Сварочное производство. Сварка плавлением

 

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений в результате возникновения атомно-молекулярных связей между соединяемыми деталями при их нагреве и пластическом деформировании.

Сварные соединения можно получать двумя принципиально разными путями: сваркой плавлением и сваркой давлением.

При сварке плавлением атомно-молекулярные связи между деталями создают, оплавляя их примыкающие кромки, так, чтобы получилась смачивающая их, общая ванна. Эта ванна затвердевает при охлаждении и соединяет детали в одно целое. Как правило, в жидкую ванну вводят дополнительный металл, чтобы полностью заполнить зазор между деталями, но возможна сварка и без него.

При сварке давлением обязательным является совместная пластическая деформация деталей сжатием зоны соединения. Этим обеспечивается очистка свариваемых поверхностей от пленок загрязнений, изменение их рельефа и образование атомно-молекулярных связей. Пластической деформации обычно предшествует нагрев, так как с ростом температуры уменьшается значение деформации, необходимой для сварки и повышается пластичность металла.

Нагрев свариваемых деталей осуществляется разными способами: электрической дугой, газокислородным пламенем, пропусканием тока, лазером и т.д. По-разному обеспечиваются защита зоны сварки от воздействия воздуха и ее принудительная деформация.

Существует множество технологических процессов сварки (более 70).

Сварка является наиболее важным способом получения неразъемных соединений из различных материалов, свариваются металлы и сплавы, керамика, стекло, пластмассы, разнородные материалы. Сварка применяется во всех областях техники.

Дуговая сварка

 

Источником теплоты является электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой.

Сварочной дугой называется мощный электрический разряд между электродами, находящимися в среде ионизированных газов и паров.

В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие разновидности дуговой сварки (рис.):

• сварка неплавящимся (графитовым или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис..а), при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла 3, либо с применением присадочного металла 4;
• сварка плавящимся электродом (металлическим) 1 дугой прямого действия с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом (рис.б);
• сварка косвенной дугой 5, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами, при этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги (рис. в);
• сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между каждым электродом и основным металлом (рис. г).

 

Схемы дуговой сварки

 

Разновидности дуговой сварки различают по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.

Ручная сварка позволяет выполнять швы в любых пространственных положениях: нижнем, вертикальном, горизонтальном, вертикальном, потолочном. Ручная сварка удобна при выполнении коротких криволинейных швов в любых пространственных положениях, при выполнении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы.

Оборудование для ручной сварки: источник питания дуги, электрододержатель, гибкие провода, защитная маска или щиток.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом.

Для сварки используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха.

Схема автоматической дуговой сварки под флюсом представлена на рис.

 

Рис. Схема автоматической дуговой сварки под флюсом

 

Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва. Дуга 10 горит между проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса 5 толщиной 30…50 мм. Часть флюса плавится и образуется жидкий шлак 4, защищающий жидкий металл от воздуха. Качество защиты лучше, чем при ручной дуговой сварке. По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 7, покрытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу с помощью механизма подачи 2. Ток к электроду подводят через токопровод 1.

Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла.

Преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной: повышение производительности процесса сварки в 5…20 раз, повышение качества сварных соединений и уменьшение себестоимости 1 м сварного шва.

Дуговая сварка в защитных газах.

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа (инертного – аргон, гелий; активного – углекислый газ, азот, водород).

Сварку в инертных газах можно выполнять неплавящимся и плавящимся электродами.

В качестве неплавящегося электрода применяется пруток вольфрама, а в качестве плавящегося – проволока из основного металла или близкого ему по химическому составу. Область применения аргонодуговой сварки охватывает широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов). Аргонодуговую сварку применяют для легированных и высоколегированных сталей, цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов.

Сварка в углекислом газе выполняется только плавящимся электродом. Защита сварочной ванны осуществляется углекислым газом. Углекислый газ химически активен по отношению к жидкому металлу. При нагреве он диссоциирует на оксид углерода и кислород, который окисляет железо и легирующие элементы. Окисляющее действие кислорода нейтрализуется введением в проволоку дополнительного количества раскислителей. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца. Хорошее качество сварного шва получается при использовании специальной порошковой проволоки.

Обычно свариваются конструкции из углеродистых и низколегированных сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т.п.). При сварке меди, алюминия, титана и редких металлов невозможно связать свободный кислород введением раскислителей.

Преимуществами данного способа являются низкая стоимость углекислого газа и высокая производительность.

Основной недостаток – разбрызгивание металла (на зачистку расходуется 30…40% времени сварки).

Сборочно-сварочная оснастка

Сборочные сопряжения. Сущность процесса сборки корпусных конструкций заключается в том, чтобы взаимной подгонкой кромок или поверхностей собираемых элементов обеспечить их сопряжение и предварительно скрепить их для окончательного соединения сваркой. При сборке сложных корпусных конструкций, например при стыковании секций на стапеле, необходимо одновременно получить ряд сборочных сопряжений (рис.).

Рис. Простые сборочные сопряжения под сварку:
а — линейные, б — поверхностные; I — прямолинейные, II — криволинейные. III — плоские, IV — пространственные; 1 — стыковое, 2 — угловое, 3 — тавровое, 4 — наклонное тавровое, 5 — накладное, 6 — прилегающее, 7 — соприкасающееся

Виды оснастки. Для обеспечения требуемых габаритных размеров и формы собираемых корпусных конструкций, а также для механизации выполняемых работ применяют различную сборочно-сварочную оснастку. Так называют совокупность устройств, механизмов, приспособлений и специального инструмента, необходимых для осуществления запроектированного технологического процесса сборки и сварки узлов и секций корпуса. По конструктивному оформлению и характеру использования различают универсальную и специальную сборочно-сварочную оснастку. Универсальная оснастка является переналаживаемой, что позволяет изготовлять однотипные конструкции, отличающиеся друг от друга габаритными размерами и формой. Ее преимущественно применяют в единичном и мелкосерийном производстве и используют для изготовления целой группы однотипных конструкций независимо от типов строящихся на заводе судов. К универсальной оснастке относят, например, электромагнитные сварочные стенды с передвижными флюсовыми балками, сборочные постели с выдвижными стойками, переносные леса и т. п.

Специальная оснастка, как правило, предназначена для изготовления определенных конструкций. Ее нельзя использовать в дальнейшем без соответствующей переделки (например, постоянные постели с неразъемными лекалами листовой конструкции).

К механизированной сборочно-сварочной оснастке относят балки с пневмоприжимами, поворотные постели с электроприводом и т. п. Сборку и сварку корпусных конструкций выполняют при широком использовании универсальной или специализированной оснастки в зависимости от типов судов, технологии их постройки и серийности. Использование передовых методов производства требует постепенного совершенствования технологической оснастки и приспособлений, улучшения условий труда рабочих, повышения производительности и качества продукции.

Сварочная оснастка – общие требования и порядок проектирования

Для объемных сварочных работ существует значительное многообразие вспомогательной оснастки. При этом тип сварочной оснастки зависит от конструкции свариваемого узла, характера производства и способа самого термического процесса. Если современные сварочные полуавтоматы предполагают серийность и повторяемость процессов, то аппараты для ручной дуговой сварки могут применяться для штучных соединений различных изделий. Грамотный выбор и разумное конструктивное исполнение сварочной оснастки не только существенно повышает механизацию (а значит – и производительность) работ, но и позволяет снизить операционные издержки, порой весьма значительно.

Нельзя утверждать, что оснастка определяет, какое именно следует купить сварочное оборудование – Сварог, Эсаб, EWM т.д. – но ее разработка и внедрение являются немаловажным фактором сварочной деятельности, в первую очередь производственного направления.

 

Общие требования к сборочно-сварочной оснастке

1. Точное пространственное размещение свариваемых деталей, в том числе для многокомпонентных узлов, исключение ручной подгонки.

2. Легкий доступ ко всем местам для прихваток, зачисток и основных сварочных швов

3. Сборка в соответствии с допусками, заложенными в конструкторской документации (чертежах, технических заданиях)

4. Соблюдение требуемых межкромочных размеров соединяемых изделий

5. Оптимальный порядок сборки, высокая производительность и обеспечение достойного качества накладываемых швов.

6. Обязательная безопасность использования, в том числе при возникновении внештатных ситуаций – разборка узла, выход из строя фиксирующих приспособлений и т.п.

В практике объемных и однотипных работ большое распространение получили силовые зажимные устройства. Они могут быть гидравлическими, пневматическими либо механическими (винтовыми). Ввиду важности предупреждения самопроизвольного освобождения детали при сварке в кинематическую схему пневматических и гидравлических оснасток встраивают звенья с самоторможением. При использовании зажимов-эксцентриков их следует особо обезопасить от попадания брызг расплавленного металла. Хотя современные сварочные полуавтоматы и отличаются незначительным разбрызгиванием электродного и основного материала, даже несколько капель достаточно для вывода из строя эксцентриковых зажимов.

 

Дополнительные требования к сборочно-сварочной оснастке

 

· Возможность инвариантности сварки – то есть работа и в нижнем, и в вертикальном положении, под различными углами наклона.

· Высокая скорость отвода тепла, в особенности при узконаправленной интенсивной сварке, для которой можно купить сварочное оборудование Сварог или другие бюджетные инверторы – и получить качественные аппараты за сравнительно небольшие средства.

· Защита базовых свариваемых поверхностей и элементов самой оснастки от попадания и прилипания брызг расплавленного металла.

· Минимальные температурные деформации в соединяемом узле.

· Жесткость и прочность конструкции, ее долговечность.

· Фиксаторы, упоры и шаблоны сварочной оснастки не должны заклинивать при съеме готовых изделий

При инженерных расчетах важно учитывать термическое расширение материалов при высокотемпературном нагреве. В качественно разработанной оснастке надежная фиксация сочетается с возможностью смещения свариваемых изделий. Абсолютно жесткое закрепление способствует усилению усадочных и температурных напряжений. А это вызывает растрескивание, коробление и/или деформацию в сварочной сборке.

При промышленных сварочных работах порядок разработки оснастки обязан соответствовать техническому заданию, которое включает в себя:

1. Уточненные и опробованные на практике чертежи соединяемых узлов, с указанием подробностей их сборки и сварки.

2. Принцип работы приспособления – подъемное, стационарное, поворотное, подъемно-поворотное или смешанного типа.

3. Расположение зажимных и фиксирующих элементов – их вид, конструкцию, диапазон развиваемых усилий и другие подробности.

4. Схемы подводки электрических, гидравлических, пневматических и газовых коммуникаций, наличие вентиляции, указание на рабочие давления в гидравлических системах, пневматических и электрических сетях.

5. Предполагаемые режимы работы, периодичность технического обслуживания, показатели сменности заменяемых частей.

6. Способы загрузки/съема свариваемых изделий и другие данные об интеграции разрабатываемой сварочной оснастки с технологическими процессами на производстве.

Типичной последовательностью действий при проектировании вспомогательной оснастки, без которой современные сварочные полуавтоматы, автоматизированные и роботизированные сварочные комплексы гораздо менее функциональны и производительны, включает в себя:

· Пространственное моделирование самого узла – в сборке деталей и по отдельности каждую.

· Создание базовой схемы приспособления – с указанием опорных, габаритных и установочных размеров.

· Выполнение чертежей собственно оснастки – со всеми вспомогательными и зажимными элементами, с контрольными и габаритными размерами, требованиями к точности размеров.

· Встраивание проекта в технологическую цепочку предприятия – в первую очередь, его увязка с межоперационной транспортировкой сваренных изделий.

Необходимо рассчитать зажимные/фиксирующие силы в зависимости от термической деформации при работе, параметры силовых кабелей электропитания и других элементов инфраструктуры. Например, при единовременной сварке поворотных стыков работа сварочных головок должна начинаться одновременно, в электрическую схему встраивается блок синхронизации возбуждения сварочного разряда. Электроника прекращает работу всего комплекса при случайном гашении дуги хотя бы на одной из установок.

Разумеется, если купить сварочное оборудование (Сварог, Брима или любой другой стандартный инвертор) потребовалось только для бытовых работ «по даче и гаражу», то проектирование и изготовление сварочной оснастки может заключаться всего-то в сварке нескольких угольников из обыкновенной арматуры. А зачастую подварить стальной лист к воротам или петлю к железной калитке можно и вовсе без вспомогательных средств. Но для средних предприятий актуальность эффективность применения сварочных аппаратов оборудования может значительно вырасти благодаря такому дополнительному оборудованию рабочих мест. На крупном производстве разработкой и внедрением оснастки занимаются целые подразделения – инструментальные цеха, конструкторские бюро и т.д. Производство же среднего уровня тоже можно значительно улучшить, причем без больших капитальных вложений.

Стандартизированная технологическая оснастка является действенным методом повышения производительности труда, роста коэффициента использования сварочного оборудования и повышению технологичности работы. Конкретный вид и типоразмеры оснастки зависят от специфики сварочной деятельности каждого предприятия, существуют специализированные фирмы, разрабатывающие сварочную оснастку «под ключ» и предоставляющие гарантии на ее полноценное функционирование. Для предприятий среднего размера пользование их услугами может быть оптимальным с точки зрения зримого результата при небольших вложениях средств и экономии собственных материальных и временных ресурсов.

всего процесса изготовления изделий.

В отличие от оснастки для обработки резанием сборочно-сварочная оснастка имеет специфические особенности, которые и следует учитывать в новых разработках и при модернизации уже действующей оснастки.

Сварочная оснастка должна обеспечивать:

пространственное размещение деталей в свариваемом узле, исключая операцию подгонки;

точность сборки в пределах установленных чертежом допусков;

доступ к местам прихватов и сварки;

наиболее выгодный порядок сборки и последовательность наложения сварных швов;

соблюдение заданного размера между кромками свариваемых деталей;

надежное закрепление свариваемого изделия силовыми прижимами — винтовыми, пневматическими и гидравлическими. Для предупреждения самопроизвольного их раскрепления во время манипуляций со свариваемым изделием в кинематическую схему механизмов крепления должны быть встроены самотормозящиеся звенья. Для предотвращения заклинивания резьбовых зажимных механизмов при их нагреве в процессе сварки резьба силовых элементов должна быть неполного профиля (прослаблена). Эксцентриковые же зажимные элементы вообще должны быть вынесены из зоны распространения сварочных брызг, попадание которых на рабочие поверхности эксцентрикового зажима выводит его из строя;

возможность сварки в нижнем положении; быстрый отвод теплоты от мест интенсивного нагрева, снижение сварочных деформаций в свариваемом узле; предохранение всех базовых и установочных поверхностей; надежную защиту (особенно при сварке в среде СO₂) базовых и установочных поверхностей, силовых элементов (штоки цилиндров, резьбовые поверхности силовых зажимов), а также корпуса самой оснастки от прилипания сварочных брызг. Резьбовые элементы должны иметь защитные кожухи либо должны быть закрыты колпачковыми гайками.

Элементы сборочно-сварочных приспособлений должны быть достаточно прочными и жесткими (для точного закрепления изделия в требуемом положении и для исключения его деформаций при сварке). Изделие должно быть зафиксировано так, чтобы во время сварки оно имело возможность смещения, так как при жестком закреплении свариваемых элементов возникают температурные и усадочные напряжения, способные вызвать трещины в сварных швах или в основном металле или же коробление изделия.

Зажимные и установочные элементы (шаблоны, упоры и и фиксаторы) сварочной оснастки не должны создавать заклинивания под действием сварочных деформаций элементов свариваемого или собираемого на прихватках узла. При необходимости они должны обеспечивать сдвиг изделия в сторону от установочных элементов, а уже затем свободный его съем.

При одновременной сварке нескольких поворотных стыков электрическая схема управления сварочными головками должна обеспечивать пуск установки только при синхронном возбуждении всех сварочных дуг.

Для создания условий стабильного режима сварки (горение дуги) с целью устранения прихватки поворотных цапф кантователей к корпусу технологической оснастки и для нормальной работы подшипников качения в механизме поворота планшайб сварочная оснастка должна иметь надежный токоподвод. В частности, подшипники качения работают надежно лишь при прохождении через них сварочного тока до 250 А.

Как показал опыт Челябинского тракторного завода, в работе хорошо зарекомендовали себя поворотные столы с шариковой обоймой (50—70 шариков), выполняющей функции опорного подшипника.

Наиболее трудоемкие элементы сборки — взаимная ориентация и сопряжение собираемого изделия. Одна из главных помех автоматизации сборочно-сварочных процессов заключается в неподготовленности изделий к условиям автоматической сборки.

Для обеспечения нормальной работы сборочных линий ряд зарубежных фирм, например, выпускает детали высокого качества, с грифом «годен к автоматизации». Несмотря на их большую стоимость, применение таких деталей для автоматической сборки рационально, так как исключается вынужденная остановка оборудования, связанная с устранением неполадок из-за порчи деталей.

Проектируя установки (кантователи) для автоматической сварки продольных швов, необходимо помнить, что после возбуждения сварочной дуги автомат сразу же начинает перемещаться вдоль шва со скоростью сварки. А так как с начала процесса металл еще недостаточно прогрет, то возможен непровар, на конце шва могут образоваться поры и усадочные трещины. Поэтому начало и конец шва целесообразно выводить на выводные планки

Для обеспечения нормальных условий работы технологическая оснастка должна быть оборудована встроенной вытяжной вентиляцией или панелями равномерного всасывания.

В качестве отводящих вентиляционных каналов используют поворотные платформы (планшайбы) коробчатого сечения или пустотелые цапфы.

Вся технологическая оснастка должна удовлетворять требованиям техники безопасности и должна быть заземлена согласно действующим нормам. Для присоединения заземляющего провода должен быть болт диаметром 8—10 мм, расположенный в доступном месте с надписью «ЗЕМЛЯ» и условным обозначением «ЗЕМЛЯ» (синего цвета).

Кроме того, на выбор типа технологической оснастки оказывает влияние характер производства (единичное, серийное, массовое), требование к точности сборки и качеству сварного соединения, технология изготовления заготовок, способ сварки и ряд других факторов.

 

Сварка давлением

 

Сущность получения неразъемного сварного соединения двух заготовок в твердом состоянии состоит в сближении идеально чистых соединяемых поверхностей на расстояния (2…4) 10 ^{– 10} см, при которых возникают межатомные силы притяжения.

Необходимым условием получения качественного соединения в твердом состоянии являются хорошая очистка и подготовка поверхностей и наличие сдвиговых пластичных деформаций в зоне соединения в момент сварки.

Контактная сварка

Сварные соединения получаются в результате нагрева деталей проходящим через них током и последующей пластической деформации зоны соединения.

Сварка осуществляется на машинах, состоящих из источника тока, прерывателя тока и механизмов зажатия заготовок и давления.

Стыковая контактная сварка – способ соединения деталей по всей плоскости их касания.

Свариваемые заготовки плотно зажимают в неподвижном и подвижном токоподводах, подключенных к вторичной обмотке сварочного трансформатора. Для обеспечения плотного электрического контакта свариваемые поверхности приводят в соприкосновение и сжимают. Затем включается ток. Поверхность контакта заготовок разогревается до требуемой температуры, ток отключается, производится сдавливание заготовок – осадка.

Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов до оплавления с последующей осадкой – сваркой оплавлением. В результате пластической деформации и быстрой рекристаллизации в зоне образуются рекристаллизованные зерна из материала обеих деталей.

Сварка применяется для соединения встык деталей типа стержней, толстостенных труб, рельсов и т.п.

Точечная сварка – способ изготовления листовых или стержневых конструкций, позволяющий получить прочные соединения в отдельных точках.

Свариваемые заготовки, собранные внахлест, зажимают между неподвижным   и подвижным электродами, подсоединенными к обмотке трансформатора.

Электроды изнутри охлаждаются водой, нагрев локализуется на участках соприкосновения деталей между электродами. Получают линзу расплава требуемого размера, ток выключают, расплав затвердевает, образуется сварная точка. Электроды сжимают детали, пластически деформируя их.

Образующееся сварное соединение обладает большой прочностью и его можно применять для изготовления несущих конструкций. Этот способ широко применяют в авто- и вагоностроении, строительстве, а также при сборке электрических схем.

Шовная сварка – способ соединения деталей швом, состоящим из отдельных сварных точек.

Свариваемые заготовки помещают между двумя роликами-электродами, один из электродов может иметь вращательное движение, а другой – вращательное движение и перемещение в вертикальном направлении. Электроды подключаются к вторичной обмотке трансформатора 4. Электроды-ролики зажимают и передвигают деталь.

Шовная сварка обеспечивает получение прочных и герметичных соединений их листового материала толщиной до 5 мм.