книги из ГПНТБ / Севбо П.И. Комплексная механизация и автоматизация сварочного производства

сопла подается струя жидкости (4%-ный раствор кальцинированной соды или 25%-ный раствор глицерина в воде). Возможна сварка с флюсовой защитой, а также в среде углекислого газа, аргона, азота.

Так как длительность существования дугового разряда состав­ ляет всего 20% от времени общего цикла и чередуется с периодами полного отсутствия выделения теплоты (период холостого хода) и периодом незначительного его выделения (период короткого замыка­ ния), то при вибродуговом процессе обеспечивается возможность весьма неглубокого провара основного металла, больших скоростей остывания металла сварочной ванны и создание наплавленного слоя очень малой толщины (0,5—3,0 мм).

Эти особенности вибродугового процесса дают возможность при­ менять его при наплавке деталей небольшого размера с малой тол­ щиной стенок, где для восстановления рабочих размеров требуется нанесение тонкого слоя металла на износившуюся поверхность де­ тали, например, при восстановлении термически обработанных де­ талей машин (оси, шейки валов малого диаметра, шпиндели токар­ ных станков, автотракторные детали и проч.). Производительность процесса весьма невелика и составляет 1—2 кг наплавленного ме­ талла в 1 ч.

Принципы механизации и автоматизации вибродуговой сварки такие же, как и других видов автоматической электродуговой свар­ ки, за исключением механизма подачи проволоки, снабженного виб­ ратором.

Преимущества вибродуговой сварки:

1) незначительная глубина проплавления и слабое термическое воздействие на основной металл;

2) возможность сварки и наплавки в любом пространственном положении;

3) малая толщина (0,5— 3 мм) наплавленного слоя; 4) весьма малые сварочные деформации. Недостатки:

1) невысокая производительность процесса сварки или наплав­ ки (1—2 кгіч при силе тока 100—250 а);

2)неоднородность структуры и свойств наплавленного металла;

3)усложненная конструкция сварочной головки вследствие на­ личия вибратора и устройства для подачи охлаждающей жидкости.

Область рационального применения:

Наплавка тонкого слоя металла на детали небольшого размера, где недопустимы деформации и.не предъявляются высокие требова­ ния к качеству наплавки, например, при восстановлении размеров термически обработанных деталей (оси, шейки валов, автотрактор­ ные детали и т. д.). Однако под флюсовой защитой Могут наплав^ ляться и ответственные детали с высоким качеством наплавки.

70

ЭЛЕКТРОШ ЛАКОВАЯ СВАРКА

Электрошлаковая сварка является разновидностью механизи­ рованной сварки плавлением, принципиально отличающейся от ду­ говой сварки тем, что источником нагрева является не электрическая дуга, а джоулево тепло, выделяющееся в жидкой шлаковой ванне при прохождении через нее сварочного тока. Схема электрошлакового процесса приведена на рис. 11. В пространстве, образованном кромками свариваемых деталей 3 и шлакоудерживающими приспо­ соблениями (медными пластинами или ползунами) 12 или 8, созда-

Рис. 11. Схема электрошлаковой сварки:

а — проволочными электродами; 6 — пластинчатыми электродами.

ется ванна жидкого шлака (расплавленного флюса) 6, в которую погружается металлический стержень — электрод 5 (один или не­ сколько ■— в зависимости от толщины свариваемых деталей). Сва­ рочный ток, проходя между электродом и основным металлом через шлаковую ванну 6, нагревает ее и поддерживает в ней высокую тем­ пературу и электропроводность. Следует отметить, что шлак в хо­ лодном, твердом состоянии ■— не электропроводен.

При электрошлаковой сварке температура шлаковой ванны выше температуры плавления металла и поэтому шлак оплавляет кромки соединяемого металла и расплавляет погруженный в нее электродный стержень (проволоку, пластину и др.), непрерывно подаваемый сварочной головкой 2 в шлаковую ванну по мере его расплавления.

Расплавленный основной металл вместе с электродным сте­ кает на дно шлаковой ванны и образует под ней металлическую

71

ванну 7, которая затем затвердевает и превращается в шов 9, прочно соединяющий свариваемые детали.

Основное назначение флюсов (шлаков) для электрошлаковой свар­ ки — преобразование электрической энергии в тепловую. В отличие от дуговой сварки под флюсом при электрошлаковой сварке почти вся электрическая мощность передается шлаковой ванне, а от нее — электроду и основному металлу. Поэтому условием стабильности бездугового электрошлакового процесса является постоянство тем­ пературы шлаковой ванны, что достигается соответствующим под­ бором глубины и емкости шлаковой ванны, а также скорости пода­ чи электродного металла (проволоки, пластины и проч.).

Второе, не менее важное, назначение шлаковой ванны заключа­ ется в защите жидкого металла шва от вредного действия окружаю­ щего воздуха.

Перед началом процесса сварки шлаковая ванна образуется (на­ водится) путем расплавления порошкообразного флюса, заполняю­ щего пространство между кромками подлежащих сварке деталей и медными подкладками или ползунами, плотно прижатыми к поверх­ ности свариваемых деталей. Таким образом, образуется «колодец» для шлаковой, а в будущем и для металлической ванны, причем две

са для образования первичной шлаковой ванны производится дугой, возникающей в начальный период сварки между основным метал­ лом и электродом. После расплавления определенного количества флюса дуга «заливается» шлаком и гаснет, после чего начинается нормальный электрошлаковый процесс. I

При электрошлаковой сварке, в противоположность дуговой сварке под флюсом, свариваемый шов, как правило, располагается вертикально. Поэтому и сварочное движение (наращивание шва) в этом случае происходит по вертикали, а не по горизонтали. По мере заполнения металлом зазора между свариваемыми кромками элект­ род (или группа электродов) вместе с ползунами перемещается вверх вдоль свариваемого шва с заданной скоростью сварки, что осуществляется с помощью специального сварочного аппарата 1. Шлаковая ванна, наведенная в начале сварки данного шва, по мере его формирования и затвердевания перемещается от начала детали к ее концу со скоростью сварки. Для восполнения расхода шлака, затрачиваемого на образование шлаковой корочки на поверхности шва и потерь на испарение, в шлаковую ванну по мере надобности небольшими порциями добавляется флюс.

Длина зеркала шлаковой ванны (в плане) практически равна тол­ щине свариваемого металла, а ширина определяется зазором между

72

свариваемыми кромками, который в зависимости от толщины назна­ чается в пределах 20—40 мм. Глубина шлаковой ванны выбирается в зависимости от технологических условий (состава основного ме­ талла, режима сварки, типа и размеров электрода) и колеблется в пределах 25—70 мм. Ток подводится к шлаковой ванне от источни­ ка переменного или постоянного тока через основной металл — снизу и через непрерывно подаваемый электрод, погруженный в шла­ ковую ванну,— сверху. К электроду ток подводится с помощью спе­ циального криволинейного мундштука 4. При этом электрод распо­ лагается посредине шлаковой ванны, либо перемещается в зазоре возвратно-поступательным пилообразным движением (от ползуна к ползуну) для более равномерного прогрева ванны и проплавления кромок по всей толщине свариваемых деталей.

В зависимости от степени автоматизации рабочих операций, электрошлаковая сварка, как и электродуговая, может быть авто­ матической и полуавтоматической. Различие между ними состоит в том, что при автоматической электрошлаковой сварке автоматизи­ рованы с помощью специальных электроприводов все основные ра­ бочие движения и операции: подача электродного металла в шлако­ вую ванну по мере его плавления; вертикальное рабочее движение по шву с заданной скоростью сварки; горизонтальные возвратно­ поступательные перемещения электрода вдоль шлаковой ванны и др. При полуавтоматической электрошлаковой сварке некоторые из рабочих движений осуществляются вручную, в частности, вер­ тикальное рабочее движение аппарата по шву производится с по­ мощью ручного привода типа «трещетки» или другого. Такой при­ вод периодически приводится в движение сварщиком по мере нара­ щивания шва. Примером такого сварочного аппарата может служить безрельсовый полуавтомат А-671Р или рельсовый сварочный по­ луавтомат А-681. Благодаря простоте и портативности такие по­ луавтоматы используются для сварки в монтажных условиях, где применение тяжелых автоматов невозможно или нецелесообразно.

Автоматическая электрошлаковая сварка кольцевых швов круп­ ного калибра, например цилиндрических сосудов с толщиной стенки до 350 мм, осуществляется при комбинированном сварочном дви­ жении: в начале сварки и на большей части кругового шва — вра­ щением свариваемого изделия относительно неподвижно установлен­ ной на «экваторе» сварочной головки на угол около 315°, а затем, в конце шва — перемещением сварочной головки относительно не­ подвижного изделия вверх, вдоль кругового шва, до угла прибли­ зительно 45°, когда происходит замыкание шва.

Методы электрошлаковой сварки различаются в зависимости от типа электрода. По этому признаку различают: сварку электрод­ ной проволокой 5 диаметром 2,5—3 мм (одной или несколькими

73

(рис. 11, а)); сварку электродной пластиной 10 большого сечения (одной или несколькими (рис. 11, б))\ сварку плавящимся мундшту­ ком, который представляет собой комбинацию электродной пластины и электродных проволок. В этом случае пластина, длина которой практически равна длине свариваемого шва, укрепляется неподвиж­ но в зазоре между свариваемыми кромками и по мере сварки шва расплавляется. Эта пластина (плавящийся мундштук) снабжена трубчатыми каналами, по которым в шлаковую ванну непрерывно подаются электродные проволоки.

Преимущества электрошлаковой сварки:

1)возможность сваривать за один проход толстостенные изделия практически неограниченной толщины — до 3000 мм и более;

2)высокая производительность сварки металла большой толщи­ ны (от 60 мм и более), превышающая производительность много­

слойной сварки под флюсом в 5—6 раз и ручной — в 20—25 раз; 3) высокий коэффициент плавления электрода, достигающий 20—

4)расход флюса в 15—20 раз меньше, чем при автоматической сварке под флюсом;

5)вследствие высокого коэффициента наплавки электрода и ма­ лого расхода энергии на расплавление флюса, энергоемкость про­ цесса значительно меньше, чем сварки под флюсом (в 1,5—2 раза);

6)стоимость сварного соединения, выполненного электрошлако­ вой сваркой (особенно при толщинах свыше 60 мм) значительно ни­ же стоимости соединения, выполненного многослойной сваркой под флюсом, вследствие малого расхода флюса; малого удельного расхо­ да электроэнергии; уменьшения количества наплавленного металла на 1 пог. м шва; упрощения и удешевления подготовки кромок, по­ скольку отпадает необходимость в фасонной разделке кромок (У- образной, Х-образной, U-образной) и в их механической обра­ ботке на металлорежущих станках;

7)повышенное качество сварных соединений: стойкость против

образования пор и кристаллизационных (горячих) трещин в метал­ ле шва; стойкость металла околошовной зоны против закалочных трещин вследствие благоприятного термического цикла сварки, что определяет возможность сварки углеродистых и закаливающихся сталей без предварительного подогрева; отсутствие шлаковых вклю­ чений, что особенно характерно для многослойной сварки;

8) возможность изготовления сложных, уникальных по своим габаритам и весу машинных деталей путем электрошлаковой сварки нескольких отливок или поковок нормального размера и веса (сварно-литые станины тяжелых прессов и прокатных станов, тол­ стостенные сварно-кованые цилиндры и т. д.).

74

Недостатки:

1)невозможность или нецелесообразность сварки металла тол­ щиной менее 20—25 мм, а также угловых швов, что существенно ограничивает область применения рассматриваемого способа;

2)необходимость располагать свариваемый шов в вертикальном положении;

3)металл шва имеет ярко выраженную литую структуру с не­ сколько пониженными пластическими свойствами;

4)при сварке некоторых сталей, в частности котельных, длитель­ ное температурное воздействие на металл околошовной зоны вызы­ вает его перегрев и изменяет структуру, образуя характерную зону крупного зерна с пониженными пластическими свойствами, особен­ но ударной вязкостью (охрупчивание металла). Поэтому некоторые ответственные конструкции после сварки приходится подвергать сложной термообработке — нормализации с отпуском;

5)недопустимы или крайне нежелательны остановки процесса сварки в середине шва, так как в этом месте почти неизбежно по­ явление непроваров, усадочных трещин и других дефектов. После такой вынужденной остановки приходится удалять весь дефектный участок шва.

Области рационального применения:

1.Единичное и серийное производство толстостенных сварных изделий в тяжелом машино-, котло-, гидротурбо-, судостроении и др.,

втом числе изготовление уникальных по своим размерам и весу сварнолитых и сварнокованых стальных элементов крупных ма­ шин, которые другим способом изготовить невозможно или крайне невыгодно.

2.Сварные соединения из алюминия и его сплавов толщиной 60—200 мм, в том числе стыковые соединения больших сечений —

до 200 000 ммг.

ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВАЯ СВАРКА

При электроннолучевой сварке источником нагрева является электронный луч — направленный поток быстродвижущихся (уско­ ренных) электронов, кинетическая энергия которых превращается в тепловую при ударе их о поверхность свариваемого изделия. Ско­ рость ударяющихся электронов ѵ = 100 000 км/сек и поэтому, не­ смотря на их незначительную массу, кинетическая энергия электро-

m xfl

нов— очень велика.

Тепловая энергия, образующаяся при торможении электронов, расплавляет металл в месте сварного соединения. Схема установки для электроннолучевой сварки приведена на рис. 12.

75

Поток электронов генерируется специальным устройством — электронной пушкой. В этой пушке источником (излучателем) элект­ ронов служит вольфрамовый или металлокерамический катод 1 пе­ ременного тока (тока накала), питаемый низковольтным трансфор­ матором 9. При пропускании тока катод разогревается до высокой температуры и становится источником эмиссии электронов (излуча­

жения источника нагрева относительно свариваемого изделия или по мере перемещения изделия относительно источника нагрева, что бывает чаще, происходит затвердевание свариваемой ванны и обра­ зование шва. Металл шва так же, как и при других способах свар­ ки плавлением, имеет литую структуру.

Высокая концентрация энергии, достигаемая при фокусировке электронного луча, позволяет значительно увеличить удельную энер­ гию, сосредоточив ее на малой площади. Это обеспечивает получение узкого и глубокого провара шва и узкой околошовной зоны. Сече­ ние шва при этом способе сварки может иметь форму острого клина или ножа, вследствие чего такие швы называют «кинжальными».При дуговой сварке форма сечения шва приближается к полуокружнос­ ти; кинжальные швы при этом способе сварки получить невозможно.

Сварка ведется при непрерывном воздействии электронного луча на изделие или при периодическом прерывании электронного луча, что позволяет снизить нагрев основного металла. Частота импуль­

76

сов регулируется с таким расчетом, чтобы отдельные расплавленные точки, образующиеся в период воздействия электронного луча, пе­ рекрывали друг друга.

Характерной особенностью электроннолучевой сварки, суще­ ственно ограничивающей область ее применения, является то, что процесс должен происходить в вакууме — 10~4 мм pm. cm. и глуб­ же. Вакуум необходим для того, чтобы энергия электронов не рас­ ходовалась на ионизацию газов, а также для получения особо чисто­ го металла шва. Поэтому установки для электроннолучевой сварки снабжаются герметичной вакуумной камерой 5, в которой и ведется весь процесс сварки. Вакуум поддерживается во время сварки при помощи непрерывно работающих вакуумных и диффузионных насо­ сов, откачивающих воздух и образующиеся при сварке газы через патрубок 7.

Свариваемые детали 4 загружаются в камеру через люк или крышку и устанавливаются на каретку или вращатель, осуществляю­ щие рабочее движение изделия относительно электронного луча. Электропривод механизма вращения обычно располагается вне ка­ меры и соединяется с рабочим органом механизма, например с план­ шайбой, при помощи ведущего вала 6, пропущенного сквозь стенку камеры с соответствующим герметичным уплотнением.

Существует другая схема, когда электронная пушка с помощью механизма движения перемещается относительно свариваемого изде­ лия, но при этой системе имеются трудности, связанные с токоподводом к движущейся электронной пушке, особенно учитывая высо­ кое напряжение. Однако в некоторых условиях применение такой схемы целесообразно.

Наблюдение за процессом сварки ведется через смотровое окно 8, имеющееся в вакуумкамере. Хотя электронный луч невидим, но место сварки отчетливо видно по раскаленному пятну на сваривае­ мом изделии. Для устранения опасности поражения током высокого напряжения камера и свариваемая деталь заземлены.

Сварочные электронные пушки и установки для электроннолу­ чевой сварки в зависимости от величины ускоряющего напряжения делятся на три группы: пушки, работающие в диапазонах соответ­ ственно 30, 60 и 150 кв [3]. Установки первой группы (до 30 кв) не требуют биологической защиты от рентгеновского излучения и поз­ воляют формировать электронный луч с диаметром около 1 мм. Для установок второй и третьей групп необходима специальная биологи­ ческая защита от рентгеновских излучений, выполняемая в виде свинцовых щитов. Эти установки работают при малых токах элек­ тронного луча, выраженных в миллиамперах, что улучшает условия работы катода, который является самым уязвимым местом свароч­ ной установки. В этих установках (с высоким ускоряющим напря­

77

жением) обеспечивается возможность получения электронного луча очень малого диаметра — 0,3 мм и меньше.

Непосредственно после сварки на тех же установках может производиться и термообработка сварного соединения, если она необходима. Нагрев для термической обработки осуществляется расфокусированным («размазанным») электронным лучом. Для пи­ тания сварочных электронных пушек применяют специальные вы­ прямители.

В последнее время в Советском Союзе и за рубежом получила распространение электроннолучевая сварка в низком вакууме (Ю—1— 10~2 мм ргп. cm.). Этот высокопроизводительный технологи­ ческий процесс, благодаря низкому вакууму, который можно создать за очень короткое время, сравнительно легко поддается комплекс­ ной механизации и автоматизации. В будущем его будут применять в автомобилестроении, приборостроении и других отраслях промыш­ ленности с массовым производством однотипных деталей.

За последние годы создан метод электроннолучевой сварки в ат­ мосфере инертных газов и даже в воздухе. Этот метод был вызван естественным стремлением избавиться от ограничений, связанных с применением вакуумной камеры, однако при этом возникают су­ щественные недостатки этого способа сварки: более короткий рабо­ чий участок луча и необходимость иметь высокое ускоряющее на­ пряжение (выше 150/cö) для удовлетворительной работы и нужной геометрии зоны проплавления. Кроме того, эта модификация явля­ ется неудовлетворительной для сварки некоторых металлов вслед­ ствие охрупчивания шва, возникает также необходимость усилен­ ной защиты обслуживающего персонала от рентгеновских лучей, а скорости сварки при этом более низкие. По всем этим причинам электроннолучевая сварка в воздухе и в среде инертных газов пока еще не получила широкого распространения в промышленности.

Преимущества электроннолучевой сварки:

1)возможность получения очень узких швов («кинжальных») с глубоким проплавлением при минимальной погонной энергии;

2)небольшая зона термического влияния и минимальное из­ менение физико-химических свойств металлов в околошовной зоне;

3)высокое качество сварных соединений: стойкость против обра­ зования холодных трещин вследствие устранения перегрева метал­ ла в околошовной зоне; высокая прочность соединений из термиче­ ски упрочненной стали, превышающая прочность соединений, вы­ полненных аргоно-дуговой сваркой; низкое содержание газов в

металле шва; 4) минимальные коробление и деформации, что обеспечивает вы­

сокую точность сварных изделий и позволяет производить их свар­ ку после окончательной обработки свариваемых деталей;

76

5)возможность соединения разнородных металлов;

6)высокая скорость сварки; по данным американской фирмы «Га­

мильтон — Стандарт» при сварке в низком вакууме (10-' — ІО-2 мм pm. cm.) на установках мощностью 25 кет скорость сварки достигает 10—20 м/мин при глубине проплавления соответственно 4,5—2,5 мм, причем качество не уступает сварке вольфрамовым электродом в аргоне;

7)экономичность процесса сварки в низком вакууме благодаря высокой скорости сварки, возможности быстрого создания вакуума

ивозможности применения шагающих вакуумных камер;

8)широкий диапазон толщин свариваемого металла (от 230 мм до нескольких тысяч ангстрем);

9)возможность автоматического программного управления и комплексной автоматизации сварочного процесса (но не сварочного производства в целом);

10)пониженный расход электроэнергии (к. п. д.— до 90%) и отсутствие необходимости применения дорогостоящих инертных га­ зов делают этот процесс сварки достаточно экономичным, несмотря на высокую стоимость и сложность сварочного оборудования.

Недостатки:

1)сравнительно высокие капитальные затраты (особенно для свар­ ки крупногабаритных изделий), сложность оборудования и его экс­ плуатации;

2)технологический процесс сборки и сварки изделий усложнен добавочными операциями по вакуумированию камеры, вводу и вы­ воду изделий из камеры, что существенно затрудняет комплексную автоматизацию всего сварочного производства и снижает произво­ дительность сварочных установок;

3)при сварке в низком вакууме и особенно в атмосфере требует­ ся очень высокое ускоряющее напряжение (150 кв и выше) и соот­ ветствующая биологическая защита.

Области рационального применения:

1.Наиболее эффективно применение при изготовлении небольших деталей из тугоплавких химически активных металлов (вольфрам, титан, ниобий, цирконий, молибден и др.), а также из нержавеющих сталей, алюминия, никеля и сплавов на их основе.

2.Применение сварки в низком вакууме в автомобилестроении (блоки шестерен, рулевые колонки и др.) и других отраслях машино­ строения с массовым производством сварных изделий небольшого размера из специальных сталей.

3.Применение электроннолучевой сварки в следующих отраслях промышленности: в атомной энергетике — для сварки в высоком ва­ кууме деталей тепловыделяющих элементов и соответствующих уз­ лов атомного реактора из химически активных и тугоплавких

79