Сварка металлов

Сваркой называют процесс получения неразъемных соединений металлических изделий с применением мест­ного нагрева. Металлические части в местах соединения нагреваются до плавления или до пластического состоя­ния. Сваркой достигается резкое снижение трудоемкости и ускорение процесса производства работ при изготовлении конструкций. В настоящее время в нашей стране до 90% металлоконструкций изготовляются сварными.

Свариваемость металлов неодинакова и зависит от их физических свойств, методов и режимов, применяемых при сварке. В результате разогрева вблизи зоны сварки образует­ся зона термического влияния, в которой меняется струк­тура металла. Размеры зоны термического влияния за­висят от вида сварки, качества электродов; при газовой сварке она может достигать 20-25 мм, а при электроду­говой 2-8мм. В зависимости от вида энергии, используемой для наг­рева металла, различают химическую (газовую, термит­ную) и электрическую (дуговую, контактную) сварки. Металл при сварке может доводиться до жидкого или пластического состояния. В зависимости от способа по­дачи присадочного металла и флюсов к месту сварки различают ручной, полуавтоматический и автоматичес­кий способы сварки.

Наиболее распространены электродуговая сварка плавлением с применением металлического электрода и электроконтактная сварка. Газовую сварку применяют для сварки чугуна, цветных металлов и стальных дета­лей малой толщины.

Электродуговая сварка основана на использовании теплоты от электрической дуги, возникающей между дву­мя проводниками (электродами) при пропускании элек­трического тока. При применении переменного тока рас­ход энергии меньше, чем при постоянном, оборудование проще и дешевле.

При электродуговой сварке одним полюсом, как пра­вило, является свариваемая деталь, а другим - уголь­ный или металлический электрод. В случае применения угольного электрода необхо­дим присадочный металл, для чего расплавляют специ­альный пруток, а при металлическом электроде расплавляется электрод.

В случае необходимости сварки металла толщиной 100-120 мм и более за один проход используют электро­шлаковую сварку. Такая сварка происходит за счет теп­лоты, выделяющейся при прохождении электрического тока через расплавленный флюс (шлак), нагретый до температуры, превышающей температуру плавления сва­риваемого металла.

Электроконтактная сварка основана на нагревании места сварки электрическим током высокой плотности (десятки и сотни тысяч ампер) с одновременным сдав­ливанием деталей для облегчения взаимного проникно­вения атомов свариваемых металлов. Преимуществом электроконтактной сварки перед другими видами сварки является возможность полной механизации и автомати­зации. Высокая плотность тока и незначительное напря­жение (0,5-10 В) создают в месте контакта быстрый нагрев до плавления.

Стыковая контактная сварка обеспечивает соедине­ние отдельных металлических частей деталей по всей по­верхности соприкосновения. Качество стыковой контакт­ной сварки определяется выбором правильного режима, электрической мощностью (5-15 кВт на 1 см²), дли­тельностью сварки (4-40 с при стальных стержнях диа­метром 6-50 мм), скоростью оплавления, давлением осадки.

Точечная сварка - самый распространенный вид элек­троконтактной сварки. Она применяется при соединении деталей в отдельных местах в виде небольших площа­док (точек). Необходимая для разогревания теплота соз­дается электрическим током, подводимым медными элек­тродами, между которыми помещается и зажимается сва­риваемая деталь.

Шовная (роликовая) сварка позволяет делать сое­динение листового металла непрерывным швом. При шов­ной сварке применяются электроды в виде роликов (диа­метр 40-350мм, ширина обода 4-6 мм), Этот вид сварки по типу применяемых машин и по приемам не отли­чается от точечной. Режим шовной сварки определяется шагом образующих шов точек (1,4-4,5 мм), усилием, приложенным к роликам, диаметром роликов, силой сва­рочного тока, скоростью сварки.

40. Газовая сварка основана на получении необходимой теплоты для расплавления свариваемых деталей за счет химической реакции горения газов (ацетилена, водорода, бутана, природного газа, паров бензина, керосина и т. п.). Наиболее широко в практике применяют газ ацетилен. Ацетилен к месту сварки доставляют в балло­нах под давлением, которое снижается до рабочего давления редуктором. Ацетилен может быть получен и на месте потребления в специальных генера­торах путем воздействия воды на карбид кальция. При соотношении кислорода к ацетилену 1,1: 1,2 достигается температура горения 3100 °С. Изменение соотношения кислорода и ацетилена приводит к нарушению нормаль­ного горения: при избытке кислорода пламя становится окислительным, а при избытке ацетилена сварочное пла­мя насыщается раскаленными частичками углерода и температура резко снижается.

При газовой сварке для создания сварочного шва вводят присадочные прутки. Такие прутки должны иметь химический состав, близкий к составу свариваемого ме­талла. Для повышения производительности сварки и улучшения качества шва применяют многопламенные го­релки с несколькими мундштуками.

Для соединения трубопроводов, рельсов, инструмента и т. д. применяют газопрессовую сварку, при которой де­тали нагревают многопламенными горелками до перехо­да металла в пластичное состояние или до оплавления, а затем сваривают при сильном обжатии деталей.

41. Полимеры представляют собой высокомолекулярные соеди­нения (смолы), молекулы которых состоят из многократно повто­ряющихся структурных звеньев. По происхождению полимеры подразделяют на природные и искусственные (синтетические).

Природные полимеры - древесина, натуральный шелк, шер­сть, каучук, битум и др. Природными полимерами являются бел­ки, нуклеиновые кислоты и некоторые другие соединения.

Искусственные полимеры, применяемые в производстве стро­ительных материалов, получают из различных видов сырья (ка­менный уголь, нефтепродукты, природный газ и др.) путем его переработки на химических предприятиях методами полимери­зации или поликонденсации.

При реакции полимеризации большое количество одинако­вых молекул простых соединений (мономеров) соединяется в одну сложную молекулу (полимер) без выделения побочных про­дуктов. Полимеризацией получают полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен и другие синтетические полимеры.

На основе искусственных и природных высокомолекуляр­ных соединений - полимеров - приготовляют пластические массы, характерной особенностью которых является способность в процессе переработки принимать заданную форму и устойчи­во сохранять ее.

Пластическими массами называют материалы, в состав ко­торых входят полимеры - органические вещества с высокой молекулярной массой. Эти вещества придают пластическим мас­сам на определенной стадии их переработки пластичность, т. е. способность принимать требуемую форму и сохранять ее после снятия давления. В производстве пластических масс используют наполнители порошкообразные (кварцевую муку и др.), волокнистые (асбес­товые, древесные и стеклянные волокна) и слоистые (бумагу, хлопчатую ткань, стеклоткань, древесный шпон и др.). Они при­дают пластмассам высокую прочность, теплостойкость, кислотостойкость, долговечность, повышенную ударную вязкость и др.

Пластификаторы применяют для придания пластичности и улучшения формовочных свойств пластмасс. Отвердители вводят для сокращения времени отвердения пластмасс и ускорения технологического процесса производства изделий.

Красители придают пластмассам определенные цвета. Стабилизаторы тормозят старение пластмасс, повышают долговечность пластмассовых изделий.

Смазывающими веществами являются химические добавки, кото­рые вводят в пластмассы для предупреждения прилипания изде­лий к стенкам формы в процессе их формования.

В составе пластмасс могут быть специальные добавки, влияющие на их свойства.

Основные свойства пластмасс

Пластические массы обладают рядом физико-механических свойств, которые дают им значительные преимущества перед наиболее распространенными строительными материалами (Истинная плотность, Прочность, Теплопроводность)

Пласт­массы обладают высокой химической стойкостью по отноше­нию к воде, кислотам, растворам солей, органическим раство­рителям. Ценным свойством пластмасс является легкость их технологи­ческой переработки - возможность придания им разнообраз­ной формы. Пластмассам присущи и некоторые недостатки, ограничива­ющие область их применения. Основной недостаток многих пласт­масс - низкая теплостойкость (70…200 °С).

Виды полимерных материалов

Конструкционные материалы. Вкачестве конструкционных материалов применяют, главным образом, следующие армиро­ванные пластмассы: стеклопластики, древеснослоистые пластики, сотопласты, а также органическое стекло, винипласт листовой.

Отделочные материалы - наиболее обширная группа поли­мерных материалов: листовых, плиточных, рулонных, профиль­но-погонажных и др.

Полимерные материалы для пола. Гигиеничны и технологичны, затраты времени и труда на устройство покрытия пола из полимерных материалов значительно (в 5…10 раз) ниже, чем из традиционных материалов (паркет, доски). Широко применяется линолеум, релин и мастичные бесшовные покрытия.

Полимерные бетоны - полимерцементные бетоны, бетонополимеры и полимербетоны.

Полимерцементные бетоны получают, добавляя полимер непосредственно в бетонную или растворную смесь. Бетонополимер представляет собой бетон, пропитанный после затвердения мономерами или жидкими олигомерами, которые после соответствующей обработки переходят в твердые полимеры, заполняющие поры бетона. Бетонополимеры практически водоне­проницаемы. Полимербетон - разновидность бетона, в котором вместо минерального вяжущего использованы термореактивные поли­меры.

42. Геосинтетическими материалами (геосинтетиками) принято называть полимерные материалы, применяемых в строительстве при совместном использовании их с грунтами.

Геосинтетики, применяемые в строительной практике, условно можно разделить на две группы: водопроницаемые и водонепроницаемые. Первая группа представлена широким ассортиментом тканых и нетканых геотекстилей, вязаными материалами, геосетками и георешетками. В качестве водонепроницаемых геосинтетиков используются геомембраны в виде рулонных или жестких полимерных материалов.

В зависимости от необходимости решения комплексных задач на основе различных видов геосинтетиков производят композитные материалы, которые могут быть как проницаемые, так и непроницаемые водной средой.

Хранят и транспортируют гибкие геосинтетические материалы обычно свёрнутыми в рулоны, поэтому их также называют рулонными материалами.

Благодаря большому разнообразию видов и характеристик геосинтетики находят широкое применение в различных областях строительства, позволяя экономично и рационально решать комплексные задачи, возникающие при возведении гидротехнических сооружений, экологических объектов, транспортных систем и т. п.

В круг этих задач входит: армирование оснований, насыпей, обратных засыпок, дорог и площадок; создание в грунте сепарирующих (разделяющих) прослоек; крепление и защита откосов; создание фильтров и дренажных систем; гидроизоляция искусственных водоёмов, плотин и т. п.

Геотекстили представляют собой полотна из тканых, нетканых или вязанных материалов, изготавливаемые переплетением нитей из полипропилена, полиэстера, полиамида и других полимерных материалов. Нити в полотне материала могут быть связаны между собой термическим путём, плетением и другими способами.

Геосетки и георешетки – материалы в виде гибких сеток или более жестких решеток, изготовленных из высокомодульных волокон полиэстера или других полимерных материалов, обладающие большим начальным модулем упругости.

Полимерные геомембраны – гибкие или жесткие сплошные водонепроницаемые полотна, изготавливаемые из полимерных материалов. Полимерные геомембраны применяются при возведении резервуаров, искусственных водоёмов, свалок бытовых и промышленных отходов, дамб, плотин, перемычек, туннелей и других сооружений, где требуется создание надёжной гидроизоляции.

Геомембраны в виде бентонитовых матов – композиционный материал типа «сэндвич», состоящий из двух полотен геотекстиля и бентонитовой прослойки между ними. Полотна геотекстиля сшиты между собой и надёжно защищают бентонит от вымывания.

43. Древесиной называют освобожденную от коры ткань волокон, которая содержится в стволе дерева. Ствол дерева состоит из клеток, имеющих разное назначение в растущем дереве, разную форму и величину. Макроструктуру ствола (видимую невооруженным глазом или через лупу) можно рассмотреть на трех основных разрезах. На торцевом срезе видна кора, камбий и древесина. Кора состоит из наружной кожицы, пробкового слоя под ней и внутреннего слоя - луба. Под слоем луба у растущего дерева находится тонкий камбиальный слой, состоящий из живых клеток, размножающихся делением. Древесина состоит из вытянутых веретенообразных клеток - ячеек, стенки которых состоят в основном из целлюлозы. Эти пустотелые ячейки образуют волокна, воспринимаю­щие механические нагрузки.

Целлюлоза является природным линейным полимером, нитевидные цепи которого жестко связаны (сшиты) гидроксильными связями. Это объясняет отсутствие у древесины области высокоэластичного состояния, возникающего при нагревании многих линейных полимеров.

На поперечном разрезе ствола дерева можно выделить сердце­вину, ядро и заболонь.

Сердцевина - рыхлая первичная ткань, которая состоит из тонкостен­ных клеток, имеет малую прочность и легко загнивает.

Ядро, или спелая древесина - внутренняя часть ство­ла дерева, состоящая из омертвевших клеток. Ядро вы­деляется темным цветом, так как стенки клеток древесины ядра постепенно изменяют свой состав: у хвойных пород они пропитываются смолой, а у лиственных - ду­бильными веществами.

Заболонь состоит из колец более молодой древесины, окружающих ядро (или спелую древесину). По живым клеткам заболони растущего дерева перемещается влага с растворенными в ней питательными веществами.

Древесные породы, применяемые в строительстве

Древесные породы по ряду биологических признаков принято разделять на хвойные и лиственные. Такое же деление принято и при использовании древесины в строительстве. Хвойные породы: Сосна - наиболее распространенная хвойная порода. Древесина сосны светло-золотистого цвета; она характеризуется высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами и хорошо поддается обработке. Из сосны изготовляют несущие деревянные конструкции, различные столярные изделия, фанеру и др.

Ель - распространенная хвойная порода, древесина которой отличается малой смолистостью при относительно высоких прочностных показателях. Однако при использовании в сырых местах быстро загнивает. Из ели изготавливают конструкции, эксплуатируемые в сухих условиях.

Кедр имеет легкую прочную и хорошо обрабатывающуюся древесину. Его применяют в столярном и мебельном производстве.

Лиственные породы: Дуб обладает тяжелой, плотной, твердой и очень прочной древесиной желтоватого цвета с красивой текстурой; она хорошо сохраняется как на воздухе, так и под водой. Из дуба делают высококачественный паркет, фанеру, мебель.

Ясень имеет тяжелую, твердую и прочную древесину, по виду и строению напоминающую древесину дуба, но более светлой окраски.

Бук имеет плотную и прочную древесину белого цвета с красноватым оттенком. Бук применяют для изготовления паркета, фанеры, ысококачественных столярных изделий и мебели.

Береза - самая распространенная в наших лесах лиственная порода. Древесина ее твердая и прочная, но недолговечная в условиях попеременного увлажнения и высушивания. Это основное сырье для изготовления фанеры, столярных изделий и мебели.

Осина имеет мягкую и легкую древесину белого цвета с зеленоватым оттенком; во влажном состоянии она быстро загнивает. Осина легко раскалывается вдоль волокон, поэтому применяется для изготовления фанеры, кровельных материалов (щепы, гонта, лемеха) и тары.

44. Основные свойства древесины

Физические свойства древесины

Плотность древесины разных по­род и даже древесины одной и той же породы колеблет­ся в весьма широких пределах, поскольку строение и по­ристость растущего дерева зависят от почвы, климата и других природных условий. С увеличением влажности плотность древесины возрастает. Свежесрубленная дре­весина значительно тяжелее древесины воздушно-сухой, имеющей влажность 15 %.

Влажность выражают обычно в % по отношению к массе сухой древесины. В древесине различают гигроско­пическую влагу, связанную в стенках клеток, и капиллярную влагу, которая свободно заполняет полости кле­ток и межклеточное пространство.

Предел гигроскопической влажности (в среднем он составляет около 30 %) соответствует полному насыще­нию стенок клеток древесины водой. Полная влажность древесины (считая гигроскопическую и капиллярную влагу) может значительно превышать 30%. При длительном нахождении влажной древесины на воздухе она постепен­но высыхает и достигает равновесной влажности.

Колебания влаж­ности волокон древесины влекут за собой изменение раз­меров и формы досок, брусьев и других изделий из дре­весины. При увлажнении сухой древесины до достиже­ния предела гигроскопичности стенки древесных кле­ток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Свободная влага, заполняющая полости клеток, на размерах древесины не отражается. Усушка древеси­ны происходит за счет удаления связанной влаги из сте­нок клеток, т. е. если влажность древесины становится меньше предела гигроскопичности, то усушка достигает максимального значения при полном удалении влаги, со­держащейся в клеточных стенках.

Усушка и разбухание древесины вызывают коробле­ние и растрескивание лесных материалов.

Коробление деревянных изделий является следствием разницы в усушке древесины в тангенциаль­ном и радиальном направлениях и неравномерности вы­сыхания. Неравномерность усушки и коробление вызывают появление внутренних напряжений в древесине и рас­трескивание пиломатериалов и бревен. Широкие доски коробятся больше, чем узкие, поэтому для настилки пола и столярных изделий применяют доски шириной 10…12 см.

Теплопроводность сухой древесины незначительна: сосны поперек волокон - 0,17 Вт/(м °С); вдоль воло­кон 0,34 Вт/(м °С). Теплопроводность древесины зави­сит от ее пористости, влажности и направления потока теплоты. Теплозащитные свойства древесины широко ис­пользуются в строительстве.

Механические свойства древесины

Прочность древесины определяют путем испытания малых чистых (без видимых пороков) образцов древеси­ны. Минимальное количество образцов для проведения испытания вычисляют по формулам в зависимости от ко­эффициента вариации изучаемого свойства.

Прочность древесины характеризуется пределами ее прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, скалывании. Кроме того, могут определяться условный предел прочности при местном смятии и предел прочно­сти при перерезании поперек волокон.

Прочность на сжатие определяют путем испытания образцов, имеющих форму параллелепипеда с основани­ем 20x20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм. Определяют пределы прочности древесины вдоль и поперек волокон. Прочность древесины на сжа­тие вдоль волокон в 4…6 раз больше ее прочности попе­рек волокон. Например, предел прочности при сжатии образцов воздушно-сухой сосны вдоль волокон около 100 МПа, а поперек волокон - 20…25 МПа.

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии.

Прочность при статическом изгибе древесины очень высокая: она примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль волокон и составляет около 70 % проч­ности при растяжении, поэтому древесина (балки, на­стилы и т. п.) чаще всего работает на изгиб. К тому же дерево стойко к концентрации напряжений ввиду наличия внутренних поверхностей раздела между волокнами.

Модуль упругости воздушно-сухой сосны и ели 10000…15000 МПа и он возрастает с увеличением плот­ности древесины, а увлажнение его снижает. Известно, что гнуть сырую древесину легче, чем сухую. Значитель­но облегчает гнутьё древесины пропаривание - это удоб­ный способ нагрева древесины без ее высушивания.

Особенностью древесины является ползучесть, кото­рая ярче всего проявляется во влажных условиях. Как следствие ползучести - постепенное увеличение дефор­маций (прогибов, балок, провисание тесовых крыш и т. п.) при длительном действии нагрузки.

При многократных нагружениях наблюдается усталость древесины. Предел выносливости при изгибе равен в среднем 0,2 от статического предела прочности.