Болдырев орлов сварка в строительстве
Год выпуска: 1975
Автор: Б.Д. Орлов
Жанр: Технические науки
Издательство: Машиностроение
Язык: Русский
Формат: DJVU
Количество страниц: 536
В учебном пособии рассмотрены формирование сварных соединении, особенности и нагрева и деформации металла, технология и оборудование контактной сварки современных конструкционных материалов. Описано применение полупроводниковых элементов и логических устройств для программирования режимов сварки, различных систем контроля и автоматического регулирования сварки, а также средств механизации и автоматизации вспомогательных операций. Приведены технико-экономические показатели, характерные для контактной сварки.
Контактная сварка представляет собой процесс образования неразъемного соединения, возникающего в результате нагрева металла протекающим через детали электрическим током и пластической деформации зоны соединения. Под термином «контактная» сварка подразумевается нагрев деталей электрическим током (существование электрического контакта) и определенная роль контактных (переходных) сопротивлений. Контактная сварка объединяет большую группу способов, многие из которых широко применяют в промышленности. Основные отличительные особенности этих методов — надежность соединений, высокий уровень механизации и автоматизации, высокая производительность процесса и культура производства. Около 30% всех сварных соединений выполняют контактной сваркой.
Область применения контактной сварки чрезвычайно широка — от космических аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и пленочных микросхем. Видное место занимает этот способ и в самолетостроении. На современных лайнерах насчитывается до нескольких миллионов сварных точек и несколько сотен метров швов, выполненных шовной сваркой.
Весьма широко применяется многоточечная и рельефная сварка в автомобилестроении. Например, в конструкции автомобиля «Москвич-412» количество точек достигает 5000. Контактную сварку используют в вагоностроении, судостроении, строительстве.
Стыковая сварка оплавлением нашла применение при монтаже трубопроводов и укладке железнодорожных рельсов в полевых условиях, в котлостроении при шиповке трубных досок, при изготовлении силовых элементов (шпангоутов) и инструмента.
Различные легированные стали и сплавы со специальными свойствами, конструкционные стали, сплавы на основе титана и меди, алюминиевые и магниевые сплавы, тугоплавкие сплавы и порошковые композиции типа САП — вот далеко неполный перечень конструкционных материалов, которые с успехом соединяют контактной сваркой.
С каждым годом совершенствуется сварочное оборудование. Современная промышленность выпускает широкую номенклатуру универсального и специализированного оборудования самого различного назначения. Это оборудование отличается высокой производительностью. Известны машины для точечной сварки, позволяющие выполнять до 600 соединений в минуту. При изготовлении заготовок токами радиочастоты скорость сварки может достигать 100 м/мин. Установки для контактной сварки отличаются высокой степенью автоматизации. Системы управления современной контактной машины позволяют с высокой точностью регулировать отдельные параметры процесса. В цепях управления и коммутации сварочного тока в последнее время находят широкое применение полупроводниковые элементы — транзисторы, силовые управляемые вентили (тиристоры) и т. п.
Следует также отметить достижения в области механизации и автоматизации сопутствующих сварке вспомогательных операций. Созданы высокоэкономичные поточные и автоматические линии по сборке и сварке узлов автомобилей, элементов приборов и радиосхем. Начинается использование многофункциональных механизмов с программным управлением — промышленных роботов.
Образование соединений при контактной сварке происходит в условиях сложных быстроменяющихся электрических и температурных полей. Высокие скорости нагрева и деформации, своеобразная конфигурация соединений — эти особенности создают значительные трудности при исследовании процессов сварки. Для изучения указанных явлений широко привлекают достижения смежных наук—теплофизики, математики, металловедения и др. При анализе природы образования соединения используют представления физики твердого тела. Тепловые и электрические поля исследуют при помощи вычислительных машин. Структуру и состав металла соединений изучают с применением электронной оптики и рентгеновских микроанализаторов.
Способы контактной сварки весьма разнообразны; их можно классифицировать по ряду признаков (рис. 1): 1) методу получения соединения, определяемого фазовым состоянием металла в зоне сварки (соединение в твердой или жидкой фазах); 2) конструкции соединений (нахлесточное или стыковое); 3) технологическому способу получения соединений (например, стыковая сварка сопротивлением и оплавлением, точечная, шовная); 4) виду атмосферы (сварка на воздухе или в защитной среде); 5) способу подвода тока и форме импульса тока (контактный и индукционный подвод, сварка переменным током различной частоты, постоянный ток или монополярный импульс); 6) количеству одновременно выполняемых соединений (одноточечная и многоточечная сварка, одиночный и непрерывный рельеф и т. д.); 7) характеру перемещения деталей или электродов во время пропускания импульса тока (сварка неподвижных или подвижных деталей, например непрерывная и шаговая шовная сварка).
Кроме того, различают область контактной микросварки, относящуюся к соединению указанными выше способами миниатюрных деталей малой толщины (до нескольких микрометров) и малых сечений. Простейшие схемы основных способов контактной сварки представлены на рис. 2. В твердой фазе соединения в основном выполняются стыковой сваркой.
Стыковая сварка — способ контактной сварки, при котором детали соединяются по всей площади их касания. Наибольшее распространение из способов стыковой сварки получили стыковая сварка сопротивлением и оплавлением. При сварке сопротивлением (рис. 2, а) детали 1 укрепляют в токоподводах 2—3 и сжимают усилием F. Подача напряжения на первичную обмотку сварочного трансформатора вызывает появление тока I во вторичном контуре 4 и нагрев деталей в стыке 5 до температуры, близкой к температуре плавления металла (0,8 -ч-0,9) Тил. Затем резко увеличивают усилие (осадка деталей), в результатах чего в твердой фазе образуется сварное соединение. Сварку оплавлением подразделяют на сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом.
При сварке непрерывным оплавлением детали сближают с определенной скоростью при включенном сварочном трансформаторе. Оплавление деталей происходит в результате непрерывного образования и разрушения контактов-перемычек между их торцами и сопровождается интенсивным выбросом частиц расплавленного металла и укорочением деталей. При оплавлении на торце формируется сплошной слой жидкого металла, который при осадке вместе с загрязнениями (окисными пленками) выдавливается из стыка.
При сварке оплавлением с подогревом детали предварительно подогреваются методом сопротивления (аналогично сварке сопротивлением) в процессе кратковременных замыканий их торцов, а затем оплавляются.
Стыковая сварка токами высокой частоты (от нескольких тысяч герц) во многом аналогична стыковой сварке (рис. 2,б). В этом случае детали нагреваются индуктором 6, связанным с электрическим генератором 7 за счет вихревых токов, возникающих в детали 1 при действии переменного магнитного поля. Радиочастотная сварка (рис. 2, в) характерна постепенным прогревом зоны сварки при движении заготовки внутри индуктора. Вследствие проявления эффекта близости нагревается весьма узкая область металла. В стыке деталей часто наблюдается оплавление металла, который выдавливается усилием сжимающих трубу роликов 8. Как и при стыковой сварке оплавлением слой жидкого металла защищает стык от окисления и создает благоприятные условия для образования соединения. Радиочастотную сварку обычно применяют при изготовлении труб и профилей из сталей и цветных металлов.
Наибольшее распространение в промышленности получили способы контактной сварки в жидкой фазе — точечная, шовная и рельефная.
Точечная сварка — способ контактной сварки, при котором детали свариваются по отдельным ограниченным участкам касания, называемым точками.
При точечной сварке (рис. 2, д) в отличие от стыковой используется нахлесточное соединение. Детали предварительно сжимаются электродами из медных сплавов (токоподводами 12) и нагреваются проходящим электрическим током .до появления внутри деталей расплавленной зоны 10 — ядра или точки. Расплавленный металл удерживается в ядре от выплеска и надежно защищается от окружающей атмосферы уплотняющим пояском 13, представляющим собой зону пластической деформации, непосредственно примыкающую к ядру.
Нагрев при точечной сварке обычно осуществляется импульсами переменного тока (50 Гц) или униполярными импульсами (ток одной полярности с переменной амплитудой в течение импульса) относительно малой продолжительности (0,01—0,5 с).
По способу подвода тока точечная сварка может быть двусторонней и односторонней. При двусторонней сварке ток подводят к каждой из деталей (рис. 2, д), а при односторонней к одной из них (рис. 2,е). Для того чтобы обеспечить достаточное тепловыделение в контакте деталей, часто со стороны нижнего листа используют шунтирующую медную подкладку 14.
Разновидностью односторонней сварки является сварка сдвоенным электродом, которую широко применяют в радиоэлектронике при изготовлении микросхем (рис. 2, ж). Электрод в этом случае выполняют из двух половин, разделенных изолятором 15 или металлом с высоким электрическим сопротивлением.
Различают одноточечную сварку, когда за одну операцию выполняют одну точку (рис. 2, д), и многоточечную с двумя и более одновременно свариваемыми точками (рис. 2, е).
Шовная сварка — способ контактной сварки, при котором между свариваемыми деталями образуется непрерывное соединение (шов) путем постановки последовательного ряда частично перекрывающих друг друга точек. Подобное соединение обеспечивает получение герметичных (плотных) швов. В случае шовной сварки подвод тока к деталям и их передвижение осуществляют преимущественно при помощи двух вращающихся дисковых электродов (роликов) 9, связанных с приводом усилия сжатия сварочной машины (рис. 2, з). Как и в случае точечной сварки, металл нагревается импульсами тока различной формы без применения специальных средств защиты жидкого металла от атмосферы.
Можно выделить некоторые виды шовной сварки, в частности, по способу подвода тока, по числу роликов и одновременно свариваемых швов (рис. 2, и). Импульсы тока могут подаваться при непрерывном вращении деталей или электродов или в момент их кратковременной остановки (шаговая сварка).
В последнее время при изготовлении листовых конструкций находит распространение шовно-стыковая сварка (рис. 2, г). При этом токоподводящие ролики 9 двигаются вдоль стыка деталей и при подаче импульса тока происходит плавление металла.
Рельефная сварка — разновидность точечной сварки, при которой первоначальный контакт деталей происходит по ограниченной рельефами 16 площади (рис. 2, к), предварительно формуемыми на деталях, например, в форме треугольника или трапеции в сечении. В начальный момент это позволяет достигать более концентрированного нагрева металла проходящим током. Нагреваясь, рельефы деформируются, и на определенной стадии процесса происходит плавлением металла и образование ядра.
Формирование соединений при контактной сварке указанными способами определяется протеканием ряда физико-химических процессов, составляющих теоретическую основу технологии. Технология представляет собой совокупность операций и приемов, связанных со сваркой конкретных деталей и конструкций. К этим операциям относятся непосредственно сварочные и вспомогательные, например сборка, предварительная подготовка поверхности, контроль качества соединений и т. д.
Технология определяет требования к сварочному оборудованию, которое представляет в целом комплекс различных механизмов и устройств (схема 1). Основной элемент оборудования — сварочная машина с системой управления, состоящая из электрической части с источником электрической энергии (например, трансформатором), элементов подвода тока к деталям (электрическая цепь из шин, консолей, электродов и т. п.), механизмов приводов различного назначения (привод сжатия деталей при точечной и шовной сварке, зажатия и перемещения 
деталей при стыковой сварке и т. д.) и ряда конструктивных элементов, создающих жесткость и прочность машины (корпус или станина, кронштейны, упоры, электроды, плиты и т. п.). Сварочная машина может быть оборудована средствами сопутствующего контроля качества соединений, а также средствами механизации и автоматизации вспомогательных операций.
Разнообразие способов контактной сварки, а также современный уровень технологии, оборудования и контроля позволяют создавать изделия самого различного назначения и степени ответственности.
Болдырев орлов сварка в строительстве
2.16. Контроль качества сварки.
Качество — это степень удовлетворения заказчика свойствами изделия или предоставленными ему услугами. Качество — понятие многогранное. Нельзя сказать по какому-то одному частному показателю о качестве в целом.
Качество сварки определяется уровнем дефектов при сварке ( рис. 2.6.), зависит от особенностей протекания технологического процесса и включает в себя ряд единичных показателей ( рис. 2. 54):
-структуру, твердость и другие механические показатели сварного шва;
-наличие в сварном шве внутренних дефектов (поры, трещины, шлаковые включения и т.д.);
-геометрические размеры шва;
-эстетические показатели;
-коробления и структурных изменений в свариваемых деталях;
-свойств переходной зоны (наличие трещин, крупнозернистости, закалочных явлений,…);
-усталостную прочность и долговечность;
-коррозийную стойкость сварного шва;
-экономические показатели.
Качество сварки зависит от многих технологических факторов: сварочные материалы (электроды, сварочная проволока, флюсы, защитные газы,…), режимы сварки (сила тока, напряжение, ..), материалы свариваемых деталей и качество их подготовки перед сваркой, профессионально-личностный уровень сварщика (квалификация, отношение к работе, дисциплина труда. ), условия труда, охрана труда и т.д.
Контроль может и должен быть предварительным (контроль электродов, флюсов, оборудования, режимов работы и т.д.) и окончательным ( оценка качества сварного шва). Первый вид контроля является основой для высокого качества сварки, т.к. создает предпосылки для качественного выполнения работ, а второй-. фиксирует достигнутые результаты технологического процесса.
Контролерами являются все участники технологического процесса:
инженеры-механики ОГМ — контролирует состояние оборудования;
инженеры-технологи ОГТ — контролирует выполнение технологического процесса;
работники ОТК — контролирует все стадии технологического процесса и выполняют заключительный контроль;
сварщик- обеспечивает и непрерывно контролирует качество сварки.
Дефекты (табл 2. 6) приводят к уменьшению прочности сварного шва, к нарушению герметичности соединения и к снижению эксплуатационной надежности конструкции.
Таблица 2. 6.
Основные дефекты сварки, их причины и способы определения.
Дефекты могут быть:
-явными ( непровары, пережоги,…) и скрытыми ( внутренние трещины и поры, структурные изменения,…);
-исправимыми и неисправимыми.
Простейшие испытания сварных швов на герметичность проводятся гидравлическими и пневматическими методами, а так же с помощью керосиновой пробы.
При гидравлических испытаниях систем отопления, водопровода создается давление в 1,5 раза превышающее рабочее давление и проводится выдержка в течении 5 минут. При наличии утечек воды или отпотевании отдельных участков производится устранение дефекта (вырубка и проварка ).
При пневматических испытаниях сосуд опускают в воду или смачивают швы мыльной пеной и создают в нем избыточное давление, а по наличию газовых пузырьков в воде (пене) судят о наличии дефектов. Эффективна проверка керосином сосудов, работающие при низких давлениях. Одну сторону шва закрашивают мелом, а вторую смачивают керосином. Появление темных керосиновых пятен на меловом покрытии говорит о наличии трещин.
Степень информативности для определения различных внутренних дефектов различными методами показана в табл. 2.7.
Таблица 2.7.
Выявляемость дефектов в % от их общего количества различными методами
С помощью рентгеновского просвечивания (рис. 2.55) выявляют трещины, поры, непровары в стальных деталях с глубиной залегания до 100 мм, а в
алюминиевых деталях-до 300 мм и в медных- до 25 мм. Рентгеновские лучи, излучаемые рентгеновской трубкой, более интенсивно проникают через дефектные места ( поры, шлаковые включения, непровары),чем через сплошной металл и сильнее засвечивают рентгеновскую пленку ( на негативе будут светлые пятна) или наблюдаются визуально на экране. Достоинства этого метода: высокая чувствительность, определение характера дефектов, их размеров и места расположения. Недостатками его являются: вредность для организма человека, сложность и громоздкость аппаратуры (имеются и портативные импульсные рентгеновские аппараты), трудоемкость и сложность работ. Из всех указанных в таблице 2.6 методов рентгеновская дефектоскопия чаще других в практике строительства трубопроводов и изготовления технологического оборудования.
Принцип гамма – лучевого просвечивания такой же как и рентгеновской дефектоскопии, только вместо рентгеновской трубки используется источник радиоактивного излучения (радий, кобальт, цезий и др.). Достоинства метода: портативность и маневренность аппаратуры, независимость от источников питания, возможность определения характера и размера дефекта. Недостатки: вредность гамма-лучей на организм человека, ограниченная чувствительность, трудоемкость и высокая стоимость работ. Глубина просвечивания портативными гамма –дефектоскопами достигает до 60… 80 мм для стальных изделий.
Ультразвуковой метод контроля основан на способности ультразвуковых колебаний распространятся в металле и отражаться от границ раздела сред. Используется два метода: теневой и отражения В основном используется второй метод (рис. 2.56),с помощью которого можно выявить дефекты с глубиной залегания до 2600 мм.
Ультразвуковой сигнал, выработанный генератором поступает пьезоизлучатель проходит через металл, отражается от нижней части детали и от дефекта. Усилитель сигналов получает первичный сигнал от генератора и сигналы, отраженные от дефекта и низа детали.
В итоге сигнал делится на три сигнала, которые представлены на экране осциллографа следующим образом:
-первичный сигнал генератора, на экране осциллографа это будет самый левый импульс;
-сигнал от дефекта, который проходит расстояние: излучатель- дефект-приемник, на что затрачивается время, этот сигнал будет на экране осциллографа сдвинут правее первичного сигнала на расстояние l1, а его форма и размеры отражают соответствующие характеристики дефекта;
— сигнал от нижней части детали, путь его прохождения максимален, поэтому он будет сдвинут еще на большее расстояние l2, т. е еще правее сигнала дефекта
На экране осциллографа мы видим:
— отсутствие или наличие дефектов;
— характеристику дефектов:форму, размеры, вид (поры, трещины, шлаковые включения);
— глубину залегания дефектов, определяемую из пропорции:
Магнитные методы контроля основаны на принципе искажения магнитного поля в местах дефектов (рис. 2.57), расположенных на поверхности детали. Магнитный порошок (измельченная железная окалина, продукты шлифования металла) в сухом виде, а чаще всего в виде масляной эмульсии,наносится на проверяемую поверхность, деталь намагничивается. На месте дефекта визуально будут видны скопления магнитного порошка.
Магнитно-графический метод контроля заключается в фиксации на магнитной ленте полей рассеивания, возникающих на дефектных участках шва при его намагничивании с последующим воспроизведением этих полей с помощью магнитно-графической аппаратуры. Можно намагничивать с помощью импульсного магнитного устройства протяженный участок шва (600…700 мм) или весь периметр сварного шва трубы.
При люминисцентной дефектоскопии готовится смесь (керосин, бензин, смазочное масло и порошок дефектоля наносится смесь на поверхность детали, смесь проникает в трещины и остается там, с поверхности детали смесь удаляется, деталь облучается ультрафиолетовыми лучами, дефект высвечивается зелено-золотистым цветом, т. к. в трещинах остается дефектоль
При цветной дефектоскопии деталь аналогично обрабатывается специальным составом краски, далее наносится на проверяемую поверхность аэрозоль белой нитроэмали, при сушке которой адсорбируется краска из трещины, над дефектом появляются соответствующие разводы яркой краски.
Для контроля сварки трубопроводов имеются передвижные лаборатории рентгеновского, гамма — и магнитнографического контроля, со сменной производительностью контроля стыков труб:
рентгеновским методом — до 12;
гамма – лучевым контролем — до 6;
магнитно-графическим методом — до 15…20.
Методы контроля с разрушением сварного соединения.
Образцы металла вырезают из проверяемой конструкции или из контрольных сварочных соединений,специально изготовленных в тех же условиях,как и основное изделие. На образцах определяют твердость, предел текучести, временное сопротивление на разрыв, относительное удлинение и другие показатели. При макроанализе определяют границы зон сварного соединения, ширину зоны термического влияния, наличие внутренних дефектов, серы и фосфора. При микроанализе изучают микроструктуру сварного шва, выявляют микропоры и микротрещины, нитридные и водородные включения.
Основой качества сварки и главным контролером должен быть исполнитель работ. Качество сварки в его руках, в его отношению к работе Квалификация сварщика, его опыт, знания, отношение, исполнительная дисциплина и другие его профессионально-личностные признаки — основные факторы обеспечения качества труда и качества сварного шва.
Имеется пять принципов обеспечения производительной и качественной работы: исполнители должны знать, что делать, уметь и успевать это делать, работа их должна оцениваться и стимулироваться. Первые три принципа обеспечивают потенциальную возможность успешной работы исполнителей, а два последних — желание качественно работать. Естественно, что желание реализуется только при условии, если в достаточной мере обеспечены первые три принципа. Администрация и инженерная служба предприятий должны в первую очередь решать вопросы повышения профессионального и исполнительского уровня, создания социально-экономических предпосылок успешной работы людей. Знания сварщиков- это знание ими материалов деталей, технологии сварки, оборудования и оснастки. А умение – это знания плюс навыки ( опыт работы). Успевать выполнять работу -это своевременно проводить подготовительные операции и в полном объеме и без ненужной спешки выполнять сварку. Известно, что как раз вследствие спешки происходят упрощения операций сварки, игнорирование некоторых элементов их, в итоге возникает брак в работе исполнителей. Принцип « торопиться не спеша» очень важен для обеспечения качественной работы.
Фактор оценки обеспечивают технически обоснованными нормами выработки и объективными методами определения качества произведенной работы. Сварщик должен знать, что его работа оценена достоверно как в количественном, так и в качественном отношении.
Стимулирование работы опирается на качественные и количественные показатели и предполагает материальную и моральную заинтересованность исполнителей в выполнению качественно и в срок сварочных работ.
Литература.
1. Барановский М.А. и др. Технология металлов и других конструкционных материалов. -Минск: Вышэйш. шк, 1973.-528 с.
2. Болдырев А.М., Орлов А.С. Сварочные работы в строительстве и основы технологии металлов: Учебник, М.: Изд-во АСВ, 1994.-432 с.
3. Кнорозов Б.В. и др. Технология металлов. –М.: Металлургия,1977.-647 с.
4. Практикум по технологии конструкционных материалов и материаловедению. Под ред.С.С. Некрасова.-М.: Колос, 1978.-236 с.
5. Прейс Г.А. и др. Технология конструкционных материалов. -К.: Вища шк.,1984.-464 с.
6. Полухин П.И. и др. Технология металлов и сварка.–М.: Высш. шк.,1977. -464 с.
7. Самохоцкий А.И., Кунявский М.Н. Лабораторные работы по металловедению и термической обработке металлов. –3-е изд.- М.: Машиностроение, 1981.-174 с.
8. Соколов И. И. Газовая сварка и резка металлов. –М.: Высш. шк., 1986.- 304 с.
9. Храмцов Н.В., Зайцев П.А. Восстановление зубчатых колес.-Тюмень: ТюменьСНИО, 1993.-133 с.
10. Храмцов Н.В., Зайцев П.А. Восстановление шестерен сельскохозяйственных машин электрошлаковой наплавкой.- Тюмень: НИИСХ Северного Зауралья, 1982.-44 с.