Стальные балки с продуманными профилями давно используются в строительстве благодаря своей особой геометрии, которая придаёт им уникальные механические свойства. Сегодня разнообразие методов резки и соединения позволяет изготавливать всё более сложные стальные профили для расширяющегося спектра задач.

В этой статье кратко рассмотрены основные методы резки и сварки, применяемые при производстве индивидуальных стальных профилей.

Строительные применения

В конце XIX века инженер Бенджамин Бейкер принял смелое решение: построить самый длинный в мире одноконсольный мост из стали. Ранее сталь не применялась в таких масштабах, но Бейкер понимал, что её пластичность и прочность делают этот материал идеальным для несущих конструкций.

Мост Форт по сей день считается инженерным чудом. В своё время он стал убедительным доказательством потенциала стали. С тех пор роль стали в современной строительной индустрии трудно переоценить. Строительная сталь — неотъемлемая часть инструментария инженера; без неё облик современных городов был бы куда скромнее и ниже.

Сталь сегодня — один из самых часто используемых инженерных материалов благодаря своей универсальности.1 Гибкость в легировании и производстве позволяет использовать сталь в широчайшем спектре применений.

Производство стали начинается на химическом уровне, где различные легирующие элементы в малых количествах придают материалу необходимые свойства. Углерод определяет назначение стали, влияя на её прочность и пластичность.

Коррозионную стойкость обеспечивают такие элементы, как медь, хром и никель, что делает сплавы пригодными для строительства мостов и других объектов.2 Увеличение массовой доли хрома до 10,5% позволяет получить нержавеющую сталь, которая благодаря своей устойчивости к коррозии широко используется в медицине и лабораторном оборудовании.

Свойства стали зависят и от её формы. Пример тому — распространённая балка двутаврового сечения: наиболее экономичный вариант для стандартных строительных задач, способный эффективно воспринимать изгибающие и сдвиговые нагрузки в одном направлении.

Такие и другие профили легко изготавливаются методом прокатки из цельного куска металла. Однако, если прокатные профили подходят для большинства задач, то гораздо более широкий спектр свойств достижим при изготовлении индивидуальных профилей с помощью резки и сварки.

Различные методы резки стальных профилей

Существует множество способов резки стали:

Газокислородная резка — простой и эффективный способ, применяемый более века для резки углеродистых и низколегированных сталей.4 Смесь кислорода с пропаном или ацетиленом сжигается, создавая горячее пламя, способное прорезать сталь от листов толщиной 6 мм до массивных заготовок.

Газокислородная резка обеспечивает чистый и точный срез, однако для некоторых задач требуется дополнительная механическая обработка из-за появления зоны термического влияния (ЗТВ) возле кромок реза. Это затрудняет работу с очень тонкими материалами, для которых существуют более точные методы.

Плазменная резка появилась в 1950-х как альтернатива газовой — она подходит для высоколегированных сталей, например, нержавеющей. В этом процессе используется плазменная дуга (ионизированный газ), которая нагревает металл.

Сконцентрированная струя плазмы обладает высокой тепловой и кинетической энергией, расплавляя сталь и выдувая металл из реза. Плазменная резка отличается высокой скоростью, точностью (допуск около 0,5 мм) и универсальностью — она подходит для всех металлов.

Самый точный способ резки стали — лазерная резка, при которой тепло подаётся строго локально. В зависимости от типа стали, тепло может инициировать процесс горения с кислородом (как при газовой резке), полностью испаряющий металл, либо просто расплавлять его, после чего расплав выдувается струёй азота под давлением.

Хотя лазер не подходит для резки отражающих металлов, он позволяет значительно уменьшить зону термического влияния и добиться очень высокой точности — обычно в пределах 0,1–0,8 мм в зависимости от толщины листа.

Наиболее универсальным методом является гидроабразивная резка. Струя воды под высоким давлением с добавлением абразива разрезает сталь без термического воздействия на материал, обеспечивая точность до 0,5 мм.

Гидроабразивная резка — исключительно гибкий и точный метод для любых материалов, однако его стоимость сравнительно высока.

Сварка стальных профилей

Стальные профили после резки обычно соединяют сваркой. С момента изобретения дуговой сварки в конце XIX века разработано множество сварочных процессов для разных задач; большинство из них используют электрическую дугу для плавления основного металла и обеспечения прочного соединения.

В последние годы появились усовершенствованные “лучевые” методы сварки — электронно-лучевая и лазерная сварка, которые обеспечивают значительно большую скорость и точность по сравнению с дуговыми технологиями. Прочность и низкая деформация лазерных швов делают этот метод актуальным для высокотехнологичных проектов, например, Международного термоядерного экспериментального реактора во Франции.9 Однако высокая стоимость оборудования ограничивает массовое применение этих технологий.