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

металлов и их сплавов; в ракетно-космической промышленности для -сварки аналогичных металлов и сплавов; в авиационной промышлен­ ности — для сварки тонкостенных оболочек, сварных шестерен, узлов шасси и проч.; в радиоэлектронной промышленности в виде микросварки, например, для герметизации электронных устройств; в машиностроении — для сварки труб и сосудов высокого давления; при сварке в космосе.

ДУГОВАЯ СВАРКА ПЛАСТИНЧАТЫМ, НАКЛОННЫМ И ЛЕЖАЧИМ ЭЛЕКТРОДАМИ

С в а р к а н е п о д в и ж н ы м п л а с т и н ч а т ы м э л е к ­

пластина 1 устанавливается над свариваемым изделием 2 в верти­ кальном положении так, что ребро пластины располагается над швом

Рис. 13. Схема сварки неподвижным пластинчатым электродом:

с зазором 1—2 мм. Затем разделка для шва и кромка (ребро) пласти­ ны засыпается дозированным по высоте слоем флюса 7, защищает­ ся инертным газом или применяется какой-либо иной способ защиты дуги и сварочной ванны. На одном конце электродной пла­ стины возбуждается дуговой разряд, например, с помощью искус­ ственного «поджигателя» в виде угольного стержня или предвари­ тельно уложенной металлической стружки. После этого процесс идет вполне автоматически, без участия человека. Дуга или жидкая шлаковая перемычка по мере оплавления пластины перемещается по кромке электродной пластины и, следовательно, движется вдоль

80

Свариваемого шва со скоростью, зависящей от заданного электри­ ческого режима сварки (напряжения, тока) и других параметров (толщины пластины, марки электродного материала).

После сварки шва пластина оплавится по всей кромке на некото­ рую величину А, определяющую сечение шва. Для сварки следую­ щего шва или следующего изделия электродная пластина с помощью специального приспособления или механизма опускается на величи­ ну А и весь процесс повторяется. Вместо пластины может быть ис­ пользована стальная лента или рулонная листовая сталь.

Описанный способ сварки возможен не только при дуговом про­ цессе. При известном составе флюса и достаточной толщине его слоя, а также при определенных электрических параметрах режима свар­ ки дуговой процесс в самом начале сварки переходит в электро­ шлаковый, дуга гаснет, и сварочный ток проходит по образовавшей­ ся жидкой шлаковой перемычке 6 между электродной пластиной и изделием. Такой процесс можно назвать микроэлектрошлаковым, поскольку вместо емкой шлаковой ванны имеется лишь капля-пе­ ремычка шлака, замыкающая сварочную цепь на изделие. Эта шла­ ковая перемычка в процессе оплавления пластины перемещается по ее кромке, как бегущая волна, а не как частица, т. е. при движе­ нии она непрерывно образовывается заново (расплавляется) из све­ жего, впереди расположенного флюса. Благодаря такому волновому перемещению шлаковой перемычки не происходит ее чрезмерного перегрева и взрыва, несмотря на незначительный объем шлака в капле (перемычке).

Для данного способа сварки характерна полная автоматичность сварочного процесса, несмотря на отсутствие механизмов подачи и сварочного движения.

Благодаря своей простоте этот способ может найти эффективное применение для сварки различных коротких и криволинейных швов, где применение обычных сварочных автоматов невозможно либо нецелесообразно. Для сварки криволинейных фигурных швов элект­ родная пластина предварительно изгибается по контуру шва, и та-

.ким образом естественно решается проблема копирования шва. Так как процесс происходит автоматически, то он допускает воз­

можность многостаночной работы сварщика, например, пока на од­ ном рабочем месте производится укладка изделия и подготовка к

способ сварки, изобретенный в СССР еще в 30-х годах, забыт в на­ шей промышленности. Однако за рубежом (в частности, в Японии) он получил распространение и назван гравитационной сваркой.

81

Такое название объясняется тем, что для подачи электрода в зону свіарки по мере его плавления, а также для движения дуги по шву используется сила тяжести самого электрода и добавочного груза, т. е. сила гравитации. Схема процесса представлена на рис. 14, б.

Сварка производится толстопокрытым штучным электродом 4 диа­ метром 5—8 мм и длиной 700— 1000 мм. Одним концом (верхним) электрод закреплен в специальном скользя­

Рис. 14. Схема сварки лежачим (а) и наклонным (б) электродами.

может свободно скользить по вертикальной или наклонной направ­ ляющей стойке 6, не меняя угла наклона электрода к горизонту. К держателю подводится сварочный провод.

Другой конец (нижний) электрода опирается на свариваемое из­ делие выступающим краем электродного покрытия. Во время сварки дуга горит на этом конце между металлическим сердечником элект­ рода и изделием на промежутке, который естественно определяется толщиной покрытия, условиями его расплавления и углом наклона электрода а. Непременным условием процесса является некоторое естественное запаздывание расплавления покрытия по сравнению с плавлением металлического сердечника. Лишь при этом условии образуется необходимый чашечный выступ покрытия, который слу­ жит опорой электрода и электрически изолирует его от изделия, определяя в то же время длину дугового промежутка.

По мере плавления электрода происходит, во-первых, опускание электрода вниз под действием собственной тяжести и веса электро­ додержателя (часто с добавочным регулируемым грузом) при неиз­ менном угле наклона а, и таким образом осуществляется подача электрода в зону дуги; во-вторых, происходит передвижение актив­ ного конца электрода вдоль шва, т. е. рабочее движение дуги по шву. Эти процессы происходят автоматически до тех пор, пока не расплавится почти весь электрод. При этом скорость обоих рабочих движений — подачи и сварки — устанавливается также автомата*

82

чески в зависимости от заданных электрических параметров режима сварки, характеристики электрода, угла его наклона, веса держа­ теля с грузом и др.

Естественная автоматичность сварочного процесса аналогична той, которая характеризует и сварку неподвижным пластинчатым электродом и сварку лежачим электродом.

С точки зрения комплексной механизации и автоматизации все эти три способа создают существенные удобства и преимущества, в частности, создают предпосылки для многостаночного обслужива­ ния и повышения производительности труда, даже при сравнитель­ но невысокой производительности самого сварочного процесса.

В последние годы гравитационная сварка получила значительное распространение на судостроительных верфях Японии и СССР при сварке угловых швов в нижнем положении. Один сварщик может обслуживать до 5—8 приспособлений. Большинство электродов, применяемых для гравитационной сварки,— это электроды с желез­ ным порошком в покрытии длиной 700—900 мм и диаметром 5,5— 7 мм. Применение гравитационной сварки на японских верфях по системе многостаночного обслуживания позволило повысить про­ изводительность труда в 2—4 раза по сравнению с ручной сваркой и в отдельных случаях достигает 21 кг/ч наплавленного металла на восьми установках, обслуживаемых одним сварщиком. Объем свар­ ки этим способом на некоторых японских верфях достигает 40—45% объема всех сварочных работ, выполняемых при постройке корпуса судна. Длина швов, сваренных этим способом при постройке тан­ кера «Идэмицу—Мару», составляет 50 000 м.

С в а р к а л е ж а ч и м э л е к т р о д о м (рис. 14, а) анало­ гична описанному способу сварки наклонным электродом. Разница заключается в том, что длинный толстопокрытый электрод 1 укла­ дывается на поверхность изделия 3 (в угол или в разделку шва) го­ ризонтально, а не устанавливается в наклонном положении с по­ мощью штатива.

В процессе сварки дуга перемещается вдоль шва со скоростью плавления электрода, чем и определяется скорость сварки, которая в данном случае равна скорости подачи электрода. Сечение шва по наплавленному металлу равно сечению стержня электрода.

Естественная автоматичность сварочного процесса и его простота создают те же характерные преимущества, что и сварка наклонным электродом и вертикальным пластинчатым электродом. Основное из них — возможность многостаночного обслуживания. Недостат­ ком способа является нестабильность сварочного процесса и в свя­ зи с этим нестабильное качество швов. Для повышения качества и стабильности сварки необходима высокая точность толщины и кон­ центричности электродного покрытия, разделки шва, а также

83

надежное прижатие электрода к изделию по всей его длине, что осу­

ществляется обычно массивным медным бруском-грузом 2, или пружинящим устройством.

Преимущества рассматриваемых способов дуговой сварки стерж­ нями и пластинами:

1) предельная простота сварочного оборудования (приспособле­ ния) и его обслуживания;

2)естественная автоматичность сварочного процесса благодаря явлениям саморегулирования;

3)возможность многостаночного обслуживания, позволяющего достигнуть высокой производительности труда даже при сравни­

тельно низкой производительности самого сварочного процесса. (В японском судостроении при работе на восьми приспособлениях с наклонными электродами производительность сварщика увеличи­ вается в 3—4 раза по сравнению с ручной сваркой).

Недостатки:

1) нестабильное по сравнению с обычной автоматической сваркой качество шва, особенно при сварке лежачим электродом;

2) трудность осуществления комплексной автоматизации сбороч­

но-сварочного процесса, особенно при сварке наклонным и лежа­ чим электродами.

Области рационального применения:

1.Единичное и серийное производство.

2.Сварка в нижнем положении стыковых и угловых швов сред­ него ^калибра (6—12 мм) и небольшой длины (до 1000 мм), при ко­ торой невыгодно или невозможно применять сварочный автомат и к которым не предъявляются требования высокого качества.

3.Сварка вертикальным пластинчатым электродом фигурных криволинейных швов среднего калибра (6—30 мм), которые невоз­ можно или нецелесообразно сваривать автоматом.

§8. МЕХАНИЗИРОВАННЫЕ

ИАВТОМАТИЗИРОВАННЫ Е СПОСОБЫ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ

При сварке давлением необходимо сблизить поверхности метал­ ла до физического контакта, создать давлением на них активные центры схватывания и предупредить разрушение образовавшихся узлов схватывания после снятия сварочного давления. Эти требо­ вания одинаково справедливы и для холодной сварки, и для сварки с нагревом. Кроме того, чтобы сварить металлы на открытом возду­ хе в твердом состоянии (давлением) необходимо до или в процессе создания физического контакта и образования активных центров

84

удалить из зоны сварки окисные пленки, которые всегда присут­ ствуют на поверхности любого металла (кроме золота) и служат пре­ пятствием для прочного соединения металлов.

Все эти задачи решаются энергичным пластическим деформиро­ ванием металла в нагретом или (реже) в холодном состоянии. Окис­ ные пленки при этом разрушаются и выдавливаются или удаляют­ ся наружу за пределы сварного соединения.

КОНТАКТНАЯ СВАРКА

Самый обширный класс механизированных способов сварки дав­ лением относится к контактной сварке, насчитывающей свыше де­ сяти различных способов. Ниже кратко описаны восемь из них, получившие наибольшее распространение в промышленности. Об­ щим для всех этих способов контактной сварки является: нагрев электрическим током на контактном сопротивлении (в контакте между свариваемыми деталями); осуществление процесса на откры­ том воздухе (без специальной защиты).

При любом способе контактной сварки тепло выделяется внут­ ри металла и на его контактах, а не поступает из какого-либо по­ стороннего источника. Количество выделяющегося тепла опреде­ ляется формулой

t

где I — сила тока, а; R — сопротивление проводника, ом; t — вре­ мя прохождения тока, сек; К. — коэффициент, учитывающий сум­ марные потери тепла на излучение и теплопроводность.

Эта формула применима ко всем видам контактной сварки, кро­ ме стыковой сварки оплавлением. Из этой формулы видно, что чем выше электрическое сопротивление свариваемого металла, тем меньшая сила тока необходима для его сварки. Медь и серебро, об­ ладающие наименьшим сопротивлением, с большим трудом под­ даются контактной сварке не только вследствие трудности обеспече­ ния необходимой силы тока, но и потому, что электроды не могут выдержать большой ток. Алюминий, проводимость которого состав­ ляет две трети проводимости меди, сваривается значительно легче, но требует большой силы тока. Сталь сваривается контактным спо­ собом относительно легко.

Контактной сваркой можно сваривать как тончайшую проволо­ ку (микросварка), так и изделия очень большого поперечного сече­ ния (до 80 000 мм2и более). Место сварки получается прокованным, что улучшает структуру металла шва и повышает его механические

85

свойства по сравнению с литым металлом шва при сварке плавле­ нием.

Взависимости от типа и конструкции сварного соединения раз­ личают четыре способа контактной сварки: стыковую, точечную, рельефную и роликовую (рис. 15).

Взависимости от схемы питания машин электрическим током различают три вида сварки: контактная сварка переменным током

Рис. 15. Схемы контактной сварки:

а — точечной; б — роликовой; с — шовно-стыковой (т.в.ч.); г *—рельефной.

промышленной частоты; сварка токами высокой частоты; сварка аккумулированной энергией, главным образом конденсаторная.

К о н т а к т н а я с т ы к о в а я с в а р к а с о п р о т и в ­ л е н и е м . В процессе сварки сопротивлением нагрев осуществля­ ется теплом, которое выделяется электрическим током на контакт­ ном сопротивлении между свариваемыми деталями и на собственном

86

состояния в противоположность способу стыковой сварки оплавле­ нием. Физический процесс сварки деталей происходит под дей­ ствием приложенного к ним усилия осадки до 13— 15 кгімм2.

Ток большой силы при низком напряжении вторичной цепи под­ водится к изделию от сварочного трансформатора через зажимные электродные губки. Количество выделенного в зоне нагрева тепла Q пропорционально квадрату силы тока /, активному сопро­ тивлению нагреваемого участка R и времени t сварки (см. форму­ лу 34).

Неблагоприятным фактором при нагреве сопротивлением являет­ ся его неравномерность по сечению свариваемых деталей из-за случайного и также неравномерного расположения мест физическо­ го контакта деталей. Отрицательное влияние этого фактора тем боль­ ше, чем больше сечение свариваемых деталей и чем больше разви­ ты его площадь и периметр.

При сварке сопротивлением без какой-либо защиты качество со­ единений в решающей степени зависит от того, насколько удалось избежать окисления в стыке. Разрушение и удаление образовавшей­ ся окисной пленки (окалины) может быть осуществлено лишь очень большой пластической деформацией. Необходимость в связи с этим высоких давлений осадки, наряду со значительной неравномер­ ностью нагрева при развитых сечениях стыка, резко ограничивает область рационального применения контактной сварки сопротивле­ нием (на воздухе).

Преимущества стыковой сварки сопротивлением:

1)простота принципиальной схемы сварки и сварочной машины;

2)сравнительно малый расход энергии на нагрев и высокая про­ изводительность сварки;

3)отсутствие припусков на оплавление и вследствие этого умень­ шенный расход металла (металл расходуется только на осадку).

Недостатки:

1)весьма большие удельные давления осадки и в результате чрез­

мерно мощные по своим силовым параметрам машины, особенно для сварки больших сечений;

2) невысокое качество сварных соединений (особенно при боль­ ших сечениях) из-за неравномерного нагрева стыка и ненадежного удаления окислов из стыка.

Области рационального применения:

1. Применение ограничивается сваркой деталей малого сечения, главным образом, типа проволок, где силовые параметры не имеют решающего значения, и в то же время можно легко обеспечить рав­ номерный нагрев по сечению.

2. При специальной подготовке торцов соединяемых деталей (круглых — «на конус», плоских — «на нож») можно рекомендовать

87

для соединения стержней диаметром до 30—50 мм или полос тол­ щиной до 20 мм из нелегированной стали.

3. Обширна и весьма эффективна область применения при изго­ товлении сварных сеток и каркасов арматуры железобетона, осо­ бенно в виде комплексных автоматических линий.

К о н т а к т н а я с т ы к о в а я с в а р к а о п л а в л е н и - е м. Этот способ стыковой сварки получил гораздо большее распро­ странение в промышленности и в строительстве, чем стыковая свар­ ка сопротивлением, особенно для соединений с развитым сечением, когда сварка сопротивлением практически вообще невозможна из-за чрезмерно больших усилий осадки или недопустима из-за низкого качества сварных соединений.

Разработанные в Институте электросварки им. Е. О. Патона тех­ нология и машины для стыковой сварки непрерывным оплавлением [20, 30] позволяют сваривать детали практически из любого металла сечением до 80 тыс. мм2 и более, получая высокое качество сварных соединений.

Процесс стыковой сварки оплавлением может выполняться: без подогрева — непрерывным оплавлением; с прерывистым подо­ гревом — обычно импульсами тока — при возвратно-поступатель­ ном движении одной из свариваемых деталей. Роль оплавления и подогрева сводится к получению требуемого температурного поля с образованием на оплавляемых торцах более или менее равномерного слоя жидкого металла. Последующая осадка выравнивает соединяе­ мые поверхности, вытесняет из зазора между ними расплавленный металл и окислы (если они образовались) и формирует прочное соеди­ нение. При этом окислы, а также расплавленный и полурасплав­ ленный металл выдавливаются наружу в виде грата и местного уси­ ления шва (валика). Этот грат, а иногда и усиление шва, приходит­ ся затем удалять.

Получение при сварке оплавлением бездефектных соединений с высокой прочностью основано на предупреждении окисления, а ес­ ли это не удается, то на удалении окислов из стыка вместе с расплав­ ленным металлом. Только в этом случае стык может быть свободен от окисных включений при относительно малой степени деформации и малом усилии осадки. В противоположность этому, при контакт­ ной сварке сопротивлением для разрушения окисных пленок тре­ буется деформация и усилия' в несколько раз большие.

А. С. Гельман [9] считает, что стыковая сварка оплавлением по своей физической сущности занимает промежуточное положение меж­ ду сваркой плавлением и сваркой в твердом состоянии: на отдель­ ных участках соединение может образоваться между поверхностями твердого (пластичного) металла; однако в основном оно формирует­ ся в жидкой фазе, которая затем, в ходе осадки, полностью или час­

88

тично удаляется из соединения. Только благодаря второму процес­ су при сварке оплавлением удается получать соединения высокого качестваі при умеренной деформации осадки.

Разработанная в ИЭС им. Е. О. Патона технология сварки мето­ дом непрерывного оплавления изделий большого сечения позволила значительно снизить мощность машины и источника питания, увели­ чить производительность сварки при высоком качестве сварного соединения.

С точки зрения автоматизации этот процесс сварки (в его совре­ менном виде) также обладает существенным преимуществом: при непрерывном оплавлении он выполняется полностью автоматиче­ ски. Сварочная машина снабжена устройством для программного регулирования напряжения и.скорости подачи (при оплавлении) с обратными связями по току. Применение специального регулятора скорости, позволяющего корректировать скорость подачи в зависи­ мости от тока в сварочной цепи, значительно повышает устойчивость оплавления и снижает мощность, необходимую для возбуждения оплавления. Исполнительным рабочим органом машин для сварки непрерывным оплавлением в большинстве случаев служит специ­ альный следящий гидропривод или пневмогидропривод.

Современные контактные стыковые машины для сварки оплавле­ нием, например, машины К-155 для сварки рельсов сечением до 7000 лша, имеют почти в полтора раза большую производительность, в три раза меньшую мощность (ПО ква вместо 320) и меньший вес, чем машины МСГР-500, РСКМ-320, AEG, рассчитанные на сварку прерывистым подогревом деталей и рельсов того же сечения.

Общим недостатком стыковой сварки оплавлением является суще­ ственная потеря металла на угар, оплавление и выдавливание в грат, необходимость последующего удаления грата, а также повы­ шенная энергоемкость процесса по сравнению со сваркой сопротив­

лением.

Выше рассматривалась только стыковая сварка стержней одина­ кового сечения. В последнее время В. Т. Чередничек и др. [2, 44] доказали возможность контактной сварки оплавлением тавровых соединений и разработали соответствующую технологию сварки этих асимметричных соединений, например, приварку круглых, трубчатых или пластинчатых стержней торцом к стальному листу. Подобные соединения весьма распространены в закладных деталях железобетонных конструкций, в коленчатых валах, в сопряжениях труб с трубными решетками или коллекторами (трансформаторов), в рамах грузовых автомобилей и т. д.

Преимущества стыковой сварки оплавлением:

1) возможность стыковой сварки сталей и цветных металлов и сплавов сечением до 80 000 мм2;

89