренних углах узла не желательно.