автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Организация обеспечения качества сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры железобетонных сооружений транспортного строительства

08-1

4X3

mir III .1 NSBJaHiiui-.v асл-в-.г ^ _ >

МЕЖДУНАРОДНЫЙ МЕЖАКАДЕМИЧЕСКИЙ СОЮЗ

ОРГАНИЗАЦИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ЗАКЛАДНЫХ ИЗДЕЛИЙ И МОНТАЖНЫХ СТЫКОВ АРМАТУРЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СООРУЖЕНИЙ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.02.22 - Организация производства

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени

На правах рукописи

МИРОНОВ ЛЕОНИД АЛЕКСЕЕВИЧ

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС)

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ, Заслуженный строитель РСФСР,

академик PAT и МАНЭБ Переселенков Георгий Сергеевич

Доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ, академик PAT

Доктор технических наук, профессор, академик PAT

Соловьянчик Александр Романович Хабибулин Касым Имадиевич

Защита состоится «<?/ » декабря 2007 г. в 12 часов

на заседании Диссертационного совета Д 06.024.МАИ.032 Высшей межакадемической аттестационной комиссии по адресу: 101475, ГСП-4, г. Москва, ул. Образцова, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в диссертационном зале совета. Диссертация в форме научного доклада разослана «14» ноября 2007 г.

Отзывы на диссертацию в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

доктор технических наук, ^ г

профессор, академик МАИ - , с' ^ Г.Е. Лазарев

ч^ЪвЩ^Я ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

У

Актуальность проблемы

Развитие транспортного, промышленного и гражданского строительства неразрывно связано с обеспечением качества применяемых технологических операций при одновременном снижении ресурсоемкости возводимых сооружений. Сварка является одним из основных технологических процессов строительной индустрии, в результате чего в ней на сварные элементы расходуется более четверти сортового и листового проката, выпускаемого отечественной промышленностью. При этом ежегодно арматурно-сварочным производством перерабатывается более 12 млн. т. стали.

В указанном объеме только производственными предприятиями транспортного строительства для сооружений из сборного железобетона изготавливается не менее 30 тыс. т. тавровых сварных закладных изделий, в большинстве с арматурными стержнями, из которых около 90% - с использованием ручной дуговой сварки штучными электродами. В то же время, более для этих изделий перспективна механизированная сварка под слоем флюса, применение которой, по сравнению с ручной сваркой, повышает производительность труда в 3+4 раза и снижает металлоемкость изделий в среднем до 20%. На монтаже выполнение соединений из арматуры классов А-1. А-П, Ас-П и А-Ш по ГОСТ 5781-82* и закладных деталей из сталей по ГОСТ 380-88 осуществляется электродуговой, в том числе, ванной, как ручной штучными электродами, так и механизированной сваркой сплошной и порошковой сварочными проволоками в среде углекислого газа и под флюсом.

Постоянное совершенствование сварочной техники и технологии все же полностью не исключает образования в сварных соединениях различных дефектов, которые в ряде случаев могут служить причиной возникновения аварийных ситуаций и даже катастрофических разрушений. Уровень брака может достигать 25-30%, вследствие несовершенства и неисправности оборудования, несоблюдения требуемых режимов, плохой подготовки сварочных N13-

териалов и т.д. Поэтому об эффективности использования сварки в строительстве в силу длительной эксплуатации и особенной ответственности сооружений можно говорить только при условии её сопровождения не менее эффективным контролем качества выполненных с ее помощью соединений. С учетом этого действующими нормативными документами [1-6 и др.] для строительных конструкций жестко регламентируются требования к сварным швам, их конструкции, качеству и предельно допустимым дефектам. Установленные этими документами требования к качеству сварных соединений, как правило, являются жестче требований, предъявляемых к аналогичным соединениям нормативными документами других отраслей промышленности.

Применяемые методы контроля качества сварки в строительстве должны гарантировать обнаружение в сварных соединениях различных недопустимых дефектов. Одним из общепризнанных способов такого контроля является ультразвуковая дефектоскопия, развитие и внедрение которой в нашей стране начато с 50-х годов на основе разработок ряда организаций: НИИмо-стов ЛИИЖТа, ЦНИИТмаша, МВТУ им. Н. Э. Баумана, ИЭС им. Е.О. Патона, 1ДНИИСа и др. Главные преимущества ультразвукового контроля: неразру-шаемость соединений, высокая чувствительность к наиболее опасным тре-щиноподобным дефектам, высокая производительность, низкая себестоимость самого контроля и вспомогательных сопутствующих операций, безопасность и оперативность. Отечественная строительная индустрия, одной из первых начавшая применять ультразвуковую дефектоскопию для окончательной оценки качества сварных соединений металлоконструкций ответственного назначения (мостов, газгольдеров, резервуаров, трубопроводов и т.д.), в настоящее время по уровню технического оснащения, организации и объему применения этого неразрушающего способа контроля занимает ведущее место среди подобных отраслей других стран мира. Значительно позже, чем для металлоконструкций, ультразвуковой контроль качества стал

применяться для арматурно-сварочных работ при изготовлении и монтаже сборных и монолитных железобетонных конструкций.

Долгое время возможность применения ультразвукового контроля для сварных соединений арматуры считалась сомнительной из-за периодичности её профиля. Вследствие этого основным методом контроля таких сварных соединений являлись выборочные разрушающие механические испытания, главными недостатками которых являются: низкая достоверность из-за получения только косвенной информации о качестве по образцам-свидетелям; неэкономичность проведения испытаний и неоперативность получения заключений. Применение радиографического контроля так же оказалось неэффективно в силу неудовлетворительной выявляемое™ недопустимых дефектов, высокой стоимости контроля и радиационной опасности.

В то же время ранее показанный уровень брака способствует преждевременным разрушениям сооружений даже при статических, а тем более при многократно повторных и сейсмических нагрузках. Данное обстоятельство обусловило актуальность проведения многоплановых технических разработок и исследований, целью которых являлось снижение брака и повышение надежности сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры железобетонных сооружений за счет проектного и технологического обеспечения их качества в заводских и монтажных условиях.

Методы проведенных разработок и исследований базируется на обобщении и систематизации известных достижений отечественных и зарубежных специалистов в области заводской и монтажной сварки арматуры, методов контроля качества сварных соединений, анализе этих результатов доведение до практического внедрения и вьивлении на его основе нерешенных задач в вопросах обеспечения качества указанных соединений. Для этого привлекался комплекс аналитических и экспериментальных методов исследований, включающих аспекты теории: сварочных процессов и электротехники, обшей и прикладной акустики, физического моделирования механики разрушений, вероятности, статистики и надежности; испытания на статическое, в том чис-

ле при отрицательных температурах, малоцикловое и многократно-повторные нагружения.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые дано комплексное решение проблемы организации обеспечения качества сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры железобетонных сооружений транспортного строительства, охватывающее вопросы совершенствования предназначенного для этого сварочного оборудования, технологии сварки, выявления неразрушающим ультразвуковым методом контроля образующихся дефектов сварки, оценки, их влияния на несущую способность и надежность соединений и учета этого влияния при проектировании. К элементам научной новизны относятся следующие результаты:

• с учетом наибольшей экономичности изготовления закладных изделий с применением автоматизированной сварки под флюсом на основе фундаментальных положений теории сварочных процессов и результатов аналитических и экспериментальных исследований определены новые закономерности приварки арматурных стержней к плоским элементам с точки зрения взаимосвязи: электрическая дуга - источник питания - параметры режима, что позволило изменить ранее применявшуюся принципиальную схему указанного процесса и установить основные пути аппаратурно-технологического совершенствования механизированной сварки закладных изделий с перпендикулярным и наклонным расположением стержней;

• исследованиями энергопитания дугового разряда доказана возможность использования интегральной оценки тепловложения при назначении режимов сварки закладных изделий под флюсом с источниками переменного тока, позволившей при модернизированном аппаратурно-технологическом обеспечении процесса сварки снизить металлоемкость закладных изделий и увеличить производительность их изготовления;

• исследованиями свариваемости широко применяемых классов арматуры определены наиболее целесообразные, с точки зрения эксплуатационной надежности монтажных сварных соединений, марки сварочных проволок и

штучных электродов, обеспечивающие высокие показатели качества при широко применяемых в транспортном строительстве: полуавтоматической сварке в медной форме, сварке под флюсом и ванно-шовной сварке;

• экспериментально обоснованы допустимые площади дефектов сварных закладных изделий и монтажных сварных соединений арматуры железобетонных конструкций для статических нагрузок при положительных и отрицательных температурах, малоцикловых и многократно-повторных нагруже-ниях. Установлено, что эти площади могут быть нормированы с помощью определенных коэффициентов к допустимой площади аналогичных дефектов для статического нагружения при положительной температуре;

• исследованиями с помощью лучевой акустики и на экспериментальных моделях доказана эффективность ультразвукового контроля качества закладных изделий и монтажных сварных стыков арматуры. Разработанные для последних методы контроля позволяют пренебречь влиянием неровностей периодического профиля цилиндрического тела, соизмеримых с длиной ультразвуковой волны. Выявленные при этом закономерности обеспечивают возможность реализации ультразвукового контроля качества в транспортном строительстве для железобетонных сооружений;

• экспериментальным моделированием установлены принципы функционирования устройств фиксации ультразвуковых пьезопреобразователей для сварных закладных изделий и разных типов монтажных стыков арматуры, позволяющие компенсировать влияние их конструкции и технологам выполнения на чувствительность ультразвукового контроля к обнаружению дефектов сварки;

• на основе анализа методами математической статистики и теории вероятности создана технологическая система и методология оценки качества тавровых сварных закладных изделий и монтажных соединений арматуры, позволяющая по амплитуде ультразвукового сигнала дефектоскопа дифференцировать их по степени пригодности к эксплуатации и надежности в железобетонных конструкциях.

• разработанные средства и методы сварки и ультразвукового контроля сварных соединений составляют функциональную систему управления качеством сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры.

Практическая значимость работы заключается в реализации ряда ее положений и результатов в отраслевых нормативно-рекомендательных документах по сварке и ультразвуковому контроля закладных изделий, в разработке, организации изготовления и внедрении соответствующих установок и приспособлений, обучению в работе на них операторов на предприятиях транспортного строительства. В результате более чем десятилетних исследований и разработок к настоящему времени в отрасли при изготовлении сварных закладных изделий и выполнении монтажных соединений существенно (в 2-3 раза) снижен технологический брак и достигнута значительная экономия металла.

Апробация работы проводилась на отраслевых научно-технических конференциях, Советах, совещаниях, семинарах и выставках.

Публикации Основные результаты отражены в десяти публикациях, в том числе в одной монографии.

Автор выражает огромную благодарность коллективу и руководству ОАО ЦНИИС, а также кандидату технических наук Шаферману И.М., за участие и помощь в проведении исследований, внедрении их результатов и подготовке настоящей работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Анализ крупных обрушений железобетонных строительных конструкций, в том числе мостовых, произошедших за последние десятилетия (по данным А.Н. Шкинева, Т.К. Гусевой, Г.Г. Гуровой) показывает, что основной причиной аварий, как правило, является низкое качество сварных соединений арматуры, в том числе закладных изделий, при изготовлении конструкций и

выполнении строительно-монтажных работ. При этом в выводах комиссий, обследовавших обрушения, нередко обращается внимание на недопустимые дефекты в этих соединениях, встречающиеся в аварийных объектах. Поэтому, ряду организаций (МВТУ им. Н.Э. Баумана, НИЙЖБ, ЦНИИСК, ГЦНИ-ИС) в рамках государственных и отраслевых программ, было поручено разработать методы и средства сварки и неразрушающего контроля, обеспечивающие высокое качество указанных соединений. Автору настоящей работы, с коллективом лаборатории сварки, предназначалось провести эти исследования для сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры железобетонных сооружений. Обобщение и систематизация известных данных по технологии выполнения этих элементов позволило установить, что здесь имеются следующие нерешенные проблемы.

Для закладных изделий они связаны с оборудованием и методами контроля качества сварки, для монтажных сварных стыков арматуры - назначением сварных материалов и также с методами контроля. В соответствии с этим и проводились все дальнейшие разработки н исследования, результаты которых приводятся далее.

В настоящее время в закладных изделиях нормами регламентируются конструктивные решения сварных соединений арматурных стержней с элементами металлопроката, которые условно можно классифицировать по двум основным группам. Закладные изделия с тавровыми и нахлесточвыми соединениями, в свою очередь отличающиеся применяемыми при их выполнении способами сварки: с дополнительным или без него присадочным материалом. К способам сварки, выполняемым с дополнительным присадочным материалом в обоих типах соединений, относятся: механизированная и ручная электродуговая сварка стержней соответственно непрерывной сварочной проволокой или штучными электродами. Каждый вид соединений по нормам обозначается своей маркировкой и должен отвечать определенным требованиям, как по геометрическим размерам, так и по классу используемой арматуры.

В транспортном строительстве, особенно в железобетонных автодорожных и железнодорожных мостах, наибольшее распространение получили закладные изделия с тавровыми сварными соединениями стержней арматуры с плоскими элементами. Они применяются в зонах установки опорных частей в пролетных строениях и на опорах, при стыковании сборных элементов пролетных строений и опор, при анкеровке высокопрочной арматуры для передачи натяжения тем или иным способом и др. Опыт эксплуатации железобетонных мостов показывает, что в закладных изделиях разрушения могут возникать по месту приварки арматурных стержней, нередко ускоряющиеся их коррозией (рис. 1).

Рис. 1. Характерные виды повреждений закладных изделий в железобетонных элементах мостов

Комплексный характер эксплуатационной нагрузки, воспринимаемой закладными изделиями, приводит к тому, что в большинстве случаев арматурные стержни работают как внецентренно растянутые в бетонной среде. В связи с этим к основным расчетно-конструктивным параметрам тавровых за-

кладных изделий относятся их размеры, диаметр, количество и класс арматурной стали арматурных стержней, их длина, а также толщина и размеры в плане плоских элементов. Определенные из условий прочности размеры корректируются технологическими требованиями по сварке арматурных стержней с гарантированным качеством соединений.

В сооружениях промышленно-гражданского назначения применяются многие упомянутые способы сварки закладных изделий: дуговая ручная и механизированная под флюсом или в среде углекислого газа, а также контактная рельефно-точечная для приварки арматурных стержней втавр перпендикулярно или наклонно к плоским элементам из листового или фасонного проката. Приварка таких же стержней внахлест (параллельно плоскости проката) осуществляется дуговой шовной сваркой вручную или полуавтоматами и контактно-рельефной сваркой. Сопоставление показывает, что наименьшая трудоемкость всех сварочных операций характерна только для сварки тавровых соединений под флюсом и контактно-рельефной (рис. 2).

36

г 32

и

28

24

У 20

§

1 16

Н 12

8

4

0

ч\

А\

К 9 Т.с.Оч

Ло

5.47

->

11.5

под слосм ко!ггр.-точ. сварка в

флюса конт.рельеф „„„„. ручная дуг. срем втавр втавР сварка }тл. гага

тавр нтэвр

Рис. 2. Трудоемкость всех сварочных операций при изготовлении 1 т закладных детален в зависимости от способа сварки нх элементов

В то же время, как указывалось, в мостостроении подавляющая доля сварных изделий выполняется ручной сваркой, часто сопровождающейся скрытым браком. При этом весьма трудоемкими операциями являются сверление и зенковка отверстий в пластинах, специальная сборка закладных изделий, прихватка с последующей заваркой арматурных стержней валиковы-ми швами в раззенкованных отверстиях. В ряде случаев требуется зачистка места сварки заподлицо с пластиной и выполнение подварочного шва со стороны стержня. Трудоемкости этих операций в общем цикле изготовления закладных изделий составляет около 60%. Иногда в мостах встречаются тавровые закладные изделия, у которых арматурные стержни согнуты под углом 90° и вручную приварены к плоскому элементу внахлест угловыми швами.

При механизированной дуговой сварке под флюсом, выполняемой без дополнительного присадочного материала, меньшая трудоемкость обусловлена существенным упрощением конструкции подготавливаемых к сварке элементов соединения и самим процессом сварки. В результате переход от ручной сварки закладных изделий даже только на механизированную сварку под флюсом уже способен (контактные способы сварки в данной работе не рассматриваются в виду ограниченности их использования для большинства диаметров и классов арматур) обеспечить существенный экономический эффект. Сопоставление эксплуатационных качеств бездефектных сварных соединений закладных изделий, выполняемых ручной и указанной механизированной сваркой, показывает (рис. 3), что оба способа сварки практически не уступают друг другу (графики 1,2), а более низкая несущая способность наблюдается у тавровых закладных изделий с угловыми швами согнутых стержней (график 3). Последние были применены на обрушившемся мосту через р. Куру, что свидетельствует о низкой несущей способности нахле-сточных соединений. Поэтому они так же в дальнейшем не рассматриваются.

1 - ручная сварка в раззенкованные отверстия

2 - механизированная - под флюсом

3 - ручная сварка внахлест отогнутых на 90°стержяен

Рис. 3. Диаграмма деформирования закладных изделий с тавровыми сварными

соединениями

Значительный вклад в развитие механизированной сварки под флюсом закладных изделий внесли А.Я. Бродский, В.И, Игнатьев, И.С. Шапиро, Ф.М. Дубровин, B.C. Гуменюк, A.M. Фридман и др. Схематично процесс сварки можно представить следующим образом (рис. 4): плоские элементы и арматурные стержни приводятся в соприкосновение, место которого засыпается слоем флюса, используемого в качестве защиты от окисления впоследствии расплавляемого металла.

Я

г

а-г) этапы процесса, 1 - плоский элемент; 2 - арматурный стержень; 3 - флюс; 4 - электрическая дуга; 5 - расплавленный металл; 6 - валик усиления монолитного сварного шва.

Рис. 4. Схема процесса дуговой сварки под флюсом тавровых соединений закладных изделий

Процесс начинается разъединением находящихся под электрическим напряжением стержня и элемента, вызывающем зажигание электрической дуги, которую поддерживают в течение всего времени сварки. За счет этого происходит оплавление стержня и элемента. По истечении определенного времени горения дуги стержень резко опускают в ванну расплавленного металла, прекращая сварку. После кристаллизации металла в процессе охлаждения образуется монолитное сварное соединение с валиком усиления, покрытым легко удаляемой шлаковой коркой. Техническое осуществление указанного процесса реализовано в промышленных аппаратах типа АДФ-2001 (2002) и регламентируется рядом нормативно-рекомендательных документов. Однако несовершенство оборудования, недостаточная обоснованность требуемых режимов сварки не гарантируют стабильное качество сварных соединений.

Поэтому при аппаратурно-технологической модернизации механизированного способа сварки закладных изделий под флюсом помимо устранения чисто конструктивных недостатков упомянутых промышленных аппаратов решались вопросы изменения методологии назначения режимных параметров самого процесса сварки.

Конструктивная модернизация выразилась; в замене неподвижной решетки стола на роликовую для облегчения установки и перемещения достаточно тяжелых закладных изделий; одиночного флюсового стакана на комплекс флюсоудерживающих устройств с изменяемой геометрией для приварки в одном машинном цикле нескольких стержней; стационарного токопод-вода на подвижный с охлаждением зажимов для закрепления стержней и плоского элемента; в оснащении осциллятором для гарантированного возбуждения электрической дуги, системой датчиков и исполнительных механизмов для осуществления процесса сварки в автоматизированном режиме и др.

Модернизации оборудования способствовало и изменение принципиальной схемы самого процесса сварки и применение для его энергообеспечения источника переменного тока. Так. ранее предусматривалось выполнение процесса сварки по схеме; «отрыв - установка начального дугового промежутка - выдержка - подача - осадка», т.е. при достижении устойчивого горения дуги оплавляемый стержень должен был пошагово (по 1мм) перемешаться к ванне расплавленного металла пластины. В то же время исследованиями выявлено, что процесс может осуществляться и по схеме: «отрыв — установка начального дугового промежутка - выдержка - осадка», т.е. без промежуточной подачи стержня к ванне. Это позволило исключить еще ряд сложных узлов и механизмов и соответствующих настроечных операций.

Анализ показывает (рис. 5), что полученная после короткого замыкания и отрыва от плоского элемента электрическая дуга при горении увеличивается от своей начальной длины до конечного размера за счет оплавления определенной части стрежня. Соответственно увеличению длины дуги возрастает

Iи ,1 к - соответственно начальный и конечный моменты времени; £ и,£к- соответственно начальная и конечная длины электрической дуги; идн, идК - соответственно начальное и конечное напряжение дуги ^свн > 1 сек > ^ср " соответственно: начальная, конечная и средняя величина сварочного тока.

Рис. 5 Изменение во времени длины дуги £ (а), сварочного тока 1св и напряжения на дуге 11д (б) при оплавлении стержня

на ней и напряжение, обусловливая уменьшение сварочного тока, в свою очередь зависящего от мощности и формы кривой вольт-амперной характеристики (В АХ) источника питания сварочной дуги, а также от длины начального дугового промежутка и времени сварки. Изменение рабочего тока оценивается совместным рассмотрением внешних ВАХ источника питания и ВАХ сварочной дуги. ВАХ источника питания показывает зависимость напряжения от рабочего тока, а ВАХ сварочной дуги - ее напряжения от тока при постоянном значении дугового промежутка. При этом режиму горения дуги в любой отрезок времени соответствует равенство значений напряжения и тока ВАХ источника питания и ВАХ дуги определенной длины (рис. б).

Ток 1-у

1,2 - ВАХ источников питания соответственно с пониженным и повышенным

и«.;

ВАХдн и ВАХдк- соответственно начальная и конечная характеристики дуги;

А и В, Б и С - соответственно пересечения ВАХ 1 и з источников питания и дуги в начале и конце процесса сварки;

1ш и 1ш) 1к1 и 1кг - соответственно величины токов 1 и 2 источников пптанпя в момент начала и окончания оплавления стержня;

1ср1 и 1срз - соответственно средние значения тока 1 н 2 источников питания;

Рис. 6 Сравнительное изменение рабочего тока двух источников пнтання дуга

Известно (Г. Айртон), что напряжение дуги связано с ее длиной линейной зависимостью, поэтому величина падения напряжения при одинаковой длине оплавляемой части стержня одинакова, как для разных форм кривой ВАХ источника питания, так и ее участков (см. рис. 6). В то же время изменение тока при этом разное и. следовательно, разное зависящее от него количество тепла выделяемого в единицу времени. Но так как требуемое количество тепла, затрачиваемое на расплавление одной и той же длины стержня

одинаково, то экспериментально установлено, что независимо от диаметра стержней и ВАХ источников питания пропорционально изменению рабочего тока меняется скорость оплавления стержня (рис. 7):

У = а-1ср!Р = а4ср где: ау - объемный коэффициент расплавления, мм3/кА-с; Р - площади поперечного сечения стержня, мм2; 1ср- среднее значение тока при горении дуги, А (см. рис. 4 и 5); 1ср - средняя плотность тока, кА/мм2.

0,8 1,0 1,2

Плотность тока 1,кА1шг

Рис. 7. Влияние среднего значения плотности тока за время сварки на изменение скорости оплавления арматурных стержней

Приварка стержней закладных изделий имеет много сходного с обычной автоматической сваркой проволочным электродом под слоем флюса - токи порядка 1500А, расплавляемый слой флюса защищает от атмосферы ванну расплавленного металла, горение дуги происходит в газовом пузыре, ограниченном слоем расплавленного флюса, отсутствуют потери на разбрызгивание металла и т.д. В то же время для рассматриваемого процесса характерны и признаки ручной сварки штучными электродами: примерно одинаковые плотности тока (значительно ниже, чем при автоматической сварке прово-

лочным электродом) и крупнокапельный перенос расплавленного металла через разрядный промежуток.

Присущая рассматриваемому процессу общность признаков двух способов сварки обусловила проведение специальных экспериментальных исследований позволивших установить, что влияющая на производительность сварки интенсивность расплавления не зависит от диаметра привариваемых стержней и величины начального дугового промежутка, а следовательно и от напряжения на дуге и практически не зависит от рода тока. Так. например, весовой коэффициент расплавления арматурного стержня на переменном токе составляет а- 4,8 - 5,6 г/кА-с, а на постоянном токе обратной полярности, обязательность которого требовали действовавшие инструкции, а = 4,8- 5,0 г/кА-с. Это свидетельствует о том, что здесь определяющим является характер (химические составы стали, флюса) той среды, в которой поддерживается дуговой разряд, а не род используемого для его поддержания тока.

Установлено, что протекание процесса сварки возможно при плотности тока 1 > (5-7)-10"1 кА/мм2. Соответствующие этому минимальные величины тока 1ср (рис. 8) позволяют выбирать требуемые, обеспечивающие их, источники питания в зависимости от диаметра привариваемого стержня.

12 16 20 24 28 32 36 ^

Диаметр стержня, с! мм

Рис. 8. Диаграмма минимального среднего значения тока, обеспечивающего приварку стержней

Сопоставление режимных параметров процессов сварки, осуществляемых на переменном и постоянном токах, показывает (рис. 9), что применение первого из них предпочтительнее, особенно для приварки стержней большого диаметра, так как в этом случае существенно меньше время сварки. Это вызвано тем, что форма ВАХ источников переменного тока в большей степени отвечает процессу, чем источников постоянного тока. Здесь немаловажную роль играют именно два показателя - напряжение холостого хода ихх и ток короткого замыкания 1кз, в то время как ранее рекомендовалось выбирать источники питания только по одному - последнему из них. Необходимость учета именно обоих показателей объясняется тем, что при одних и тех же величинах отрыва и оплавления стержня источник питания, имеющий ВАХ с более высоким ихх обеспечивает и более высокий 1ср1 (см. рис. 6) а, следовательно, и большую производительность. Установлено, что увеличение Ц^ на 40-50% обеспечивает сокращение времени сварки до 80%.

(] - время сварки на постоянном токе; 1 - величина тока; время сварки на переменном токе.

Рис. 9 Сравнительное сопоставление режимных параметров процесса сварки на переменном и постоянном токе

Требованию статической устойчивости системы «дуга-источник» отвечает условие т.е. градиент изменения В АХ источника

должен быть больше соответствующего показателя ВАХ дуги на всех этапах процесса сварки. По своей сути ВАХ дуги является жесткой, поэтом}' для всех источников питания, имеющих ВАХ падающей формы требуемое условие будет соблюдаться. В то же время рассматриваемый процесс сварки связан с изменением напряжения на дуге, которое существенно возрастает к моменту окончания оплавления стержня. В связи с этим возникает требование обеспечения динамической устойчивости, отвечающее условию, при котором ихх должно быть всегда выше напряжения, соответствующего конечной длине дугового разряда. Несоблюдение этого условия приводит к деионизации разрядного промежутка. Из этого следует, что для обеспечения необходимой величины тока 1ср > 1тщ необходимо иметь совершенно определенное значе-

питания, при котором может быть обеспечена приварка стержня данного диаметра.

При больших градиентах изменения напряжения приварка стержней невозможна и источник питания с такой ВАХ может быть использован только для сварки стержней малого диаметра. В свою очередь экспериментально доказано, что уменьшение данного градиента при достаточной величине тока короткого замыкания обеспечивает возможность как увеличения диаметра привариваемого анкера, так и повышение производительности процесса сварки. Из этого следует, что ВАХ источника питания должна иметь полого-падающую форму. В наибольшей степени изложенным требованиям хтя приварки стержней до 40 мм диаметром отвечают ВАХ сварочных трансформаторов типа ТДФЖ, с мощностью выбираемой в зависимости от диаметра привариваемых стержней.

ние градиента

определенный угол наклона В.АХ источника

На основании результатов представленных исследований в модернизированном оборудовании для механизированной сварки под флюсом закладных изделий обеспечены: более высокое ихх на дуге; возможность уменьшения величины начального дугового промежутка без опасения короткого замыкания, что при пологопадающей внешней характеристике повышает 1ср в диапозоне его изменения от начальной (в момент возбуждения дуги) до конечной (в момент завершения оплавления заданной длины стержня) величины. Это в 1,5-2 раза сократило время горения дуги и соответственно время оплавления стержня по сравнению с ранее применяемыми источниками питания постоянного тока. Кроме того, уменьшение величины начального дугового промежутка снизило влияние магнитного дутья, за счет чего исключено смещение венчика наплавленного металла относительно оси стержня -весьма характерного дефекта для ранее применяемых промышленных установок.

Сокращение времени на проведение настроечных операций и времени оплавления стержня позволило увеличить в делом производительность механизированной сварки закладных изделий под слоем флюса на 20+25%, и снизить расход электроэнергии на 5+6%, а также предотвратить при малой толщине пластин их перегрев и прожигание. В последнем существенную роль играет источник переменного тока, позволивший изменить составляющие теплового баланса сварочной дуги. Если сварка на постоянном токе обратной полярности характеризуется максимальным тепловложением в плоский элемент закладной детали и соответственно наибольшей глубиной его проплав-ления, то изменение полярности на прямую вызывает противоположную картину: увеличение тепловложения в привариваемый арматурный стержень и снижение тепловложения в плоский элемент. Очевидно, что для уменьшения толщины плоского элемента необходима постоянная смена полярностей, которая при переменном токе происходит около 100 раз. В результате глубина проплавления характеризуется некоторой усредненной величиной между прямой и обратной полярностью. При этом уменьшается тепловложение в

плоский элемент, что и обеспечивает возможность уменьшения его толщины и сокращения массы дня нерасчетных закладных деталей.

Следует отметить еще одно введенное усовершенствование. Это ранее упомянутое оснащение осциллятором - высокочастотным маломощным генератором, позволяющим ионизировать газовый зазор между стержнем и пластиной и за счет этого зажигать между ними дугу без соприкосновения друг с другом и последующего разъединения. В результате появилась возможность исключить ряд сложных узлов и механизмов и свести схему сварки до основных механических операций «установка начального дугового промежутка-выдержка-осадка», что позволило изначально выставлять стержень на требуемом расстоянии от пластины (2-4 мм) и для возбуждения дуги только включать осциллятор. Это, а также обустройство современной пневмоси-стемой способствовали осуществлению автоматизированного цикла сварки от нажатия оператором одной кнопки.

Указанные изменения позволили создать практически новые установки УДФ-1 (рис. 10), существенно большей, в два раза, производительности, чем у прототипа, обеспечивающие приварку к пластинам и другим плоским элементам арматурных стержней разных диаметров (до 32 мм) в 1 -2 ряда по 1 -4 шт. в каждом ряду с возможностью изменений расстояний между ними. Работа установок может осуществляться как в ручном, так и в автоматизированном режиме. При этом производительность составляет до 1500 сварок в смену. Установки внедрены на ряде предприятий, изготавливающих железобетонные конструкции, в том числе для мостостроения (Подпорожский завод МЖБК) и обеспечивают при соблюдении всех необходимых технологических требований высокопроизводительную качественную сварку закладных изделий (рис.11), разрушающихся при механических испытаниях по основному металлу стержня.

Рис. 10. Установка для сварки закладных деталей под слоем флюса УДФ-1 а производственных условиях

Рис. 11 Сварные соединения закладных изделий, выполненные на установке

УДФ-1

Для обеспечения указанной несущей способности, выполняемого на установке УДФ-1 соединения, проводились исследования по выявлению влияния глубины погружения арматурного стержня в ванну расплавленного металла.

Изменение погружения торца стержня в ванну расплавленного металла относительно ее поверхности не вызывает увеличения или уменьшения поверхности сплавления торца стержня, однако, внешний вид соединения существенно изменяется. При погружении стержня до упора в дно ванны расплавленного металла, последняя имеет четкое кольцевое несплавление с образующей стержня, а при недостаточном погружении стержня образуется шейка в месте перехода от венчика к стержню.

Прочность сварных соединений в большой мере зависит от глубины погружения стержня в ванну расплавленного металла (рис. 12,а) и, при увеличении диаметров стержней, в соединении глубина погружения должна быть минимальной. При этом геометрическая форма сварного соединения становится наиболее благоприятной. При механических испытаниях на отрыв имеет место более плавное перераспределение усилий от стержня к пластине, что сглаживает влияние масштабного фактора, обусловленного исходной прочностью арматурных стержней большего диаметра, эксцентрицитетами наплавленного металла относительно стержня и условиями нагружений. В сварных соединениях пластин со стержнями диаметром до 16 мм (при значительно более высокой прочности исходного металла стержней и соответственно меньшей величине эксцетрицитета наплавленного металла относительно стержня) вариация глубины его погружения практически не оказывает влияния на прочность сварки (см. рис. 12,а). Таким образом, положительное влияние масштабного фактора в этом случае компенсирует неблагоприятную геометрическую форму соединения при посадке стержня до упора в дно металлической ванны. Положительное влияние более плавного перераспределения усилий от стержня к пластине при механических испытаниях на отрыв подтверждается также сравнительными прочностными данными образцов соединений с разной высотой венчика наплавленного металла (рис. 12,6). Исследования показали, что, например, при увеличении высоты венчика с 7 до 14 мм прочность соединения возрастает на 13%.

В) НУ 10/30

300

* С

I 0.3 £ 8 0.2 I

10.)

-с,

ч 4 а 20Ш ¿ = 30мм 1„ * в,5С

О 2 4 И 1« 12

Точки шрдости ПО ОСП <4(>Ш1

123...12

2.5 3 3.5 4Ь

Гл'.'5н|11 щимм ||аси.|ми<|[||г.п) лнм ид:и. пи

а,б - прочность сварных соединений в зависимости от глубины погружения стержня и высоты венчика (сплошная линия - средние значения; пунктирная линия - нижняя границадоверительного интервала при (1=0,95); в - распределение твердости по оси образца; г - содержание углерода по глубине металлической ванны

Рис. 12. Влияние глубины погружения стержня в ванну расплавленного металла на качество сварных соединений

Помимо этого была проанализирована взаимосвязь глубины погружения стержня с металлургическими и термическими факторами сварки с точки зрения их влияния на прочность сварных соединений. С этой целью были проведены испытания для оценки прочности наплавленного металла по высоте. Сваривали на оптимальном режиме тавровые соединения стержней диаметром 40 мм при отношении толщины пластины к диаметру стержня 5/с1=0>62. Установлено, что прочность наплавленного металла в верхней части (у стержня из стали марки 35ГС) составляет 640 МПа, а в нижней - 520 МПа. Соответственно этому распределяется твердость в сварном соединении (рис. 12,в) и углерод (рис. 12,г) (верхний слои ванны расплавленного металла

содержат углерода примерно в два раза больше, чем средние). Таким образом, наплавленный металл имеет в целом повышенную прочность (по сравнению с плоским элементом) за счет легирования из шлака и приваренного анкерного стержня. Кроме того, прочность наплавленного металла по высоте не одинакова. Со стороны стержня он (наплавленный металл) имеет более высокую прочность, чем со стороны пластины (рис.12,в,г). Это также благоприятно сказывается на прочностных свойствах сварных соединений пластин со стержнями большего диаметра при малом погружении стержня в ванну расплавленного металла.

Полученные данные были учтены при назначении кинематических параметров установки УДФ-1.

Представляет интерес еще одна возможность, предусмотренная в установке по предложению специалистов ЕИИЖБ. Это осуществление нового технологического процесса сварки под флюсом соединений наклонных стержней с плоскими элементами или профильного проката. Такие закладные изделия используются при объединении продольных стыков плит проезжей части железобетонных и сталежелезобетонных автодорожных пролетных строений и в других конструкциях из сборного железобетона. Ранее подобные закладные изделия изготавливались приваркой соответствующе изогнутых арматурных стержней внахлестку контактной рельефной сваркой или ручной дуговой сваркой протяженными швами.

В обоих случаях требуется нахлестка длиной 3-4 диаметра анкерного стержня для его приварки к элементу' проката. В таких соединениях расход стали составляет около 15% всей массы стерясневой арматуры, идущей на анкера.

Для сварки под флюсом этих изделий установка УДФ-1 дополнена рядом достаточно простых приспособлений. Процесс сварки осуществляется следующим образом (рис. 13): арматурный стержень - электрод устанавливается вертикально, а плоский элемент проката - под заданным утлом к стержню. Сварочная дута, горящая под флюсом между свариваемыми деталями,

расплавляет часть стержня определенной длины, в результате чего на плоском элементе образуется ванна расплавленного металла, которая удерживается от растекания формирующими элементами; затем стержень погружается в эту ванну, и после ее кристаллизации образуется сварное соединение. В зависимости от угла а наклона анкерного стержня к плоскому элементу целесообразно применять следующие разновидности рассматриваемого способа сварки: со свободным формированием ванны расплавленного металла при а545°; с принудительным формированием ванны раплавленного металла при а=15-30° и сварка стержней с торцом пластины при а=15-45°.

Приварку стержней под наклоном можно выполнять также к торцам проката. Получаемые при сварке под флюсом закладные изделия (рис. 14,а) имеют более высокие прочностные показатели, чем иные способы сварки (рис. 14,6). Кроме того, в этом случае экономия арматурной стали составляет более 15% за счет исключения нахлесточных соединений.

1 - арматурный стержень; 2 - плоский элемент проката; 3 - флюсосборный стакан; 5 - формующий блок

Рис. 13 Сборка деталей перед сваркой

а,кгс I

60 50 40 30 20 10

О 20 40 60 80 с!, град.

1 - сварка на установке УДФ-1 стержней диаметром с плоскостью проката; 2 - тоже с торцом проката; 3 - ручная дуговая сварка с плоскостью проката; 4- контактно-рельефная сварка с плоскостью проката: 5 - предел прочности основного материала стержня; заштрихованные области - доверительные интервалы с вероятностью 0.95

Рис. 14 Общий вид закладного изделия и наклонными арматурными стержнями (а) и результаты (б) сопоставительных испытанно на прочность образпов в зависимости от угла наклона а стержней, приваренных разными способами сваркп к плоскому

элемент)-

При разработке, условий обеспечения качества монтажных сварных стыков арматуры исходим из того, что для их выполнения используется сварочное оборудование общего назначения, широко применяемое во многих, отраслях народного хозяйства. Соединения выполняются ванными и луговыми способами сварки, которые наряду с типами соединений, их конструкциями и размерами также, как и закладное изделие, регламентируются нормативными документами. Они применяются для объединения горизонтальных и верти-

" 1

\

\

Щ,

V

кальных выпусков арматуры в сборном и монолитном железобетоне (рис. 15).

-с

а - вертикальных; б - горизонтальных;

- суммарная длина выпусков арматуры, Ьо-расстояние от стержня до элемента

Рис. 15. Схематическое изображение монтажных стыков арматуры в сборных железобетонных элементах

В сооружениях из монолитного железобетона арматурные стержни, как правило, расположены относительно редко. Поэтому доступ к сварным стыкам не представляет труда. Напротив, в сооружениях из сборного железобетона доступ к сварным стыкам может быть ограничен размерами выпусков с суммарной длиной 1о=250 мм и расстоянием Ь0~50 мм до стенки конструкции (см. рис. 15).

Выполнение монтажных сварных стыков отличается техникой сварки и выбор их типа определяется го условия обеспечения высоких эксплуатационных качеств, максимального использования механических свойств арматурной стали, минимальной трудоемкости и материальных затрат, квалификации сварщиков, эффективности методов контроля качества и др. В разра-

ботку технологии сварки стыков значительный вклад внесли И.М. Мулин, И.Е. Евгеньев, A.M. Фридман, В.В. Дулькин и др.

Стыки арматуры в монтажных условиях преимущественно сваривают либо в инвентарных (рис. 16,а), чаще медных и графитовых формах, либо на •остающейся стальной скобе-накладке (рис. 16,6). Реже применяется сварка встык без формирующих элементов. Так как является весьма трудоемкой и требующей высокой квалификации сварщика. Стыки с парными круглыми накладками (рис. 16,г) неоправданно металлоемки и не экономичны. Они могут быть рекомендованы только для сварки стержней малых диаметров (до 20 мм) и во всех других случаях допускаются как исключение при невозможности применять более прогрессивные способы сварки соединений.

Рис. 16. Схема монтажных стыков арматуры выполняемых: а - в инвентарных формах; б - на стальной скобе-накладке: в - комбинированно; г - вручную протяженными швами

В настоящее время внедряются монтажные стыки арматуры, сваривае мые комбинированно (рис. 16,в) в формующих инвентарных деталях на ос тающейся стальной скобе-накладке, обеспечивающей формирование корн

шва. Их преимущество заключается в том, что фланговые швы, объединяющие скобу-накладку со стержнем, обеспечивают передачу осевых усилий без эксцентрицитета.

Монтажные сварные стыки арматуры в большинстве случаев работают на статическое растяжение, но в сейсмических районах возможно и восприятие ими малоцикловых и многократно-повторных нагрузок. Примеры монтажных сварных стыков арматуры, выполненных на строительной площадке, приведены на рис. 18. Прочностные характеристики бездефектных монтажных сварных стыков стержневой арматуры, выполненных в инвентарных формах и на скобе-накладке, при статическом растяжении при положительной температуре находятся, как правило, на уровне прочности свариваемой арматуры. В то же время низкие температуры вызывают повышение пределов их прочности (рис. 12,а), сопровождающейся снижением пластичности. Очевидно, эти закономерности характерны и для стыков, сваренных комбинированным способом.

Рис. 18. Монтажные сварные стыки арматуры выполненные: а,б - соответственно горизонтальный и вертикальный в инвентарной медной форме; в,г - то Же на стальной скобе-накладке; д - горизонтальный вручную протяженными

швами

сг/сг,

г С

-60 -40 -20 0 -20

•60 -10 -20 0 -20

ар>а.

* N

Рис. 19 . Результаты испытаний бездефектных .монтажных стыков арматуры: а - статических при отрицательных и положительных температурах; б - при малоцикловых и многократно-повторных нагружениях; СУв - исходная прочность арматуры; СГ и СУе - соответственно статистическая и усталостная прочность стыков: СГд и (Т5 - относительное удлинение соответственно нормируемое для арматуры и текущее для стыков; о, Д, □, - горизинтальное и вертикальное в инвентарной форме; А, ■ - то же па скобе-накладке

При оценке влияния на бездефектные монтажные стыки арматуры исходим из того, что количество сейсмических толчков, как правило, не превышает 100 циклов, а для большинства землетрясений - 40-^-50 циклов. Проведенные испытания стыков, сваренных в инвентарной форме и на скобе-

накладке показывают, что при однократном динамическом нагружении прочность стыков выше статической. В то же время при малоцикловом нагружении падение прочности при 100 циклах составляет 4+5% от статической прочности, а при 1000 циклах 6+9%. При этом результаты для стыков, выполненных двумя указанными способами весьма близки (рис. 16,6). Их разрушения в отличие от исходной арматуры являются хрупкими и происходили в основном по шву и околошовной зоне.

При испытании на многократно-повторные нагрузки установлено, что на усталостную прочность сварных стыков и арматуры с периодическим профилем несущественное влияние оказывает: сам вид периодического профиля; химический состав в пределах одной марки стали, в том числе и при высоких значениях характеристики цикла р>0,5 и для арматуры разных классов; изменение диаметра стержней в пределах 20-45 мм; применение технологических приемов, вызывающих повышение выносливости сварных конструкций. Однако, выносливость стыков значительно зависит от внешних концентраторов напряжений, которые создаются при различных способах сварки. Показатели выносливости различных типов стыков при одинаковых значениях р могут различаться в 2-3 раза, а условные пределы выносливости однотипных сварных соединений стержней стали разных классов - близки между собой (при значениях р=0,5). Так, например, результаты по выносливости соединений, выполненных сваркой одиночным электродом в гладкой медной форме и полуавтоматической сваркой в съемных формах, близки между собой, а снижение относительной прочности их несварных стержней составляет 2345%.

Низкотемпературные испытания (при температурах -30°С, -60°С) сварных стыковых соединений стержней стали классов А-П и А-Ш, показывают, что понижение температуры не оказывает никакого существенного влияния на выносливость. Однако отрицательная температура создает условия для подавления пластической деформации стали в процессе циклического нагру-жения, что задерживает начало усталостного разрушения и в то же время

приводит к изменению характера разрушения: вместо пластического оно становится хрупким.

В целом при соблюдении оптимальных технологических условий монтажная сварка арматуры ванными способами в инвентарных формах под флюсом или порошковыми проволоками (с использованием полуавтоматов), одноэлектродная, ванно-шовная на стальных скобах-накладках (подкладках) обеспечивает высокие механические характеристики соединений. На эксплуатационную надежность, в основном, оказывает влияние характер нагрузок, применяемые в соединениях марки арматурной стали и сварочных материалов, температурные условия при которых работают железобетонные конструкции.

При назначении способов сварки и типов соединений, кроме показателей эксплуатационной надежности, следует учитывать в большей мере снижение трудозатрат и металлоемкости. При сварке в монтажных условиях стыковых соединений стержней эти два фактора могут оказаться основными. Например, производительность при полуавтоматической сварке под флюсом в 4-6 раз выше, чем при ванно-шовной сварке, в соединениях, сваренных в инвентарных формах, металлоемкость ниже, чем в выполненных на стальных скобах, на 12-20%.

На эксплуатационную надежность сварных соединений влияет также уровень технологической дисциплины и обеспечение контроля качества. Статический анализ качества стыковых соединений, полученный на основании испытаний 1520 контрольных образцов, выполненных ванными способами сварки (сталь марки 35ГС), показывает, что в зависимости от сварных материалов количество соединений с прочностью ниже требуемой колеблется от 7 до 40% (рис. 20).

«

2 гч

%

д

I

смфю! и лайдой фор* .Bam»4 mivljLft«» чаекгрм»»«

юд&1беч:фл|ма 1 ^ац^у^тщиЦ

№[м11цксчд<>'И*>лматпмал(ш

ОША С1ШГА с&мпс гашв yOtl»KV55

№

II

I

|

1

LI

ЬЧигмп,»

•юк-оамшк обрамт

66

2» 1

Л»

272

842

ш

% «В

I §

м JS ttt

|

CJ

8

Рис. 20. Диаграмма показателей качества сварных стыковых соединений стержней, выполненных ванными способами сварки с различными присадочными материалами

Из представленных данных следует, что материалы для сварки, в том числе под флюсом (наиболее производительный и наименее металлоемкий процесс) следует применять дифференцированно, в зависимости от используемых на монтаже классов арматуры. В качестве примера ориентировочные сведения о целесообразном выборе проволоки приведены в табл. 1.

Таблица 1

Марки сварочной проволоки Класс арматуры стали Примечание

А-1 А-П А-Ш

Св-08А Св-08АА Рекомендуется Допускается Не допускается При сварке стали марки 10ГТ при температуре ниже -40°С предпочтительно применять проволоку марок Св-08А, Св-08АА или Св-08ГА

Св-08А Рекомендуется Допускается

Св-ЮГА Св-10Г2 Св-08ГС Св-08Г2С Рекомендуется

В то же время, производственная практика выполнения сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры показывает, что, несмотря на все усовершенствования оборудования, и прогрессивные сварочные материалы все-таки возможно неудовлетворительное качество, обусловливаемое как наружными, так внутренними дефектами, причинами образования которых являются: нарушение технологии сварки, некачественные флюс, электроды, проволоки и др. или плохая подготовка их и свариваемых деталей, неправильная сборка под сварку и др., т.е. причинами, обусловленными человеческим фактором. Поэтому, параллельно развитию сварки закладных изделий и монтажных стыков арматуры, проводились исследования по её подкреплению методами контроля качеств, позволяющими эффективно выявлять брак в условиях массового производства и строительства.

К наружным дефектам (рис. 20,а) сварных тавровых закладных изделий относятся: подрезы (ослабление) стержня и пластины, чрезмерное усиление наплавленного металла, наружные поры, раковины, взд\тия, трешины в наплавленном металле или околошовной зоне, смешение относительно венчика (усиления) шва, перекосы осей стержней относительно плоских элементов. Эти дефекты являются недопустимыми и устраняются после 100® о внешнего осмотра, который не является приемочным.

К внутренним дефектам (рис. 20,6) относятся: несплавление кромок стержня с пластиной, шлаковые включения, поры, трещины. Эти дефекты при внешнем осмотре не обнаруживаются, и их выявление возможно только неразрушающими методами контроля. Анализ частоты появления внутренних дефектов показывает, что наиболее распространенными из них являются: поры шлаковые и неметаллические включения - 75% от общего числа дефектов, затеки шлака - 13%, несплавления и трещины - 11%. Сечение дефектов, как правило, расположено перпендикулярно оси арматурного стержня, т.е. передаваемому им усилию. Наиболее опасными из них. являются дефекты, имеющие удлиненную форму. Менее опасны дефекты, округлых форм - поры, шлаковые включения и др. Внутренние дефекты логично оценивать по их

площади д, представляющей отношение в процентах их суммарной площади дефектов к номинальной площади поперечного сечения стержня.

При исследованиях определялась зависимость предела прочности ав сварных тавровых соединений на отрыв от величины относительной площади дефектов в сварном соединении q=Sq/Sp•100%> где - площадь дефекта, а Эр - расчетная площадь поперечного сечения. Установлено, что (рис. 21) в случае приварки к пластинам стержней, диаметром 8-25 мм, допустимая относительная площадь дефектов, независимо от их местоположения составляет 15%. При диаметре анкерных стержней 28-40 мм допустимая площадь внутренних дефектов также не превышает 15%. Допустимая относительная

Трещина „

Смещение

б)

Поры

Рис. 20. Наружные (а) и внутренние (б) дефекты в сварных соединениях закладных деталей

площадь краевых дефектов в сварных соединениях таких стержней с пластинами снижается до 8%.

6КЧ

№,70

60

■йг ^ V ! !<3м

АЛ I4 1 Ч А Л Л •

1 г 1 2 ° . е4*" А

,1 1 ! ! А ч4 \

1 1

1 ! 1..........

Ю

20 30 40 50 60 £%

1 - стержни диаметром 8-25 мм с краевыми и внугренннмн дефектами (—х—) и стержни диаметром 28-40 мм с внутренними дефектами С—о—); 2 - стержни диаметром 28-40 мм с краевыми дефектами {—А—)

Рис. 21. Зависимость предела прочности сварных соединений от отпоснте.тьной площади дефекта

Статистический анализ более чем на 1000 образцов показал, что вероятность появления указанных дефектов хорошо описывается экспонентой

где ш - периметр распределения, который, например, для деталей со стержнями 10+16 мм составляет 0,07: Я.

х = g = —— 100% - относительная площадь поперечного сечения дефектов;

8г и - фактическая площадь поперечного сечения соответственно дефекта и арматурного стержня.

Вместе с тем замечено, что кривая изменения брака с увеличением диаметра стержней уменьшается также, примерно, по экспоненте.

В монтажных сварных стыках арматуры неудовлетворительное качество так же обуславливается наружными и внутренними дефектами (табл. 2).

Таблица 2

Виды дефектов Причины возникновения Способы устранения

1 2 3

Смещение продольных осей стержней в стыке (несоосность) Низкое качество стержней под сварку Вырезать стык, уменьшить несоосность стержней (допускается не более 0,05 диаметра стержня) и снова заварить.

Перелом осей стержней в стыке То же Вырезать стык уменьшить перелом осей стержней (допустимый предел - 3 градуса) и снова заварить

Подрез стержня в верхней части шва (показан стрелкой) Чрезмерно велик сварочный ток: слишком большой зазор между торцами стержней Заварить дефект, предварительно подогрев его горелкой до 750-800 градусов

Ослабленное сечение сварного шва Н^рИ Рано прекращен процесс сварки То же

Чрезмерное усиление сварного шва Поздо прекращен процесс сварки Снять усиление пневматической машинкой или газовым резаком (допускается усиление шва не более ОД диаметра стержня)

Непровар нижней части стержня (показан стрелкой) Хйим ШЭВ Недостаточен сварочный ток; не соблюдалась рациональная техника сварки; не было токоподвода к непро-плавленному стержню Вырезать стык и снова заварить его, устранив причины дефекта

Поры и раковины в верхней части шва З^ВВ Д^^ЯДД Низкое качество электродов; большая длина дуги; чрезмерно велик сварочный ток То же

признаками образования которых являются: нарушение технологии сварки, некачественные сварные материалы, неправильная сборка под сварку, износ или несоответствие размеров инвентарных форм и скоб-накладок диаметрам стержней, низкая квалификация сварщика и др.

К наружным дефектам относятся подрезы стержня, ослабление или чрезмерное усиление сечения наплавленного металла, поры, раковины, вздутия, трещины, незаваренные кратеры, смещения и перекос стержней в стыке. Эти дефекты не допускаются и выявляются визуально. Внутренние дефекты: непровар корня шва, несплавление кромок стержней и металла шва, поры, шлаковые и неметаллические включения, трещины и др. могут выявляться только физическими методами контроля.

Статистика показывает, что в соединениях, сваренных в инвентарное' формах, наиболее распространенными внутренними дефектами являются не провар корня или несплавление - 48% от общего числа дефектов, шлаковьк включения составляют 35%, поры - 14% и трещины - 3% (рис. 22). Для со единений сваренных на стальных скобах-накладках непровары и несплавле ния шва составляют 58%, шлаковые включения и неметаллические включе ния - 28%, поры - 11%, трещины - 3% (рис. 23). Аналогичный характер час тоты образования имеют и комбинированные соединения.

1 - непровары и несплавления; 2- шлаковые включения; 3 - поры; 4 - трещины

Рис, 22 Характерные внутренние дефекты для монтажных стыков сваренных в инвентарных формах

Сечение внутренних дефектов, так же как и в закладных изделиях, как

правило, расположено перпендикулярно продольной оси суммарного стержня и характер их распределения хорошо аппроксимируется экспоненциальным законом. Наиболее опасными из них являются, имеющие удлиненную форму. При этом исследованиями И.И. Маркова, А.К. Вощанова, Е.М. Комо-ва, А.М. Фридмана, В.А. Медникова и др. установлено, что краевые дефекты (непровары, несплавления, трещины в корне или боковой части шва) опаснее в 2-4 раза центральных дефектов (пор, шлаковых и неметаллических включений), находящихся внутри шва.

Наружные дефекты в стыках, сваренных в инвентарных формах, выявляются визуально и подлежат непременному исправлению. Поэтому нами оценивалось влияние на несущую способность только внутренних дефектов. Испытания более ста образцов на статическое растяжение с последующим измерением площади дефектов позволили получить для этих стыков уравнения связи с их относительной площадью g их относительной прочности, по сравнения с прочностью арматуры ос. На основании этого установлено, что минимально допускаемому нормативными документами предел}' прочности стыков, сваренных в инвентарных формах, соответствует пороговое значение

=20% (рис.23).

При аналогичных испытаниях стыков, сваренных на стальной скобе-накладке (рис. 24а,б) изучалось влияние как центральных, так и краевых дефектов, так как в большинстве случаев они скрыты указанной скобой-накладкой. Измерение их площади с учетом такого дифференцирования в более чем двухстах изломах позволили получить регрессионные зависимости, показавшие (рис. 24,г), что в этих стыках минимальному пределу прочности у центральных дефектов соответствует примерно в 1,5 раза большее значение g, чем у краевых. Однако при некотором ужесточении требований к качеству фактор влияния местоположения дефектов может быть исключен и установлена обобщенная регрессивная зависимость влияния § на прочность стыков, из которой следует, что gcnm = 23%.

1 - непровары и несплавления; 2 - шлаковые включения; 3 - поры; 4 - трещины Рис. 23. Характерные внутренние дефекты для монтажных стыков, сваренных на

скобах-накладках

Y

1,2

1,0

.<• 0,8

0,6

0.4

4 4 x

\ Г„ =0,8i N К

i^A^V ! > t t t f in

\ / , / «ч. s N «л 1

7=1,12-0,014* Sv = -0,077 ; \ N ч

=-0,9 i (X, = t СГ^ ^ ч = 20

30 40

-порогов*« плооил.дефект«

плошадь дефекта ё ~~ ^ ^С7* • ^^

Рис. 24 Зависимость относительной прочности соединений арматуры класса А-Ш от относительной площади дефектов

В то же время известно (Я.М. Потак. Л.А. Копельман. H.A. Maxyroi В.И. Тюфяков и др.), что помимо ослабления сечения шва, дефекты, являяс концентраторами напряжений, вызывают местное повышение уровня и ш равномерность распределения главных напряжений, объемность напряже} ного состояния. Кроме того, локализуя деформацию в ограниченном объе\ материала, они за счет уменьшения общего уровня пластичности и вязкост металла предопределяют его охрупчивание и увеличение скорости дефор.\п рования. Этим вызывается склонность сварных стыков арматуры с дефект; ми к хрупкому, малоцикловому и усталостному разрушениям. И, так кг монтажные стыки продольной арматуры вместе с ней работают на общи более жесткие, нагрузки в отличие от закладных изделий, воспринимают* только местные возмущения, для них проверялось влияние дефектов ке концентратов напряжений.

Для этого на образцах обоих типов стыков было изучено влияние отрицательных климатических температур на пороговое значение относительной площади дефектов. Испытания показали, что в большинстве случаев до температуры - 40°С для соединений с дефектами, у которых площадь не превышает установленных при положительной температуре пороговых значений, характерны вязкое и квазихрупкое состояния и их статическая прочность не уступает прочности аналогичных соединений при положительной температуре. При понижении температуры до - 60°С в соединениях с дефектами, имеющих площадь близкую к пороговой, в основном возникает хрупкое состояние, при котором наблюдается некоторое падение прочности (рис. 25), причем снижение величины пороговой площади для обоих типов стыков достигает 10% по сравнению с допустимой площадью дефектов при положительной температуре. Это позволяет для конструкций северного исполнения

регламентировать допустимую площадь дефектов соединений как £» = У I.

1.2

& 0,8 ь*

О.б

0,4

Г.- 0,82

Г е /

О}" со : I

Г = 1.01 - 0,05л

= -0,086 I

-0,71 \

| Гя = а ¿лиг. ^ "осу» = 37 1

ь*

Ь о.б

= 0,82-

Г =0,98-0,00&( «„=-0,102

/Л, =-0,82

:

10 20 30

40

20 30 40

а) - центральные; б) - краевые

Рис. 24, Зависимость относительной прочности стыков на стальной скобе-накладке от относительной площади дефектов

--------стыки, сваренные в инвентарной форме;

------------на скобе-накладке

Рис. 25. Влияние отрицательной температуры на статическую прочность

сварных стыков

В условиях переменных нагрузок дефекты, как концентраторы, нередко служат очагами возникновения усталостных трещин, приводящих к преждевременному разрушению сварных соединений. В связи с этим также проведены испытания на выносливость обоих типов сварных стыков под нагрузками, близкими к циклическим. Установлено, что в области малоцикловых нагружений (N=1000 циклов) испытанные образцы, качественные и с дефектами, разрушались практически при одинаковом значении напряжений и в большинстве случаев по основному металлу. После ста тысяч циклов характер разрушений меняется, и они в основном проходят по сечению, совпадающему с дефектом. В то же время наличие в стыках дефектов плошадью до 10% площади сечения стержня практически не сказывается на их долговечности. Напротив, соединения с дефектами, площадь которых составляет 20-23%, при N = 2-106 циклов практически вдвое снижают свой условный предел выносливости по сравнению с соединениями с такой пороговой площадью, испытанных на статику при положительной температуре (рис. 26). Из этого следует, что при малоцикловом иагружении пороговое значение пло-

шади дефектов может быть принято равным значению при статическом на-гружении. В то же время для многократно-повторных нагружений это значение должно быть уменьшено вдвое , т.е. = gп, = 0,5gп,

---------стыки сваренные в инвентарной форме;

—.........— на скобе-накладке

Рис. 26 Изменение пороговой площади дефектов при переменных нагрузках

По-видимому, показанные закономерности влияния дефектов при разных условиях эксплуатации характерны и для сварных закладных изделий и потому при необходимости могут быть и для них взяты за основу нормирования.

Знание пороговых значений площадей дефектов позволяет оценивать их в плане и с позиции механики разрушения. Так, например, все внутренние дефекты можно условно разделить на две группы: объемные (поры шлаковые и неметаллические включения) и плоские (непровары, несплавления и трещины). В механике разрушения теоретически рассматривается только плоский дефект простой геометрической формы с бесконечно острым краем (трещиноподобный дефект) в упруго-пластическом однородном материале.

Однако все возможные в действительности случаи лежат где-то между двумя указанными группами. Так, совокупность распределенных в объеме пор можно охарактеризовать охватывающей их круглой эллиптической трещиной, плоскость которой перпендикулярна к направлению действующей нагрузки. Такое предположение можно считать жесткой - предельно осторожной оценкой. В другом случае (при более мягкой оценке) совокупность дефектов можно представить в виде одной или нескольких сферических плоскостей, влияние которых не превосходит последствий эквивалентного уменьшения площади поперечного сечения сварного соединения.

В указанной связи уже на стадии проектирования сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры необходимо решать, к какому из двух крайних случаев относить обнаруженные дефекты. Очевидно, это должно обуславливаться категорией ответственности сварного соединения арматуры, которая может быть указана в проектах сооружений, например, мостов. При этом сварное соединение, несущая способность которого определяется из расчета элементов железобетонного сооружения по первому.- предельному состоянию относят к I категории ответственности; по второй' предельному состоянию - к II категории ответственности; в остальных случаях -к III категории ответственности.

В настоящее время дать рекомендации по данное вопросу затруднительно. Поэтому в будущем, наряд}' с дальнейшим совершенствованием технологического обеспечения сварки и контроля ее качества, необходимо установить и включить в нормативные документы нормы допустимых дефектов при заданных запасах прочности и вероятности хрупкой неразрушаемости арматурных сварных соединений с учетом эксплуатационных условий их работы, например, количество циклов и уровня переменных нагрузок, отрицательной температуры, величины запаса упругой энергии сооружения и других факторов.

Тем не менее, накопленный объем статистических закономерностей изменения прочностных показателей от параметров, встречающихся дефектов в

сварных соединениях закладных изделий и монтажных сварных стыков арматуры позволяет также, используя разработанную в ЦНИИСе методику (Д.И. Федоров, Б.А. Бондарович, В.А. Тельтевская), оценить их надежность, в том числе с учетом параметров колебаний конструкций, как вероятность безотказной работы с допускаемыми (пороговыми) дефектами. Так, например, для оценки надежности выносливости при многократноповторных нагрузках может быть использована формула

Р

1 + Ф

1М1-1(пКмКш(т + 2)

г \

УУпрКэфУпр

(В. К3 - <гпрр)Ку

где: Л'_, - базовое число циклов; - гамма процентный ресурс; п - средняя частота колебаний нагрузок; Км - коэффициент условий работы сооружения;

К - коэффициент режима работы; (¡/(т + 2) равно: (т — Т)т-.\ А!2, если га - четное; ш - показатель степени кривой усталости; у/а - коэффициент вариации приведенных напряжений; Кэф - коэффициент концентрации запроектированного соединения; сг - средние приведенные напряжения; г-расчетное сопротивление материала; К3 - отклонение пределов выносливости качественных соединений и с дефектами; р - коэффициент ассиметрии цикла; К коэффициент условий работы элемента; Ук - коэффициент вариации базового числа циклов.

Задавая для конкретного дефекта коэффициент К(=и„/сгц) где: сг? - предел выносливости соединения с дефектом, сгв - временной предел прочности материала стержня, получим вероятность безотказной работы, которая долж-

на быть не ниже заданной при проектировании. Оценка по указанной методике несущей способности дефектных сварных соединений подтвердила полученное значение допустимых площадей дефектов.

При установлении производственных браковочных норм исходили так же из того, что и разброс значений прочности соединения при фиксированной величине дефекта, подчиняется нормальному закону с плотностью веро-

f -- I

ятности: "у , где ту - математическое ожидание, ст. - сред-

нее квадратическое отклонение относительной прочности соединения.

Предполагая, что сг постоянно для дефектов любых размеров в пределах действия линейной регрессионной зависимости у = f(x) и равно стандартному отклонению линии регрессии SKy, получим математическое ожидание ту для конкретного значения размера дефекта x=g, определяемое уравнением регрессии, как ту=у. При этом соединение является качественным (годным) при у>ун- и некачественным (браком) при у<ун- Вероятность 0 снижения относительной прочности соединения у ниже нормативного значения у„ в зависимости от относительной площади дефекта (x=g) составляет:

1 У} 2сг2

(р =-т= \l С'У -d . Из графика функции ° = ®(Л') (рис. 27], видно.

что при относительных размерах дефекта (x=g)<10% практически отсутствует его влияние на прочность соединения, а при 300/о вероятность снижения прочности соединения ниже нормативной близка к единице.

Представляя функцию распределения дефектов по их относительным площадям как ff(x) = '-'e ". полечим функцию плотности вероятности появления в партии соединений с прочностью ниже нормативной Лт1*'определяемую произведением функций вероятностей появления дефектов размером x(fp(x)) и влияния этого дефекта на прочность °«(рис. 28):

(У-™,)7

ф)

Рис. 27. Вероятность снижения прочности сварного соединения ниже нормативной в зависимости от относительной площади дефекта

Рис. 28. Функция плотности вероятности (х) появления в партии соединений с прочностью ниже нормативной (заштрихованные площади численно равны вероятностям перебраковки $рп и недобраковки рн)

При выборе норм допустимых дефектов с учетом вероятностей перебраковки и недобраковки соединений, под перебраковкой рп будем понимать

вероятность того, что соединение с дефектом, большим нормативного будет отнесено к качественным (у>у„), а под недобраковкой рн - вероятность того, что соединение с дефектом меньше нормативного (§<§„) будет отнесено к некачественным (у<ун). Численно рп и рн при хн= §н= §п будут равны соответствующим заштрихованным площадям (рис. 28). В общем случае при произвольном значении нормативного размера дефекта х„ вероятности перебраковки и недобраковки будут определяться как:

Х11 ж X

О ЛГ, .г.

Общая ошибка оценки годности х0 определяется как: р0 = рн - рл.

Из графиков значений рн,рп,рй в зависимости от нормативного размера дефекта хн=ён (рис. 29) видно что: требование не пропустить практически ни одного соединения с прочностью у<ун(£>„=§„=10%) приводит к резкому увеличению перебраковки; минимальная ошибка достигается при р н=

р п=20°/о.

хн =£н

Рис. 29. Вероятности перебраковки недобраковки рн п общей ошибки р0 в зависимости от нормативного размера дефекта

Учитывая значительные коэффициенты запаса прочности закладываемые при проектировании строительных сооружений целесообразно назначать нормы допустимых дефектов, приводящие к минимальной ошибке. Вероятность перебраковки и недобраковки при этом примерно равна р„= рп=0.035, при общей ошибке р0=0.07. Следовательно, при принятой норме дефектов 3.5% соединений будет принята с прочностью у<у„ и 3,5% забраковано при у>ун. Вероятность Р правильной оценки влияния величины дефекта на нормативную прочность соединения при этом будет равна: Р=1-(р„ + рн)=0,93.

Полученные значения норм дефектности для статической прочности позволяют с той же вероятностью назначить нормы для соединений, эксплуатируемых: при отрицательных температурах, как £п - ; при малоцикловых нагружениях Ял" = &п; при усталостных (многократно повторных) нагруже-ниях 8п = °-5£п .

Установленные предельные размеры дефектов взяты для сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры за основу при разработке методики ультразвукового контроля (УЗК) качества. Предпочтительность этого вида неразрушающего контроля по выявляемости дефектов по экономичности, безопасности и т.д., в частности, перед радиографическим (рентген и гамма-контроль) доказана в работах Д.С. Шринберга, И.Н. Ермолова, В.Г. Щербинского, Н.П. Алешина, А.К. Гурвича, А.К. Вощанова, Крауткре-мера и др. Ультразвуковой метод контроля основан на измерении параметров ультразвукового луча (сигнала), проходящего через сварное соединение с дефектом. Для контроля применяют серийные импульсные дефектоскопы, типа ДУК-66П, УЗД-МВТУ, УЗД-12, МАСТЕР-М и др. В качестве информационных датчиков (носителей) применяются пьезоэлектропреобразователи (ПЭП) в основном с частотой 2,5 мГц.

При разработке методик УЗК закладных изделий анализировались возможные методы этого контроля и схемы прозвучивания сварного шва. Уста-

новлено, что наиболее рациональным в этом случае является эхо-импульсный метод (или метод эхо-локации), заключающийся в прозвучива-нии шва излучателем (генератором импульсов) короткими импульсами ультразвука и регистрации эхо-сигналов, отраженных от дефекта к приемник}'. Признаком дефекта является появление эхо-сигнала (импульса) на регистрирующем устройстве (экране) дефектоскопа. При этом рассматривались возможные схемы прозвучивания сварного шва закладного изделия (рис. 30): прямым сдвоенным призматическим и раздельно-совмещенным (РС) искателями. В прямом искателе один и тот же ПЭП является излучателем и приемником, благодаря наличию промежутков в подаче-приемке импульсов. При этом сами импульсы подаются перпендикулярно сечению стержня и дефекта. В сдвоенном призматическом искателе, излучающий и приемный ПЭП расположенный под углом к сечению стержня (дефекта) и размещены в разных, но зафиксированных между собой корпусах. В РС носителе ПЭП расположены также под углом, но размещены в одном корпусе, ип

и

ч 1 V-!

и п

СЖ

а - прямым искателем; б - сдвоенными наклонными искателями: в - раздельно-совмещенным искателем

Рис. 30 Возможные схемы прозвучивания закладных деталей

Анализ показал, что применение прямых носителей связано с трудностями, главная из которых состоит в том, что мертвая зона этих искателей больше глубины залегания дефектов в сварных соединениях. В результате наблюдается пропуск дефектов. Кроме того, применение прямых искателей

приводит к ошибкам в определении размеров дефектов, залегающих на глубине до 30 мм.

При контроле сдвоенным носителем появляются помехи от венчика металла. При этом в ряде случаев сигнал помехи может совпадать по времени и по амплитуде с эхо-сигналом от дефекта, что приводит к ложному забрако-выванию соединения. В виду большой площади контактирующей поверхности сдвоенного показателя наблюдаются значительная нестабильность амплитуды отраженного сигнала, что также затрудняет оценку качества изделия. Вместе с этим сдвоенные искатели не могут быть применены для контроля качества сварных соединений некоторых закладных деталей, в связи с ограниченным доступом к месту контроля.

Наиболее приемлемыми являются раздельно-совмещенные (РС) искатели. При этом целесообразно оценивать величину дефектов по амплитудному признаку.

Для получения зависимости «амплитуда А сигнала - относительная площадь дефекта» (рис. 31) проконтролированы с помощью ультразвука, а затем по его показаниям вскрыты, 100 соединений с произвольными краевыми и центральными дефектами. Браковочный уровень амплитуды сигнала находится на пересечении полученного графика «сигнал-дефект» с линией пороговой площади дефекта.

дв

* " *

---я- V * яХ к/к ; 7Г,

X ) X яч XX/ > ¿1 1

V х / »Л* 7х 1 I 1

10 20 30 40 50 х=<), %

Рнс. 31. Зависимость амплитуды эхо-сигнала Л от относительной плошали реальных дефектов Б,: где Эд и Эст- соответственно фактическая площадь дефекта и сжатия.

Методика УЗК закладных изделий по эхо-импульсному методу заключается в сканировании ПЭП по пластине над местом приварки стержня (рис. 32). Для контроля используют раздельно-совмещенные (РС) ПЭП (рис. 33) с параметрами, указанньми в табл. 3.

1 - раздельно - совмещенный (РС) преобразователь;

2 - сварное соединение; 3 - стержень арматуры; 4 - плоский элемент закладной детали;

Г, П - соответственно выводы к генератору и приемнику ультразвуковых колебаний.

Рис. 32. Схема эхо-пмульсного метода ультразвукового контроля таврового соединения стержня арматуры с плоским элементом

и 0-1 рО

у

1 - призма; 2 - пьезоэлемеит; 3 - демпфер; 4 - соединяющие проводники; 5 - корпус; (п-длина задержки; Р -угол призмы; 2а - сторона квадрата пьезоэлементз).

Рис. 33. Конструкция РС преобразователя

Таблица 3

Диаметр стержней, мм Параметры

Частота, МГц Угол призмы, град.

8-22 2,5 б

25-40 2,5 7

Контроль выполняют с помощью шаблона-приспособления с фиксирующим зону сканирования ПЭП сменным ограничительным кольцом, высота которого составляет 10-12 мм, а внутренний диаметр на 4-5 больше диаметра арматурного стержня (рис. 34),

1 - фиксатор; 2 - ограничительное кольцо; 3 - рычаги

Рис. 34 Схема шаблона-приспособления для ультразвукового контроля тавровых соединений стержней с плоским элементом закладной детали

Испытательным образом при контроле тавровых соединений, выполненных ручной или полуавтоматической сваркой в раззенкованное отверстие является плоский элемент закладной детали. При автоматической сварке под флюсом образец изготавливают с засверленным вдоль оси стержня плоскодонным отверстием (рис. 35) с диаметром, назначаемым в зависимости от диаметра стержня. Для обеспечения акустического контакта применяют также контактные легкосмывающиеся смазки типа ТКЗ и АКВ-1.

юо. им

¿с

10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40

2,5

3

3,5

4

4,5

5

6

6,5 7,5 8

9

10 12

3 - толщина пластины контролируемой детали; Д - высота венчика, образующегося при сварке.

Рис. 35. Схема испытательного образца для контроля тавровых соединений закладных деталей, выполненных автоматической сваркой.

Чувствительность дефектоскопа на испытательном образце настраивают по величине амплитуды А0 опорного сигнала, имеющей значения не ниже,

указанных в табл. 4.

Таблица 4

Амплитуда Значения амплитуды, дБ, при диаметре стержня, мм

8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40

А0 25 20 15

Ап .49 47 45 43 41 39 32 30 27 35 33 26 24

ДА . 18 16 14 12 10 В б 4 11 9 7 5 3

Примечания: А0 - опорный сигнал, Ап - поисковой сигнал.

При этом для соединений, выполненных ручной и полуавтоматической сваркой, ПЭП устанавливают на плоский элемент закладной детали вне зоны приваренного стержня (рис. 36,а); для соединений, выполненных автоматической сваркой, ПЭП устанавливают на испытательный образец так, чтобы получить сигнал от плоскодонного отверстия (рис. 36,6).

а) при контроле соединений, выполненных ручной и полуавтоматической сваркой; б) при контроле соединений, выполненных автоматической сваркой; 1 - РС - преобразователь; 2 - пластина закладной детали; 3 - испытательный образец.

Рис. 36. Схема замера опорного сигнала 60

Для контроля качества сварных соединений закладных деталей шаблон-приспособление укрепляют на стержне так, чтобы ограничительное кольцо лежало на плоском элементе. Внутри кольца наносят контактную смазку и устанавливают ПЭП. Контроль проводят, сканирую ПЭП в пределах ограничительного кольца.

Определение дефектов в сварном соединении выполняют на поисковой чувствительности дефектоскопа, на которую его настраивают в зависимости от применяемого способа приварки стержня арматуры к плоскому элементу-закладной детали. Для контроля соединений, сваренных вручную или полуавтоматом, поисковую чувствительность устанавливают, повысив чувствительность дефектоскопа относительно уровня опорного сигнала А^ до величины Ап (см. табл. 4), назначаемой в зависимости от диаметра стержня арматуры. Для контроля соединений, сваренных на автомате под слоем флюса, поисковую чувствительность устанавливают, повысив чувствительность дефектоскопа относительно уровня опорного сигнала Ао на б дБ до величины амплитуды Ап в зависимости от диаметра стержня арматуры.

При контроле на поисковой чувствительности отсутствие сигнала дефектоскопа является признаком бездефектного выполнения соединения. Наличие сигнала свидетельствует о дефекте в соединении. В этом случае измеряют амплитуду сигнала Атах, и определяют ее разность с амплитудой опорного сигнала А0, как ЛА= А0- Атах, характеризующую сравнительную величину дефекта в сварном соединении .

По допустимости к эксплуатации качество тавровых соединений стержней арматуры с плоским элементом оценивают по двухбалльной системе: балл 1 - негодные (подлежат исправлению); балл 2 - годные. Критерием оценки служит величина ДА, определяющая указанные критерии качества. Тавровые соединения закладных деталей, выполненные ручной и полуавтоматической сваркой оценивают баллом 1, если значения разности амплитуд

ДА в них равны или менее значений браковочной чувствительности, указанных в табл. 4, а баллом 2 - если разность амплитуд ДА сигналов больше значений браковочной чувствительности, указанных в табл. 4, и если на поисковом уровне чувствительности не выявлены дефекты. Тавровые соединения закладных деталей, выполненные автоматической сваркой, оценивают баллом 1, если амплитуда сигнала от дефекта в контролируемом соединении меньше амплитуды сигнала, полученного от контрольного отражателя в испытательном образце, и если на поисковом уровне чувствительности не выявлены дефекты.

Приемку соединений проводят партиями, объемы которых включают изделия одного типоразмера (одной марки), и не превышают их количество, изготовленное одним сварщиком в течение одной смены одним и тем же способом сварки. Объем выборки соответствует указанному в табл. 5, но не менее 3 шт. в выборке.

Таблица 5

X» Категория соединений Объем выборки, %

п/п

1 I 100

2 II 50

3 III* 3

*или без обозначения категории.

В партии сварных соединений I категории все соединения, оцененные баллом 1, подлежат отбраковке. Партия сварных соединений категории II, III и не имеющих категории подлежит приемке, если в выборке все сварные соединения оценены баллом 2 или не более двух соединений в разных закладных деталях, имеющих более двух стержней, оценены баллом 1. При этом некачественные соединения подлежат исправлению путем усиления ручной дуговой наплавкой валиковыми швами мест сопряжения стержня и пластины. Исправленные таким образом закладные детали формируются в партию объемом более 100 шт. и вновь принимаются по результатам ультразвукового

контроля. Если в выборке два и более сварных соединений одной закладной детали или три соединения и более в разных закладных деталях оценены баллом 1, то вся партия сварных соединений подлежит 100% -ультразвуковому контролю.

При разработке методики ультразвукового контроля монтажных сварных стыков арматуры исходим из следующего. В настоящее время арматуру классов А-П и выше изготавливают периодического профиля с высотой выступов от 1,5 до 2,5 мм в зависимости от диаметра с!н стержня. Это затрудняет ввод в него ультразвуковых колебаний из-за возникновения помех, мешающих выделению полезного сигнала от дефекта в стыке. Ограниченная цилиндрическая поверхность стержня также накладывает жесткие требования к помехозашитности метода.

Изучение многих схем ультразвукового контроля (УЗК) и вариантов ввода ультразвуковых колебаний в арматурный стержень показала, что по этой причине применение метода, по совмещенной схеме аналогичного показанному для закладных изделий с использованием как обычных, так и миниатюрных, устанавливаемых между выступами профиля, искателям невозможно. Ввод колебаний непосредственно через поверхность шва. прк использовании нормального или прямого раздельно-совмещенного искателя не обеспечивает выявление непроваров и несплавлений. Применение наклонного раздельно-смещенного искателя не эффективно из-за малого соотношения «полезный сигнал - шум». Многочисленными экспериментами установлено, что наиболее эффективными схемами контроля являются: для стыков, сваренных в инвентарных формах, - теневая (рис. 36,а), а для стыков типов на скобе-накладке и комбинированных зеркально-теневая (рис. 36,6) с использованием раздельно излучающего и приемного наклонных ПЭП. При этом компенсация неровностей профиля осуществляется густой акустической смазкой, что позволяет сканировать искателями по поверхности арматуры.

а) - теневая схема для соединений, сваренных в инвентарных формах;

б) зеркально-теневая схема для соединений на скобе-накладке и комбинированных; 2а - диаметр пьезоэлемента; п - стрела преобразователя; р - угол призмы преобразователя; Ь - расстояние между преобразователями; I - ширина шва

Рис. 36. Принятые схемы ультразвукового контроля монтажных сварных соединений арматуры

Различие в системах УЗК обусловлено спецификой конструкции монтажных стыков, выполняемых в инвентарной форме и на скобе-накладке. В первом случае возможен двусторонний доступ к шву, во-втором, размеры скобы-накладки не позволяют устанавливать и сканировать приемный ПЭП с

ее стороны, что может привести к неполному прозвучанию сечения сварного шва.

При теневом методе признаком дефекта является уменьшение амплитуды сигнала, прошедшего от излучателя к приемнику. При зеркально-теневом - уменьшение амплитуды сигнала отраженного от противоположной (донной) поверхности. Иными словами о наличии дефекта судят по уменьшению амплитуды сигнала Ад по сравнению с амплитудой А<, сигнала качественного соединения, т.е. по ослаблению полезного сигнала при этом ДА=А0-Ад.

Однако чувствительность контроля, в этом случае помимо таких традиционных факторов, как длина волны л, диаметр пьезоэлемента 2а, частота колебаний £ расстояние Ь между пьезопреобразователями и т.д., зависит от возникающих из-за периодичности профиля флуктуаций на приемном ПЭП. Моделированием профиля арматуры в виде совокупности неровностей синусоидальной формы, чередующийся гладкими участками, установлено, что ультразвуковые волны в основном вводятся в стержень только на участках впадин профиля и рассеиваются на его выступах (рис. 37).

На

Рис. 37. Прохождение ультразвукового пучка через периодический профиль стержня арматуры

При этом происходят потери энергии напрямую зависящие от геометрических параметров профиля. Условием стабильного ввода ультразвуковых колебаний в арматурный стержень является соблюдение соотношения:

а^-соБ (3,

где а - размер пьезоэлемента, 1 - шаг профиля, р - угол падения ультразвуковой волны.

С учетом данного условия и соизмеримости диаметра арматуры с1н с диаметром ультразвукового пучка, размеров дефектов 2в с диаметром пьезоэлемента 2а, для рассматриваемых сварных стыков разработаны эквивалентные схемы расчета акустических трактов теневой и зеркально-теневой схем УЗК. Их анализ позволил выявить также необходимость учета искажений, возникающих из-за расфокусировки ультразвукового пучка на цилиндрической поверхности арматуры и зависящих от соотношения с1„~2а.

Экспериментальные исследования (рис. 38), проведенные на моделях центральных дефектов - «боковое сверление» для стыков, сваренных в инвентарной форме, позволили определить для теневой схемы эмпирическую зависимость

где: А0 и Аг - соответственно амплитуды сигналов без дефекта и с дефектом;

ъ - приведенное (по эквивалентной схеме) расстояние между излучающим и приемным ПЭП;

К - коэффициент учета потерь энергии и искажений ультразвукового пучка, зависящий от диаметра стержня.

1,2 - по расчету при теневой схеме с дефектом типа «боковое сверление» соответственно для полубесконечного тела и стержня с периодическим профилем: 3 - по

расчету по зеркально-теневой схеме с дефектом типа «прорезь»; - - экспериментальные данные для «бокового сверления» при теневой схеме; », Л - то же соответственно для «бокового сверления» и прорези при зеркально-теневой схеме

Рис. 38 Ослабление амплитуды сигнала

Установленные значения К позволяют предложить данную формулу для расчета акустического тракта, так как она обеспечивает для центральных дефектов удовлетворительную сходимость (погрешность 7-10%) с экспериментальными данными не только по теневой, но и по зеркально-теневой схемам, в том числе в области больших дефектов с в>0,1 • <}„. Кроме того, выявлено, что в этом случае УЗК следует осуществлять при С =1,8+2,5 МГц и 2а=12-18 мм, обеспечивающих надежный ввод ультразвуковых колебаний и максимальный уровень чувствительности.

Для идентификации при УЗК стыков на скобе-накладке и комбинированных краевых дефектов экспериментально исследована (см. рис. 36) их модель - «сегментная прорезь». Установлено, что в этом случае для зеркатьно-теневой схемы справедлива, точнее выглядит эмпирическая формула

При этом более стабильные результаты наблюдаются при £=1,8 МГц и 2а=18 мм.

Широкая номенклатура диаметров арматуры обусловила оценку влияния кривизны ее поверхностей на помехоустойчивость акустического тракта ультразвука, что подтверждалось данными Н.С. Урмана о необходимости соответствия кривизны поверхностей ПЭП и контролируемых изделий. Однако исследованиями на специальных образцах с проверкой на реальных арматурных стержнях выявлено, что без большой потери чувствительности можно принять единые радиусы кривизны для широких диапазонов диаметров арматуры.

С учетом полученных данных и считая, что основной задачей УЗК, несмотря на помехи (рис. 39), возникающие при прохождении ультразвука через арматурный стержень, вызванные периодичностью его профиля, кривизной и замкнутостью поверхности, смещений, структурной неоднородности стыков и др., является создание практических методик УЗК, устанавливающих параметры, порядок проведения и технологические приемы контроля, обеспечивающие его высокую достоверность в производственных условиях. Поэтому значительное внимание уделялось разработке основных положений этих методик, охватывающих вопросы выбора основных параметров ультразвукового контроля, особенностей выявления краевых и центральных дефектов; реальной чувствительности контроля и способов ее эталонирования; определения браковочных уровней амплитуд сигналов и др.

ч\\

¿п(2а)

а) помехи от периодического профиля;

б) помехи из-за изменения свойств отражающей поверхности;

в) помехи из-за непараллельности в смещений

Рис. 39 Виды основных помех при УЗ-контроле арматурных стержней

В соответствии с принятыми схемами УЗК признаком наличия дефекта является коррелированное с его помощью ослабление амплитуды прошедшего сигнала. Анализ показывает, что при этом наибольшая чувствительность достигается при ее эталонировании на испытательных образцах, выполненных в виде бездефектных стыков, идентичным стыкам реального объекта. Соблюдение условий равновероятности обнаружения центральных и краевых дефектов, возможности их распознания при необходимости дифференцированной оценки требует прозвучивания сечения всего стыка,

В тоже врем, для оценки качества стыка необходимо знать браковочный уровень амплитуды сигнала, прошедшего через стык, который можно

оценить по его ослаблению в зависимости от площади дефектов в этом стыке.

Для получения зависимости проконтролированы с помощью ультразвука, а затем вскрыты сотни стыков арматуры, сваренных в инвентарной форме и на стальной скобе-накладке с произвольными краевыми и центральными дефектами. В результате установлены регрессионные связи (рис. 40), позволившие установить необходимые браковочные уровни амплитуд для стержней разных диаметров. Браковочный уровень амплитуды сигнала определяется точкой пересечения линии регрессии «сигнал-дефект» с линией порогового размера дефекта.

в \ ч \ \ 1 у = -0,551 г, =-0,87

"я а» ¿Лет 15 \ \ ... \ \ \ К

\ \ \ 4 I 4

\ \ \ IX

Щ У ■> 0

ч

0,26*.

10 I", ■— г„ --0,687 10

"д,- ¿Л/-

1

К ЬЛыц

30 Ч I . 35„

' ч ч зо

Й И? 0 «я.вГ

йг в" вп-г?

а) - сваренных в инвентарной форме; 6,в) - сваренных на стальной скобе-накладке, соответственно диаметрами до 40 мм и более 40 мм

Рис. 40. Зависимость ослабления прошедшего сигнала от относительной площади реальных дефектов в стыках арматуры

Соответственно для стыков сваренных в инвентарной форме работающих: при статическом и малоцикловом нагружении при браковочном размере площади дефекта хн=бп=ВпМП=;20% ослабление амплитуды ун=ААст=ААми=12 дБ; при отрицательных температурах x=gn1*,'=180/o и ун=ААхл=11 дБ, при усталостном погружении x=gnУ=10% и у=ААу=6 дБ.

Аналогично установлены браковочные уровни амплитуд сигналов для всего диапазона диаметров стержней, свариваемых в инвентарной форме (табл. б).

Таблица 6

Браковочные значения уровня амплитуд сигналов для стыков, _ сваренных в инвентарной форме_

Номинальные диаметры стержней, мм Браковочные уровни ослабления амплитуд, дБ

ААст, ЛА>щ ДАЫ ДА»

20, 22,25 8 7 ! 4

28, 32 10 9 5

36, 40 12 11 6

На основе приведенных результатов разработаны методики УЗК монтажных сварных стыков арматуры, согласно которым для стыков, сваренных в инвентарных формах или без вспомогательных формующих элементов, применяют теневую (рис. 41,а), а для соединений, сваренных на стальных скобах-накладках - зеркально-теневую схемы ультразву-кового контроля (рис. 41,6). При этом контроль стыковых швов соединений, сваренных с удлиненными фланговыми швами, проводят до наложения этих швов, которые ультразвуковому контролю не подлежат и освидетельствуются визуатьно. Для контроля могут быть применены дефектоскопы общего назначения типа ДУК-66ПМ, УЭД-МВТУ-Т и т.п. или специализированные типа «Арматура-1» и «Арматура-2».

а) теневая схема для соединений, выполненных в инвентарных формах;

б) зеркально-теневая схема для соединений, выполненных на остающихся скобах-накладках; 1 - наклонный преобразователь; 2 - метка точки выхода пучка; 3 - стыковой шов; 4 - скоба - накладка; И, П - соответственно излучающий и приемный преобразователи; Г, П - соответственно выводы к генератору и приемнику ультразвуковых колебаний.

Рис. 41. Схема методов ультразвукового контроля для стыковых соединений стержней арматуры

Для контроля используют пьезопреобразователи (ПЭП) с параметрами (Рис. 42), указанными в табл. 7, имеющие контактную поверхность в виде выемки с радиусом закругления, соответствующим диаметру стержня арматуры, на который устанавливается ПЭП. Выемка может быть получена фрезерованием или притиркой контактной поверхности его призмы. Допускается использовать ПЭП с диаметрами выемки на два номера ниже диаметра стержня.

1 — высокочастотный кабель; 2 - демпфер; 3 -пъезоэлемент; 4 - призма (Р~ угол призмы); 2 а - диаметр пьезоэлемента; п - стрела преобразователя; г - радиус, определяемый диаметром арматурного стержня

Рис. 42. Схема конструкции наклонного преобразователя

Таблица 7

Параметры ПЭП для контроля стыковьм швов арматурных стержней

Способ выполне- Диаметры стерж- Параметры

ния сварного соединения ней, мм Частота, МГц | Угол призмы, град.

В инвентарной фор- 20-40 2.5 ! ■ 50

ме

На стальной скобе- 20-32 2.5 50'

накладке 36-40 1,8 ; 50*

45-80 1,8 1 45

На стальной скобе- 20-40 Ь8 50

накладке с удлинен-

ными швами

*Для контроля стыковых соединений стержней диаметром с1„=20—(0 мм допускается также использовать ПЭП с углом призмы а=45°.

ПЗП устанавливают в механические устройства (рис. 43), обеспечивающие: постоянное расстояние между ПЭП при контроле стержней определенного диаметра; изменение расстояния между ПЗП при переходе к контролю

соединений стержней другого диаметра; установку ПЭП на контролируемое соединение соосно относительно друг друга и стержней; постоянное, независимое от оператора усилие, прижатия ПЗП к стержням; возможность перемещения ПЭП вдоль стержня.

а - выполненных в инвентарной форме; б - на остающейся стальной скобе-накладке; 1 - планка для крепления преобразователей; 2 - рычаги; 3 - рукоятка; 4 - фиксатор; 5 - рамка; 6 -преобразователь; 7 - прижимное устройство

Рис. 43. Механические устройства для УЗК стыковых стержней

Перед проведением контроля проверяют соосность ПЭП и стержней и соответствие расстояний между ПЭП диаметрам сваренных встык стержней (табл. 8,9). Несоосность - расстояние между продольной осью симметрии торцевой поверхности ПЭП и центром поперечного сечения стержня - не должна превышать 1,0 мм. При контроле стыковых соединений со стержнями разных диаметров расстояние между ПЭП выбирают по стержню большего диаметра.

Таблица 8

Установочные значения расстояний между ПЭП для соединений сварных, _согласно стандарту

Способ выполнения соединений Схема контроля Угол ввода, град. Установочные значения расстояний /, мм между ПЭП для стержней диаметром с1и, мм

20 22 25 28 32 36 40 45 50 60 ' ">0 80

На стальной скобе-накладке Зер-каль-но-теневая 65 88 96 ! 104 1 117 140 1 156 1 176 1 - , -

60 64 72 80 90 100 : '120 ! 132 15 16 19 ; 22 22 ! 1 1 ! 1 0 1 5 ' 5 ; 5 5

50 - - | - - . - ■ - 1 - ! 10 • 12 : 15 : 17 19 ; 1 ! '5.0 0-5 5

В инвентарной форме Тене вая 65 80 80 ■ 88 90 :00 ¡03 - - ; -

96 104 112 : 117 130 1 132 ; 144 : - - - , - ; ; 1

Таблица 9

Установочные значения расстояний между ПЭП для соединений еварных, согласно __нормам_

Угол Установочные значения расстояний /, мм между ПЭП для стержней дна-

ввода, метром (1,„ мм

град. 20 22 25 28 ! 32 36 40

22 85 90 95 1 100 105 110

65 25 - 95 100 105 110 115

28 - - 110 ; 115 120 125

32 - - - 125 130 135

36 - - - 140 1-5

20 65 70 70 75 80 80

22 - 70 80 80 85

60 25 - 75 85 90 95

28 - - ; 90 а< 100

32 - - - - 105 ПО

36 - - - - - 120

Примечания: 1. Способ соединения - на стальной скобе-накладке с уллнненным1 швами.

2. Схема контроля - зеркально-теневая.

Испытательный образец (рис. 44) для настройки чувствительности дефектоскопа при контроле стыковых соединений стержней арматуры представляет собой эталонное (бездефектное) стыковое соединение, идентичное контролируемому соединению по диаметрам свариваемых стержней, классам стали, конструктивным элементам соединений, способам сварки и использованным сварочным материалам, а также удовлетворяющее требованиям по показателям прочности. При этом продольные ребра периодического профиля стыкуемых стержней на испытательном образце располагают под углом 90+5° относительно друг друга. В исключительных случаях в качестве испытательного образца используют основной металл арматурного стержня.

Для изготовления комплекта испытательных образцов сваривают четыре соединения, проводят их радиографическое просвечивание и выделяют два лучших образца, а два оставшихся подвергают механическим испытаниям. Если просвечивание осуществить невозможно, изготавливают шесть контрольных образцов и проверяют их ультразвуковой дефектоскопией, затем отбирают два лучших, а остальные четыре также подвергают механическим испытаниям. Если результаты механических испытаний образцов не удовлетворяют требованиям нормативным, партию испытательных образцов изготавливают вновь и повторяют вышеперечисленные операции.

Для обеспечения акустического контакта между ПЭП и изделием применяют солидол или легковоспламеняющиеся контактные смазки типа АКВ-1, АК-2, ТКЗ и др.

Чувствительность дефектоскопа после его настройки обеспечивает на испытательном образце в зависимости от диаметра состыкованных стержней арматуры величину амплитуды А0 опорного сигнала ниже значений, приведенных в табл. 10.

2 '•. •»

т

а,б - выполнены в инвентарной форме;

в,г - выполнены на стальной скобе-накладке;

1 - преобразователь;

2 - сварные соединения;

3 - стержень меньшего диаметра ();

4 - стержень большего диаметра (й').

Рис. 44. Схемы испытательных образцов для настройки чувствительности дефектоскопа при контроле стыковых соединений арматурных стержней

Таблица 10

Минимальная величина амплитуды А„ опорного сигнала при настройке чувстви-__тельности дефектоскопа_

№ п/п Диаметр стержней арматуры^ мм: А„, дБ

1 20-30 20

2 36-40 26

3 45-80 30

4 20/40-32/40 26

Замер амплитуды А0 опорного сигнала на испытательном образце проводят после нанесения на него контактной смазки, консистенция которой обеспечивает равномерное заполнение впадин профиля арматуры. При этом соблюдается следующая последовательность (рис. 45) измерений: устанавливают систему ПЭП симметрично относительно сварного соединения (положение 2-2); получают на экране дефектоскопа импульс опорного сигнала, добиваясь максимальной амплитуды для данного положения, путем небольших колебаний системы ПЭП по окружности арматурного стержня на 1-3°; выводят импульс опорного сигнала в среднюю часть экрана по горизонтальной развертке; подводят к опорному сигналу передний фронт строб-испульса, устанавливают величину сигнала высотой 20 мм на экране дефектоскопа и замеряют полученное значение максимальной амплитуды опорного сигнала А3; подводят излучающий ПЭП вплотную к сварному шву (положение 1-1) и замеряют значение максимальной амплитуды опорного сигнала А]; подводят принимающий ПЭП вплотную к сварному шву (положение 3-3) и замеряют значение максимальной амплитуды опорного сигнала А3; определяют среднее арифметическое значение опорного сигнала А0, дБ, по трем полученным замерам Аь А2, А3. При использовании в качестве испытательного образца основной металл стержня замер амплитуды выполняют по ранее изложенной методике, снимая по три значения амплитуд Аи, А2, А3 соответственно на продольном и поперечном ребрах стержня. При этом фиксируемое в журнале среднее арифметическое значение амплитуды А0 опорного сигнала определяют по шести замерам.

а,б - для соединений стержней арматуры, сваренных в инвентарных формах, соответственно в нижнем и вертикальном положениях; в,г - для соединений стержней арматуры, сваренных соответственно на

обычной и удлиненной скобе-накладке; 1-1,2-2, 3-3 - последовательные положения ПЭП при замерах.

Рис. 45. Расположение преобразователей при замере амплитуды опорного сигнала на испытательных образцах

Контроль стыковых соединений арматуры также проводят по методике, применяемой для определения опорного сигнала на испытательном образце. Признаком наличия дефекта в сварном стыковом шве является меньшая амплитуда сигнала Амин по сравнению с амплитудой опорного сигнала А0, полученного на испытательном образце. По результатам замеров амплитуд сигналов А(1|2|з)МИН при трех положениях ПЭП определяют фиксируемую в журнале величину ослабления сигнала, пропорциональную величине дефекта в сварном соединении:

АА=А0-А(1121З)МИ„.

Значения амплитуд сигналов, замеренные в трех положениях ПЭП, позволяют ориентировочно определить и местоположение дефектов. Дефект расположен в корне шва, если при контроле по теневому методу значения амплитуд сигналов, полученные в положениях 1-1 и 3-3, меньше значений, полученных в положении 2-2, и если при контроле по зеркально-теневому методу значения амплитуд сигналов, полученные в положении 2-2, меньше значений, полученных в положении 1-1 и 3-3.

По допустимости к эксплуатации качество сварных стыковых соединений стержней арматуры в соответствии с результатами ультразвукового контроля оценивают по трехбалльной системе: балл 1 - негодные (подлежат вырезке); балл 2 - ограниченно годные (подлежат усилению); балл 3 - годные. Критерием оценки служит величина ДА, определяющая указанные критерии качества (табл. 11). При контроле сварных стыковых соединений стержней разных диаметров оценка качества соединений производится по стержням меньшего диаметра.

Приемку соединений следует выполнять партиями, объем которых включает соединения одной категории из стержней арматуры одного класса и диаметра, выполненные по единой технологии одним сварщиком, но не более 200 соединений. Объем выборки соответствует указанному в табл. 12, но

Таблица 11

Оценка качества монтажных стыковых соединений стержней арматуры

Способ вы- Положение пре- Значения разности амплитуд ДА = Ао- Оценка, !

полнения образователей Амин (в дБ) при диаметре стержней (в мм) балл |

соединений при УЗК 20-25 28-32 36-40 45-80 ;

>14 >15 >16 - 1

1-1; 3-3 14> ДА>6 15> ДА>7 1б> ДА>8 - т

В инвентар- (б <7 <8 - 3

ной форме >16 >18 >20 - 1

2-2 16> ДА>8 18> 20> -1

<8 ДА>10 ЛА>12 - з

<10 <12

>16 >16 >20 >24 1

На стальной 1-1; 3-3 1б> 16) 20> ДА>1 24

скобе- АА>12 ДА>12 <16 ДА>12 2

накладке <12 <12 '12

>13 >15 >17 >24 1

2-2 13 ДА>9 15ДА>9 17 ДА>11 24ДА>12 2

<9 <9 <11 <12 -

>15 >16 >20 1

На стальной 1-1;3-3 15 16ДА>11 20> -

скобе- ДА>10 <11 ДА>15

накладке <10 <15

>12 >14 >17 - 1

2-2 12ЛА>6 14> ДА>8 17 ДА>10 - 2

<8 <8 <10 - *

не менее 3 шт. в выборке. В зависимости от характера строящегося объекта и особенностей монтажа сооружения проектом может быть предусмотрено уменьшение объема партии и увеличение объема выборки сварных соединений, подлежащих контролю.

Таблица 12

Объем выборки соединений из партии

Способ выполиення свар- ; Категория соединения

ного соединения I II III*

В инвентарной форме | 100 50 10

На скобе-накладке | 100 : 50 15

*) или без обозначения категории

В партии сварных соединений всех категорий соединения оцененные баллом 2 подлежат усилению, баллом 1 - вырезке с последующей заменой вставкой и двумя новыми соединениями, также подвергаемым ультразвуковому контролю.

Для усиления дефектных соединений используют арматуру из стали той же марки, что и стыкуемые стержни. Площадь круглой накладки (накладок) назначают из условий статической прочности соединений и удобства сварки. При этом она составляет: в вертикальных соединениях (см. рис. 46), выполненных в инвентарных формах и на скобах-накладках, Е„>0,4РСТ, где Рн -площадь стержня накладки; Рст - площадь стыкуемого стержня; в горизонтальных соединениях, выполненных в инвентарных формах и на стальных скобах-накладках, при установке двух накладок РН>1,2РСТ (см. рис. 47,а); при установке одной накладки (см. рис. 47,6). При этом в круглых накладках предварительно вырезают газовой резкой или прострагивают соответствующий паз для обеспечения их плотного прилегания.

1 - сварное соединение; 2 - накладка; 3 - дефект; 4 - протяженные сварные швы Рис. 46. Усиление дефектных вертикальных соединений

А.А

Б_1

1 - протяженные сварные швы; 2 - сварное соединение; 3 - стальная скоба; 4 - дефект; 5 - накладка. Рис. 47. Усиление дефектных горизонтальных соединений двумя (а) к одной (б) накладками

В партии сварных соединений I категории принимаются соединения, оцененные только баллом 3. Приемка некачественных соединений после их замены (при оценке баллом I) или усиления (при оценке баллом 2) согласовывается с заказчиком и проектной организацией. Партия сварных соединений П, Ш и не имеющих категорий подлежат приемке, если в выборке все соединения оценены баллом 3 или не более двух соединений, расположенных в разных узлах сопряжений - баллом 2. При этом некачественные соединения усиливаются круглыми накладками. Если в выборке хотя бы одно соединение оценено баллом 1, два соединения в одном узле сопряжения или от трех до пяти соединений, расположенных в разных узлах сопряжений, оценены баллом 2, то назначают повторную выборку в объеме, регламентированном табл. б.

В то же время, согласно действующим нормам, основным критерием качества сварных закладных изделий и монтажных соединений арматуры является их временное сопротивление разрыву ов. В то же время задачей нераз-рушающего контроля является выявление дефектов, размеры которых больше нормативных. При этом разделение дефектов на допустимые и не допустимые происходит с определенной точностью, которая характеризует достоверность метода контроля. Однако для практики, в конечном счете, важно не наличие или отсутствие дефектов определенной величины в изделии, а влияние их на работоспособность конструкции. Поэтому оценка показателей работоспособности сварного соединения арматуры по результатам УЗК представляет несомненный интерес для производственников.

Схематично взаимосвязь «сигнал-прочность» показана на рис. 48. Действительно, при ультразвуковом контроле определяют величину дефекта х=§. который оказывает влияние на прочность соединения ов.

Следовательно, опустив операцию по определению размера дефекта, можно установить непосредственную связь «сигнал-прочность«. Такая попытка в свое время была предпринята В.Я, Дулькиным для сварных стьгков

м

УЗК Оценка размера дефекта Оценка проч. соедин.

лА,дб гт/МПа

1 1 1 1 1 О. г>_^ - - ДА А 1 1 1 1

Рис. 48. Схема формирования корреляции между результатами ультразвукового контроля и прочностью соединения

арматурных стержней при определении их прочности по данным гамма-контроля. Однако, из-за малой достоверности и других особенностей данного вида эти работы развития не получили.

Выявление взаимосвязи прочностных характеристик сварных соединений закладных деталей и амплитуды ультразвукового сигнала проведено по 300-там результатам контроля и механических испытаний монтажных сварных стыков арматуры (рис. 49). Полученные графики показывают, что амплитуда сигнала оценки достоверности УЗК позволяет достаточно точно судить о прочностных свойствах соединений.

У

Рис. 49. Взаимосвязь относительной прочности стыков арматуры с показаниями ослабления от дефекта амплитуды сигнала

Таким образом, ультразвуковой контроль позволяет выявлять возможные дефекты сварных закладных деталей и монтажных стыков арматуры должен наряду с прогрессивными сварочными технологиями являться неотъемлемой принадлежностью комплексной системы производственного обеспечения качества указанных соединений. При этом данная система (рис. 50) должна охватывать все стадии создания сварных соединений от их проектирования до выхода готовой продукции. В этой системе ультразвуковой контроль является немаловажной технологической операцией. Его результаты должны учитываться как при конструировании и расчете сварных соединений, так и при их непосредственном выполнении.

г*

Проектирование сварного соединения

Технология сварки соединения

Конструирование

Производство работ

Нормо-контроль

I

Заводская

Монтажная

Расчет несущей способности

Качест-

венно

Некачественно

Несущая способность

Технологичность

Экономичность

х

Класс арматуры и марка Стали проката

Сварочные материалы

Квалификация сваршнков

Сборка под сварку

Режимы сварки

Методы контроля

Сварочное оборудование к приспособления

Некачественно

£

Рис. 50- Организационная схема обеспечения качества сварного соединения арматуры для ж/б сооружений

В тоже время механизм управления качеством базируется на действенном контроле и анализе причин появления дефектов и брака с введением соответствующих корректирующих воздействий в виде профилактических рекомендаций. Для этого в полную систему обеспечения качества сварных соединений арматуры помимо приемочного контроля должен входить нормо-контроль проектирования, предварительный и текущий контроль в производстве и строительстве (см. рис. 50), образуя совместно с приемочным (ультразвуковым) контролем прямые и обратные связи всего комплекса управления качеством сварки арматурных железобетонных сооружений транспортного строительства.

Само же управление качеством должно предусматривать широкое применение статических методов, основанных на теории вероятности и математической статистики, основными функциями которых должны являться:

- статический анализ точности и стабильности технологических процессов, включая оценку точности средств контроля;

- статическое регулирование технологических процессов с проверкой режимных и прочностных параметров выборочным контролем, что позволит своевременно обнаруживать разладку технологического процесса;

- статический выборочный, предварительный, текущий и приемочный контроль качества сварных соединений. При этом выборка и методы выборочного контроля являются краеугольным камнем системы контроля качества;

- статическая оценка качества.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Крупные аварии железобетонных сооружений, в том числе мостов, вызванные дефектами сварных соединений арматуры, обусловливают актуальность широкого применения при их выполнении прогрессивных методов сварки и оперативной диагностики качества, гарантированно обеспечивающих требуемую несущую способность при высокой производительности и минимальной трудоемкости производства. В связи с этим перспективными являются механизированная сварка тавровых соединений закладных изделий под слоем флюса с арматурными стержнями в комплексе с их ультразвуковым контролем.

2. На основе обобщения и систематизации известных современных достижений в области арматурно-сварочного производства выделен и решен ряд проблемных вопросов обеспечения качества сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры, охватывающий вопросы совершенствования сварного оборудования, технологии сварки, выявления неразрушающим ультразвуковым контролем образующихся дефектов сварки, оценки их влияния на несущую способность и надежность соединений и учета этого влияния при проектировании.

3. Несовершенство применяющегося для сварки закладных изделий оборудования требует его коренной модернизации, связанный не только с конструктивным усовершенствованием его узлов, но и с решением принципиальных вопросов осуществления самого сварочного процесса. При этом аналитическими и экспериментальными исследованиями доказано, что процесс сварки целесообразнее выполнять по более устойчивым схемам «отрыв-установление заданного дугового промежутка-выдержка-осадка», чем по ранее используемой схеме с промежуточной подачей стержня между двумя первыми операциями. Питание электрической дуги рациональнее осуществлять источниками переменного тока вместо постоянного тока.

4. Для технологического обеспечения новых схем проведения сварки выявлен ряд закономерностей взаимосвязи его режимных параметров: напряжение холостого хода, тока короткого замыкания, коэффициента расплавления стержня, времени протекания процесса, формы внешней характеристики источника питания дуги и др., обусловливающих устойчивость протекания процесса. Это позволило обоснованно разработать и реализовать в новой установке для сварки ряд конструктивных узлов, обеспечивающих ее функциональность в производственных условиях.

5. Созданная установка типа УДФ-1 для механизированной сварки тавровых закладных изделий с арматурными стержнями, внедренная на предприятиях строительной индустрии, в том числе на Подпорожском мостостроительном комбинате, позволила повысить (по сравнению с ранее применявшимися промышленными аппаратами типа АДФ-2001) производительность на 20-25% за счет уменьшения настроечных и технологических операций и уменьшить потребление электроэнергии на 5-6% за счет перехода на источник переменного тока. Применение последнего дает так же возможность сокращения примерно на 10% металлоемкости закладных изделий за счет более благоприятного тепловложения в их конструктивные элементы, что важно для нерасчетных (соединительных) закладных изделий, составляющих около 40% от числа применяемых в сооружениях.

6. Статистическим анализом качества монтажных сварных стыков арматуры установлено, что в зависимости от применяемых сварных материалов количество соединений с прочностью ниже требуемой колеблется от 7 до 40%. В связи с этим их применение должно быть дифференцировано по классам арматуры, в соответствии с предложенными в работе рекомендациями.

Статистической обработкой экспериментальных данных установлено, что дефекты в сварных закладных изделиях снижают их предел прочности до минимально допустимого нормативного значения при площадях около 15% от площади сечения арматурного стержня. При этом для закладных деталей с диаметром стержней более 28 мм недопустимая площадь внутренних лефек-

тов равна, примерно 15%, а наружных - 8-12% от расчетного сечения стержня.

Для монтажных сварных стыков арматуры минимальные нормативные значения прочности наблюдаются на площадях дефектов 20-23% в зависимости от типа стыков, соответственно сваренных в инвентарных формах и на стальной скобе-накладке или комбинированных.

7. Проведенное аппаратурное и технологическое совершенствование механизированной сварки закладных изделий и монтажных стыков арматуры к сожалению все же не исключает возможность образования дефектов, способных существенно повлиять на несущую способность указанных сварных соединений. Практика показывает, что их неудовлетворительное качество, как правило, обусловлено человеческим фактором.

8. Анализ показывает, что установленные пороговые значения могут быть приняты за базовые браковочные уровни качества не только при положительных температурах, но и использоваться с соответствующими коэффициентами для нормирования дефектов при статическом растяжении при отрицательных температурах, при малоцикловых и многократно-повторных на-гружениях. Эмпирические значения этих коэффициентов соответственно равны 0,9; 1,0; 0,5.

9. Аналитически и экспериментально установлено, что оценка качества сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры может быть достоверно осуществлена с помощью неразрушающего ультразвукового контроля. При этом для контроля закладных изделий должен применяться эхо-импульсный метод с прямым пьезопреобразователем, для монтажных стыков арматуры, сваренной в инвентарной форме - теневая с прямым, а для стыков на стальной накладке и комбинированных - зеркально-теневая с наклонным пьезопреобразователем.

10. Экспериментально установлено, что оценка качества сварных закладных изделий монтажных стыков арматуры по показаниям ультразвукового контроля стабильно осуществляется на базе установленных регрессион-

ных связей пропорциональной зависимости амплитуды ультразвукового сигнала от площади дефектов. В связи с этим, основой разработанных методик ультразвукового контроля является измерение и сопоставления амплитуд опорного, соответствующего бракованным площадям, и прошедшего через сварное соединение сигналов.

11. На основе выполненных исследований разработаны и внедрены: методика ультразвукового контроля закладных изделий с диаметром стержней 10-20 мм, позволившая заменить разрушающие испытания неразрушаюшими и специализированное механическое устройство для ультразвукового контроля, которые обеспечивают высокую производительность и достоверность контроля.

Величина амплитуды опорного сигнала для закладных изделий, сваренных под флюсом эталонируется по контрольному образцу таврового соединения с расположенным по оси стержня плоскодонным отверстием. Для изделий сваренных в раззенкованное отверстие по плоскому элементу изделия контроль осуществляется с помощью раздельно-совмещенного пьезопреоб-разователя, устанавливаемого на плоском элементе закладного изделия в специальном фиксирующем приспособлении.

12. При контроле монтажных сварных стыков исследованиями на моделях и реальных арматурных стержнях установлены закономерности влияния их периодического профиля и замкнутого сечения на ослабление амплитуды ультразвукового сигнала, показывающие, что практически вся его энергия вводится через впадины профиля, а потери оцениваются с помощью соответствующих коэффициентов, которые должны учитываться при реализуемым теневой и зеркально-теневой схемам контроля.

' 13. Изучение выявдяемости дефектов при ультразвуковом контроле монтажных сварных стыков арматуры показывает, что перемещение пьезо-электропреобразователей при нх фиксированном расположении относительно стыка арматуры в соответствии с применяемыми теневой или зеркатьно-теневой схемами контроля позволяет уверенно дифференцировать помимо

площадей дефектов их месторасположения по сечению стыка. Разработаны технология контроля и специальные механические устройства, обеспечивающие с постоянным усилием прижатия требуемую точность установки и перемещения пьезопреобразователей на арматурных стержнях.

14. Статистической обработкой результатов ультразвукового контроля и вскрытием сварных тавровых закладных изделий со стержнями и монтажных соединений арматуры установлены регрессионные взаимосвязи амплитуды ультразвукового сигнала и прочностных характеристик соединений позволяющие с 90%-ной достоверностью оценивать их пригодность к разным условиям эксплуатации железобетонных конструкций с дифференцированием: закладные детали по двухбалльной системе - «годные» и «бракованные», монтажные стыки по трехбалльной системе - «годные», «подлежащие усилению», «бракованные».

15. Разработана система обеспечения качеств сварных закладных изделий и монтажных стыков арматуры, охватывающая стадии от проектирования до приемки готовой продукции, включающая прямые и обратные связи управления качеством всего жизненного цикла создания соединения с помощью нормоконтроля проектирования, предварительного, текущего и переменного контроля в производстве.

16. Проведенный комплекс исследований показывает технико-экономическую целесообразность широкого применения при изготовлении закладных изделий и сварке монтажных стыков арматуры результаты разработанных в ЦНИИСе предложений по методикам ультразвукового контроля качества, что позволит практически существенно сократить брак в указанных соединениях и тем способствовать повышению надежности железобетонных сооружений.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Миронов Л.А., Шаферман И.М., Рассохин В.Н., Гурвич АХ, Кузьмина А.И и др. Методические указания по проведению ультразвукового контроля качества сварных соединений элементов металлоконструкций и арматуры железобетонных конструкций с учетом специфики транспортного строительства. -М.,ЦНИИС., 1990, 199 с.

2. Установка для сварки под флюсом закладных изделий (УДФ-1). При-стендовый листок.. -М.: ЦНИИС, 1991, 2 с.

3. Миронов Л.А., Коновалов Л.И., Чайков В.Г. Для сварки под флюсом закладных изделий. Транспортное строительство. -М., 1992. №4,40-42 с.

4. Миронов Л.А., Звягинцев А.Н. Обоснование необходимости непосредственного учета параметров колебаний пролетных строений автодорожных мостов. «Динамические испытания строительных материалов, конструкций и сооружений». -М., ЦНИИС, 2000, 67-77 с.

5. Чанкин В.В., Миронов Л.А., Михайлов Г.А., Морозова Т.С. и др. Способ оценки качественного резерва картерного масла в двигателе внутреннего сгорания. Авторское свидетельство № 1460364 от 22.10.1988

6. Бондарович Б.А., Звягинцев А.Н., Миронов Л.А. Учет параметров колебаний пролетных строений автодорожных мостов. Транспортное строительство. - М., 2001, № 2, 12-15 с.

7. Гадаев Н.Р., Резепов В.Д., Антоневич В.В., Игнатьев Е.Г., Миронов Л.А. и др. Сварка металлоконструкций и арматуры железобетона при выполнении монтажных работ. М., ЦНИИС, 2004,212 с.

8. Миронов Л.А., Воробьев В.Я., Шаферман И.М., Гурова Г.Г. Организация и технология контроля качества сварных соединений арматуры железобетонных конструкций. Труды ЦНИИС. Выл. 239. - М„ ЦНИИС. 2007. И-106 с.

9. Миронов Л.А. Обеспечение качества сварных закладных изделий и монтажные соединения арматуры железобетонных сооружений транспортного строительства. - М., Моспринт-Ц, 2007, 270 с.

10. Миронов Л.А. Методы обеспечения качества тавровых сварных соединений закладных изделий железобетонных сооружений транспортного строительства. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. Моспринт-Ц, 40 с.

Подписано в печать 08.11.2007 Формат 60x84 1/16 Объем 4 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 15. Бесплатно

Отпечатано в типографии Моспринт-Ц