«В.И. Васильев, Д.П. Ильященко, Н.В. Павлов ВВЕДЕНИЕ В ОСНОВЫ СВАРКИ Рекомендовано в качестве учебного пособия Научно-методическим советом Юргинского технологического института (филиала) Томского политехнического ...»

5.4. Образование трещин и газовых пор в металле шва В процессе кристаллизации сварочной ванны в металле шва возможно образование трещин. По расположению относительно оси шва они могут быть продольными и поперечными, в зависимости от величины – микро- и макроскопическими (первые из них обнаруживаются с помощью микроскопа, а вторые – невооруженным глазом); в зависимости от температур, при которых они образуются, трещины разделяют на две группы: горячие (высокотемпературные) и холодные (низкотемпературные). Механизм их возникновения различен.

межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в процессе кристаллизации в твердо-жидком состоянии, а также при высоких температурах в твердом состоянии. Трещины, как правило, располагаются по границам кристаллитов и вызывают межкристаллическое разрушение. Объясняется это тем, что при затвердевании металла шва в процессе первичной кристаллизации между кристаллитами располагаются жидкие прослойки, имеющие небольшую температуру плавления. Если возникающие в это время в металле растягивающие внутренние напряжения (вследствие линейной усадки при охлаждении) будут достаточно велики, то по этим прослойкам произойдет разрушение с образованием трещины. Если же процесс полного затвердевания расплава заканчивается до появления больших растягивающих напряжений, то горячие трещины не образуются. Образованию горячих трещин способствует содержание в металле шва примесей – серы, фосфора и др. Так, сера образует легкоплавкий сульфид железа FeS, располагающийся при кристаллизации по границам зерен и увеличивающий вероятность образования трещин. На образовании трещин сказываются также форма и схема кристаллизации сварочной ванны. Узкие швы с глубоким проплавлением более склонны к образованию трещин, чем широкие швы с небольшим проплавлением. Для уменьшения опасности образования горячих трещин применяют следующие меры: используют сварочные материалы с минимальным содержанием серы, углерода, фосфора; повышают в металле шва содержание марганца, который связывает серу в более тугоплавкое соединение – сульфид марганца;

проводят рафинирование (очистку) расплава ванны от серы с помощью введения компонентов, содержащих кальций.

Холодные трещины в структуре металла располагаются как по границам, так и по телу зерен. Поэтому они представляют собой внутрикристаллические разрушения. Холодные трещины в сварных соединениях образуются при температурах 200–300 С. Чаще всего они образуются в швах при сварке закаливающихся сталей. На склонность металла к образованию холодных трещин оказывают влияние повышенное содержание углерода и элементов, облегчающих закалку, наличие в шве водорода, загрязнение фосфором, быстрое охлаждение и наличие в швах внутренних напряжений. С целью уменьшения склонности металла к образованию холодных трещин применяют следующие меры: используют материалы с минимальным содержанием фосфора, уменьшают насыщение сварочной ванны водородом и азотом, принимают меры для уменьшения внутренних напряжений.

Поры в сварных швах возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры представляют собой полости в швах, заполненные газом, имеющие сферическую, вытянутую или более сложные формы. Поры могут располагаться по оси шва, его сечению или вблизи границы сплавления.

Они могут быть скрытыми в металле или выходить на поверхность, располагаться цепочками, отдельными группами или одиночно, могут быть микроскопическими и крупными (до 4–6 мм в диаметре). Поры при сварке в основном возникают за счет газов водорода, азота и оксида углерода, образующихся в результате химических реакций с выделением газовых продуктов, выделения газов в связи с разной растворимостью их в жидком и твердом металле, захватом газа из окружающей среды при кристаллизации сварочной ванны.

подготовка поверхности основного и присадочного металлов под сварку (очистка от ржавчины, масла, влаги, прокалка и т.д.), надежная защита зоны сварки от воздуха, введение в сварочную ванну элементов-раскислителей (из основного металла, сварочной проволоки, покрытия, флюса), стабильное соблюдение режимов сварки.

Сварное соединение (рис. 5.4) при сварке плавлением включает в себя сварной шов 1, образовавшийся в результате кристаллизации сварочной ванны, зону сплавления 2 и зону термического влияния 3, представляющую часть основного металла, непосредственно примыкающую к сварному шву и подвергающуюся тепловому воздействию при сварке, вызывающему изменение структуры и свойств.

Рис. 5.4. Схема строения сварного соединения: 1 – сварной шов; 2 – зона сплавления; 3 – зона термического влияния.

Металл в любой зоне сварного соединения испытывает нагрев и охлаждение. Изменение температуры металла во времени называют термическим циклом сварки. Максимальная температура нагрева в разных участках соединения различна. Сварной шов образуется в результате расплавления основного и электродного металлов, а потому после затвердевания он имеет структуру литого металла с вытянутыми столбчатыми кристаллитами. В зоне термического влияния изменение нагрева происходит от температуры плавления на границе со швом до комнатной температуры. При этом в металле могут происходить различные структурные и фазовые превращения, приводящие к появлению участков металла, различающихся по структуре.

При сварке низкоуглеродистых сталей в ней отмечают участки (рис. 5.5) неполного расплавления, перегрева, нормализации, неполной перекристаллизации, рекристаллизации и синеломкости.

Рис. 5.5. Структура металла в зоне термического влияния при сварке низкоуглеродистой стали Участок неполного расплавления примыкает непосредственно к сварному шву и является переходным от литого металла шва к основному. На этом участке происходит образование соединения и проходит граница сплавления. Он представляет собой узкую область (0,1–0,4 мм) основного металла, нагревавшегося до частичного оплавления зерен. Участок перегрева – область основного металла, нагреваемого до температур 1100–1450 С, в связи с чем металл его отличается крупнозернистой структурой и пониженными механическими свойствами и тем заметнее, чем крупнее зерно и шире зона перегрева. Участок нормализации (перекристаллизации) охватывает область основного металла, нагреваемого до температуры 900–1100 С. Металл этого участка обладает высокими механическими свойствами, так как при нагреве и охлаждении на этом участке образуется мелкозернистая структура в результате перекристаллизации без перегрева.

Участок неполной перекристаллизации нагревается в пределах температур 725–900 °С. В связи с неполной перекристаллизацией, вызванной недостаточным временем и температурой нагрева, структура металла состоит из смеси мелких перекристаллизовавшихся зерен и крупных зерен, которые не успели перекристаллизоваться. Свойства его более низкие, чем у металла предыдущего участка.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке сталей, подвергавшихся холодной деформации (прокатке, ковке, штамповке).

При нагреве до температуры 450–725 С в этой области основного металла развивается процесс рекристаллизации, приводящий к росту зерна, огрублению структуры, к разупрочнению металла.

Участок, нагреваемый в области температур 200–450 С, является переходным от зоны термического влияния к основному металлу. В этой области могут протекать процессы старения металла в связи с выпадением карбидов и нитридов железа. Понижается пластичность и вязкость металла. По структуре этот участок практически не отличается от основного металла. Таким образом, сварное соединение характеризуется неоднородностью свойств. Ширина околошовной зоны зависит от толщины металла, вида и режима сварки. Например, при ручной дуговой сварке она составляет обычно 5–6 мм.

ВОПРОСЫ

Что понимают под термином «металлургические процессы при сварке»?

Какие особенности протекания металлургические процессов при сварке можно отметить?

Какие физико-химические процессы наблюдаются при сварке и их реакции?

В чем заключаются процессы окисления и раскисления при сварке? Их влияние на свойства металла швов.

Назовите особенности кристаллизации металла сварочной ванны.

Какие неблагоприятные последствия окисления металла при сварке?

Назовите основные раскислители, применяемые в сварочных ваннах.

Почему могут образовываться трещины и поры в металле шва?

В чем вред примесей серы и фосфора при сварке сталей?

Глава 6. Напряжения и деформации при сварке 6.1. Понятия о напряжениях и деформациях Любое силовое воздействие на тело сопровождается возникновением в нем напряжений и развитием деформаций.

Напряжением называют силу, отнесенную к единице площади сечения тела:

где а – напряжение, МПа; Р – действующее усилие, Н; F – площадь поперечного сечения детали, м2.

В зависимости от характера приложенных сил различают напряжения растяжения, сжатия, изгиба, кручения и среза.

Деформацией называют изменение размеров или формы тела под действием приложенных к нему сил. Деформации могут быть упругими и пластическими. Если размеры и форма тела восстанавливаются после прекращения силового воздействия, то такая деформация является упругой. Деформацию, остающуюся после снятия нагрузки, называют пластической или остаточной.

Помимо напряжений и деформаций, возникающих в деталях под действием приложенных нагрузок, в них могут быть так называемые собственные напряжения и деформации существующие в телах при отсутствии внешних сил. К ним относятся и сварочные напряжения и деформации, наблюдаемые в свариваемых деталях. В зависимости от продолжительности существования их разделяют на временные, существующие в период выполнения сварки, и на остаточные, устойчиво сохраняющиеся в течение длительного времени после сварки.

В зависимости от характера и объемов распределения напряжения различают одноосные (линейные), двуосные (плоскостные) и трехосные (объемные), а также напряжения I рода (в макрообъемах тела), II рода (в пределах кристаллических зерен металла) и III рода (в пределах кристаллической решетки).

Сварочные деформации обычно характеризуют прогибами элементов, углами поворота, укорочениями, величинами выхода точек тела из плоскости равновесия и др. (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Виды перемещений при деформации сварных конструкций:

а – прогиб; б – угол поворота ; в – укорочение ; г – выход из плоскости равновесия W Деформации, приводящие к изменению размеров всего изделия, искривлению его геометрических осей, называют общими. А деформации, относящиеся к отдельным участкам его, называют местными.

6.2. Причины возникновения напряжений и деформаций при Основными причинами возникновения собственных напряжений и деформаций в сварных соединениях и конструкциях являются неравномерное нагревание металла при сварке, литейная усадка, структурные и фазовые превращения в затвердевающем металле при охлаждении.

Неравномерное нагревание металла. Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Процессы сварки плавлением характеризуются местным нагревом металла с образованием неравномерного температурного поля в сварном соединении. При наличии непрерывной связи между нагретыми и холодными участками металла свариваемой детали в нем возникают сжимающие и растягивающие внутренние напряжения. Механизм образования их рассмотрим на примерах. Представим себе металлический стержень, свободно лежащий на сварочном столе. При местном нагреве в центральной части его длина L увеличится на L (рис. 6.2, а). Это будет зависеть от коэффициента линейного расширения данного металла, длины нагретой зоны и температуры ее нагрева. В процессе охлаждения удлинение будет уменьшаться и при достижении начальной температуры станет равным нулю. После полного охлаждения стержень восстанавливает первоначальные размеры и в нем не будет ни внутренних напряжений, ни остаточных деформаций.

При местном нагреве того же стержня, жестко закрепленного с обоих концов (рис. 6.2, б), возможность свободного удлинения его исключается. Поэтому в нем возникают сжимающие внутренние напряжения, при определенных значениях которых произойдет пластическая деформация сжатия и на длине L1 (нагретой зоны) он станет толще. При этом напряжения частично исчезнут. При последующем охлаждении стержень должен бы укоротиться, но этому препятствует жесткое закрепление его, в результате чего в нем возникают растягивающие напряжения.

Рис. 6.2. Местный нагрев стержня: а – незакрепленного; б – с жестким закреплением Аналогичным образом возникают внутренние напряжения и деформации при наплавке валика на кромку металлической пластины (рис. 6.3, а).

Рис. 6.3. напряжения и деформации при наплавке валика на кромку полосы Наплавленный валик и нагретая часть пластины будут расширяться и растягивать холодную часть, вызывая в ней деформацию растяжения с изгибом. Сам же валик и нагретая часть пластины будут сжаты, поскольку их тепловому расширению препятствует ее холодная часть. Характер распределения напряжений показан на рисунке 6.3, б.

Растягивающие напряжения принято обозначать знаком «+», а сжимающие – знаком «–». В результате такого распределения напряжений пластина прогнется выпуклостью вверх. В процессе остывания наплавленный валик и нагретая часть полосы, претерпев пластическую деформацию, будут укорачиваться. Этому укорочению вновь будут препятствовать слои холодной части металла пластины.

Теперь уже наплавленный металл и нагревшаяся часть пластины будут стягивать участки холодного металла. Они сожмутся, и пластина прогнется выпуклостью вниз (рис. 6.3, в), а остаточные напряжения в ней распределятся, как показано на рисунке 6.3, г. В реальных условиях изменение температуры от нагретой к холодной зоне пластины происходит постепенно, поэтому таким же образом происходит и распределение напряжений.

Литейная усадка наплавленного металла. При охлаждении и затвердевании жидкого металла сварочной ванны происходит его усадка. Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании увеличивается плотность металла, в результате чего объем его уменьшается. Поскольку металл шва неразрывно связан с основным металлом, остающимся в неизменном объеме и противодействующим этой усадке, в сварном соединении возникают внутренние напряжения.

При сварке происходит продольная и поперечная усадка расплавленного металла, в результате чего в шве образуются продольные и поперечные внутренние напряжения, вызывающие деформации сварных соединений. За счет продольной усадки возникает деформация изделий в продольном направлении относительно оси шва, а поперечная, как правило, вызывает угловые деформации в сварном соединении.

Напряжения от структурных превращений в металле. Наряду с термическими напряжениями при сварке могут возникнуть напряжения, обусловленные превращениями и изменениями структуры основного металла, нагревшегося выше критических температур. При сварке изделий из углеродистых и высоколегированных сталей особенно легко могут возникнуть напряжения при образовании мартенсита, обладающего наибольшим удельным объемом. При сварке низкоуглеродистой стали в интервале критических температур АС1 и АС3, в связи с тем что коэффициент линейного расширения для -железа составляет 1,210-5, а для -железа – 210-5, наблюдается уменьшение объема при нагревании от АС1 до АС3. При охлаждении распад аустенита происходит в интервале АС2–АС1 когда сталь пластична и изменение объема происходит без образования напряжений. Иная картина наблюдается у легированных сталей, склонных к закалке. Распад аустенита в них происходит при более низких температурах (200–300 С), когда металл обладает высокой прочностью и меньшей пластичностью. Такое превращение сопровождается возникновением структурных напряжений. Растягивающие напряжения от структурных превращений вызывают дополнительное увеличение деформаций, которые в межпластичных сплавах могут привести к образованию трещин. Поэтому сварочные напряжения в закаливающихся сталях более опасны. Для сварки таких материалов необходимо разрабатывать более сложный технологический процесс.

- рациональное конструирование сварных изделий: в процессе конструирования необходимо ограничивать количество наплавленного металла уменьшением угла скоса кромок или уменьшения катетов швов, не допускать пересечения большого количества швов, не располагать сварные швы там, где действуют максимальные напряжения от внешних нагрузок, размещать их симметрично, применять, преимущественно стыковые швы и т.п.;

- правильная сборки деталей с учетом возможных деформаций:

заранее предугадать характер возможных напряжений и деформаций и произвести предварительный выгиб свариваемых деталей в противоположную сторону. При сборке следует избегать прихваток, которые создают жесткое закрепление деталей и способствуют возникновению значительных остаточных напряжений, Лучше применять сборочные приспособления, допускающие некоторое перемещение деталей при усадке металла.

В процессе сварки:

- рациональная последовательность наложения сварных швов:

конструкции следует сваривать так, чтобы замыкающие швы, создающие жесткий контур, заваривались в последнюю очередь. Сварку нужно вести от середины конструкции к ее краям, как бы сгоняя при этом внутренние напряжения наружу. Каждый последующий шов при многослойной сварке рекомендуется накладывать в направлении, обратном наложению предыдущего шва;

последовательность выполнения швов, при которой последующий шов должен вызывать деформации обратного направления по сравнению с деформациями от предыдущего шва;

- жесткое закрепление деталей при сварке: детали закрепляют в сборочно-сварочых приспособлениях, обладающих значительной жесткостью.

После сварки:

- механическая правка: при помощи молотов, домкратов, винтовых прессов ли других устройств создается ударная или статическая нагрузка, которая обычно прилагается со стороны наибольшего выгиба изделия;

- термическая правка: местный нагрев небольших участков металла деформированной конструкции. Нагрев, как правило, производят сварочными горелками большой мощности. Он ведется быстро и только до пластического состояния верхних волокон на выпуклой стороне изделия. При охлаждении нагретых участков последние сжимаются и выпрямляют изделие;

- термомеханическая правка: Данный способ состоит в сочетании местного нагрева с приложением статической нагрузки, изгибающей исправляемый элемент конструкции в нужном направлении. Такой способ обычно применяется для правки жестких сварных узлов.

ВОПРОСЫ

«деформация»?

Каков механизм образования напряжений и деформаций в процессе сварки?

Какие основные параметры режима влияют на величину сварочных напряжений?

Как классифицируют напряжения и деформации в процессе сварки?

Каким образом снижают деформации в процессе сварки?

Какими способами устраняют напряжения и деформации конструкций после сварки?

Каким образом можно уменьшить деформации за счет изменения условий сварки?

Как влияет погонная энергия на величину деформации?

Как предварительный подогрев влияет на образование напряжений и деформации?

10. Какие виды термической обработки существуют для снятия напряжений в изделии?

Глава 7. Определение свариваемости 7.1. Определение свариваемости и ее виды В настоящее время сварка как технологический процесс образования неразъемного соединения деталей находит применение для соединения не только металлов, но и ряда неметаллов (пластмасс, керамики стекла и т.д.), а также разнородных материалов (металл не металлом). Конечной задачей сварки является обеспечение таких связей между соединяемыми деталями, которые удовлетворяли бы требованиям эксплуатации изделия. Возможность получения указанных связей характеризуется свариваемостью. Это понятие охватывает собой совокупность свойств материалов, обеспечивающих образование соединения без применения специальных крепежных деталей (заклепок и др.).

Вопрос о свариваемости возник с появлением самого способа соединения деталей сваркой и его решению посвящено много работ, в которых дается определение понятию свариваемости, разрабатываются конкретные приемы сварки и т.д. Под свариваемостью понимают свойство твердых тел образовывать при определенном виде сварки неразъемное соединение, способное противостоять соразмерно с основным материалом заданному напряженному состоянию или химическому воздействию окружающей среды. Свариваемость следует рассматривать с двух точек зрения: физической и технологической.

Под физической (принципиальной) свариваемостью понимают способность данного материала (или разнородных материалов) давать неразъемное соединение путем установления внутренних связей между частицами (атомами, молекулами) соединяемых материалов вне зависимости от способа или технологии сварки, т.е. принципиальную возможность получения сварного соединения.

Под технологической свариваемостью понимают способность данного материала (или разнородных материалов) давать при выбранной технологии сварки неразъемное соединение, удовлетворяющее определенным требованиям. Свариваемость данного материала при различных способах сварки может быть различной.

Технологическая свариваемость металлов и их сплавов зависит от многих факторов – химической активности металлов, степени легирования, структуры и содержания примесей. Чем химически более активен металл, тем больше его склонность к взаимодействию с окружающей средой, в первую очередь к окислению, тем выше в этом случае должны быть качество защиты и возможность металлургической обработки при сварке. К наиболее активным металлам относят титан, цирконий, ниобий, тантал, молибден. При их сварке необходимо защищать от взаимодействия с воздухом не только расплавленный металл, но и прилегающий к сварочной ванне основной металл и остывающий шов с наружной и обратной стороны. Наилучшее качество защиты обеспечивают высокий вакуум и инертный газ высокой частоты. Высокой химической активностью при сварке отличаются и другие цветные металлы: алюминий, магний, медь, никель и сплавы на их основе. Качество защиты обеспечивается инертными газами, а также специальными электродными покрытиями и флюсами.

При сварке сталей и сплавов на основе железа от взаимодействия с воздухом расплавленный металл защищают покрытиями, флюсами и защитными газами.

Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод.

С увеличением содержания углерода, а также ряда других легирующих элементов свариваемость сталей ухудшается. Для сварных конструкций в основном применяют конструкционные низкоуглеродистые, низколегированные, а также легированные стали. Главными трудностями при сварке этих деталей является склонность к горячим трещинам, чувствительность к закаливаемости и образованию холодных трещин обеспечение равнопрочности сварных соединений. Чем выше трещинообразования, труднее обеспечить равномерность свойств сварного соединения. Ориентировочным количественным показателем свариваемости стали известного химического состава, является эквивалентное содержание углерода, которое определяется по формуле:

Где содержание углерода и легирующих элементов берется в процентах. В зависимости от эквивалентного содержания электрода и связанной с этим склонности и закалке и образованию трещин стали по свариваемости делят на четыре группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающие стали (табл. 7.1).

Стали первой группы имеют СЭ0,25%, хорошо свариваются без образования закалочных структур и трещин в широком диапазоне режимов, толщин и конструкционных форм. Удовлетворительно сваривающиеся стали (СЭ=0,25…0,35%) мало склонны к образованию холодных трещин при правильном выборе режимов сварки, в ряде случаев требуется подогрев. Ограниченно сваривающиеся стали (СЭ=0,36…0,45%) склонны к трещинообразованию, возможность регулирования сопротивляемости образованию трещин изменением режимов сварки ограничена, требуется подогрев. Плохо сваривающиеся стали (СЭ>0,45%) весьма склонны к закалке и трещинам, требуют при сварке подогрева, специальных технологических приемов сварки и термообработки.

Классификация сталей по свариваемости Удовлетворительная Ст5, сталь 30,35 12ХН2, 14Х2МР, 20ХН, Плохая Сталь 65,70,80, У7, У8, У9, У10 50Г, 8Х3, 45ХН3МФА, 5ХНТ Появление новых методов сварки расширяет перечень материалов, обладающих удовлетворительной или даже хорошей свариваемостью. В настоящее время практически нет ни одного металла или сплава, получившего применение в производстве, который не удалось бы сварить тем или иным способом. Очень ценным свойством материала является хорошая свариваемость несколькими различными видами сварки. К таким материалам относятся: низкоуглеродистая сталь, технически чистый алюминий и другие. Отрицательное влияние на свариваемость могут оказать следующие явления:

Образование кристаллизационных (горячих) и закалочных (холодных) трещин;

Образование хрупких участков в металле шва и зоне термического влияния (структура закалки, выделение карбидов, ликвация, образование интерметаллических соединений и т.п.);

Окисление металла шва и другие процессы.

Для предупреждения или ослабления влияния этих явлений требуется применение специальных технологических мер (приемов), например, сварка с предварительным подогревом или последующей термообработкой, сварка с определенным порядком наложения швов и т.п. Поэтому иногда о технологической свариваемости судят по сложности технологических приемов, которые используют для получения удовлетворительных свойств сварных соединений. Причем, чем сложнее технологические приемы, тем худшей технологической свариваемостью обладает материал.

Хотя физико-химические процессы в зоне сварки могут протекать по-разному при различных способах сварки, в любом случае образования неразъемного соединения необходимо либо установить непосредственную связь между поверхностными атомами (молекулами) свариваемых деталей, либо соединить их промежуточной связью.

Именно поэтому в зону сварки вводят энергию и вещество одновременно.

ВОПРОСЫ

Что понимают под свариваемостью металлов?

Каковы способы оценки свариваемости металлов?

В чем различие между физической и технологической свариваемостью?

Как разделяют стали по свариваемости?

Как определить свариваемость по эквиваленту углерода?

Почему и как углерод влияет на свариваемость стали?

Какие условия могут повысить свариваемость углеродистой стали?

8.1. Присадочные материалы для сварки возможность протекания сварочных процессов и получение качественных сварных соединений. К ним относят присадочные металлы, покрытые электроды, флюсы, защитные газы и некоторые другие.

Подавляющее большинство швов при сварке выполняют с применением присадочных материалов. Роль их заключается не только в получении необходимой геометрии шва, но и в обеспечении высоких эксплуатационных характеристик при минимальной склонности к образованию дефектов. В большинстве случаев состав присадочного металла мало отличается от химического состава свариваемого металла.

Присадочные металлы разрабатывают применительно к конкретным группам свариваемых металлов и сплавов или даже к их отдельным маркам. При этом учитывают и методы сварки, определяющие потери отдельных элементов. Присадочный металл должен быть более чистым по примесям, содержать меньшие количества газов и шлаковых включений. Присадочные металлы используют в виде металлической проволоки сплошного сечения или порошковой проволоки (с порошковым сердечником). Применяют также прутки, пластины, ленты.

К сварочной проволоке предъявляют высокие требования по состоянию поверхности, предельным отклонениям по диаметру, овальности и другим показателям.

Высокое качество сварочной проволоки и других присадочных металлов сохраняется при тщательной упаковке и консервации, а также правильным хранением и транспортировкой. Наиболее часто сварочную проволоку поставляют в виде мотков, покрытых консервирующей смазкой. Поверхность мотка обертывают влагонепроницаемой бумагой, полимерной пленкой и т.п. Каждая партия проволоки должна снабжаться сертификатом завода–изготовителя, где указываются, марка проволоки, ее химический состав, номер плавки и другие сведения.

Присадочные материалы перед сваркой должны проходить тщательную очистку поверхности. Наличие следов смазки или других загрязнений не допускается. В большинстве случаев требуется и очистка от оксидов.

Для удаления жировых загрязнений применяют обезжиривание.

электрохимическим полированием. Для сварки необходимо применять преимущественно присадочные материалы, выпускаемые по специализированным стандартам или техническим условиям.

Промышленность выпускает присадочные материалы для сварки сталей, чугуна, алюминия, меди, титана и их сплавов.

Присадочные металлы для сварки и наплавки сталей.

Холоднотянутую стальную сварочную проволоку сплошного сечения выпускают по ГОСТ 2246-70, который предусматривает 77 марок разного низкоуглеродистые, легированные с содержанием легирующих элементов 2,5–10%, высоколегированные с содержанием легирующих элементов более 10%. Химический состав некоторых проволок приведен в таблице 8.1. Условные обозначения марок сварочной проволоки состоят из индекса С (сварочная) и следующих за ним цифр и букв. Цифры после индекса обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Последующие буквы указывают на содержание в проволоке легирующих элементов, обозначаемых: алюминий – Ю, азот – А (только в высоколегированных сталях), бор – Р, ванадий – Ф, вольфрам – В, кремний – С, кобальт – К, марганец – Г, медь – Д, молибден – М, никель – Н, ниобий – Б, титан – Т, хром – X, цирконий – Ц. Цифры после букв указывают среднее содержание элемента в процентах (отсутствие цифры означает содержание данного элемента менее 1%). Буква А в конце обозначений низкоуглеродистых и легированных проволок указывает на повышенную чистоту металла по содержанию серы и фосфора. В проволоке Св-08АА сдвоенная А указывает на пониженное содержание серы и фосфора по сравнению с проволокой Св-08А.

Проволоку различают также по назначению: для сварки (наплавки) и для изготовления электродов (условное обозначение – Э).

Низкоуглеродистую и легированную проволоку выпускают неомедненной и омедненной (условное обозначение – О) для предохранения ее поверхности от коррозии.

Пример условного обозначения сварочной проволоки диаметром 3 мм, марки Св-08А с омедненной поверхностью – проволока 3Св-08А-0 ГОСТ 2246-70.

Стальную сварочную проволоку по ГОСТ 2246-70 выпускают следующих диаметров (мм): 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0;

4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0 и 12, 0. Проволока поставляется свернутой в мотки с внутренним диаметром 150–750 мм, массой от 1,5 до 40 кг, а также намотанной на катушки и кассеты (для автоматической и механизированной сварки).

Стальная наплавочная проволока по ГОСТ 10543-75 изготовляется диаметром от 0,3 до 8,0 мм: из углеродистой стали – 9 марок (Нп-25, Нп-30 и т.д.), из легированной стали – 11 марок (Нп-10Г, Нп-50Г, Нп-З0ХГСА и др.), из высоколегированной стали – 11 марок (Нп-2014, Нп-З0Х10Г10Т и др.).

Проволока используется для наплавки под флюсом, в защитных газах, при электрошлаковой наплавке и для изготовления покрытых электродов. Марку проволоки выбирают в зависимости от назначения и требуемой твердости металла наплавленного слоя. Используемая для наплавки обрезная холоднокатаная лента в большинстве случаев имеет толщину от 0,4 до 1,0 мм при ширине от 20 до 100 мм. Ленту поставляют в рулонах.

Порошковая проволока представляет собой трубчатую (часто со сложным внутренним сечением) проволоку, заполненную порошкообразным наполнителем – шихтой. Оболочку порошковой проволоки изготовляют из стальной (чаще низкоуглеродистой) ленты толщиной 0,2–0,5 мм. Наполнитель представляет собой смесь порошков из газо- и шлакообразующих компонентов, а также легирующих компонентов, обеспечивающих защиту зоны сварки и требуемые свойства сварного шва. Наиболее широко используют порошковую проволоку диаметром от 2,6 до 3,0 мм. В зависимости от состава шихты порошковую проволоку можно использовать для механизированной сварки сталей и чугуна как без защиты, так и с дополнительной защитой (флюсом, защитным газом) от воздуха. Для сварки углеродистых и легированных сталей применяют порошковые проволоки: ПП-АН1, ПП-АНЗ, ПП-АН6 и т.д. – при сварке открытой дугой; ПП-АН4, ПП-АН5, ПП-АН8, ПП-АН9 – при сварке в углекислом газе.

Преимуществом порошковой проволоки является возможность за счет наполнителя в широких пределах регулировать химический состав шва, что используется при наплавке. Ими можно наплавлять изделия под флюсом, в защитных газах и открытой дугой. Разработаны порошковые проволоки: ПП-АН120, ПП-АН121, ПП-АН122 – для наплавки под флюсом деталей машин из углеродистых сталей; ПП-АН105 – для наплавки высокомарганцовистых сталей; ПП-АН170 – для наплавки высокохромистых сталей; порошковые ленты ПЛ-АН101, ПЛ-АН102 и др. Спеченную ленту толщиной 0,8–1,2 мм и шириной 30–80 мм на железной основе изготовляют методом порошковой металлургии из смеси металлических порошков, ферросплавов, графита и других материалов. При дуговой наплавке порошковыми проволоками и лентами применяют меньшие плотности тока по сравнению с электродами сплошного сечения, что обеспечивает меньшую глубину проплавления и меньшую степень разбавления наплавленного металла основным металлом.

Для наплавки используют порошки (ГОСТ 21448-75).

Изготовляют их путем распыления жидкого металла. Форма частиц может быть сферической или осколочной. Основными компонентами порошков являются углерод, хром, кремний, марганец, никель, вольфрам, молибден, бор. Для наплавки и напыления также применяют порошки соединений карбидов, нитридов, оксидов.

Сварочная проволока из алюминия и алюминиевых сплавов.

Размерный ряд диаметров проволоки укладывается в пределах 0,8–12,5 мм. Допустимые отклонения по диаметру и овальности проволок регламентированы. Стандартизованы 14 марок проволоки. Их можно разделить на пять групп: из алюминия – Св-А97, Св-А85Т и др.;

из сплавов системы Al – Mn – Св-АМц; из сплавов системы Аl – Мr – Св-АМгЗ, Св-АМг6 и др.; из сплавов системы Аl – Si – Св-АК5, Св-АК10; из сплавов системы Аl – Сu – Св-1201.

Обозначение марок сварочной проволоки принято по аналогии с соответствующими марками алюминиевых сплавов.

Сварочные проволока и прутки из меди и ее сплавов.

Отечественная промышленность выпускает проволоку диаметром 0,8–8 мм и прутки диаметром 6 и 8 мм. Изготовляют проволоку следующих марок: медь и медные сплавы (M1, MCp1, МНЖ5-1, МНЖКТ5-1-0,2-0,2), бронзы хромистые – БрХ0,7 и более сложного состава – БрХНТ, БрЕЦр, БрКМц3-1, БрОЦ4-3, БрАМц9-2, БрОФ-0,15, БрАЖМц10-3-1,5, латуни – Л63, ЛК62-0,5 и др. Условное обозначение марок проволоки принято аналогично маркам меди и ее сплавов.

Проволока для сварки титана и его сплавов. Проволока не стандартизована. Применяют сварочную проволоку, выпускаемую по ведомственным техническим условиям из технического титана ВТ1-0, ВТ1-1, сплава ВТ2 и реже из других сплавов.

Химический состав (%) некоторых марок стальной сварочной Проволока Углерод Кремний Марганец Хром Никель Сера Фосфор Св- Легированная:

Св-08ГС Св-12Х СвХ16Н25АМ Для ручной дуговой сварки сталей широко применяются плавящиеся металлические электроды в виде стержней длиной до 450 мм из сварочной проволоки с нанесенным на них слоем покрытия 2.

Один из концов электрода 1 на длине 20…30 мм освобожден от покрытия для зажатия его в электрододержателе с целью обеспечения электрического контакта. Торец 3 другого конца очищен от покрытия для возможности возбуждения дуги посредством касания изделия в начале процесса сварки.

Рис. 8.1. Покрытый электрод: 1 – металлический стержень; 2 – слой покрытия; 3 – торец электрода В покрытие электрода входят следующие компоненты:

- газообразующие – неорганические вещества (мрамор СаСО3, магнезит МrСО3) и органические вещества (крахмал, декстрин);

- ионизующие или стабилизирующие – различные соединения, в состав которых входят калий, натрий, кальций (мел, полевой шпат, гранит и др.);

- шлакообразующие, составляющие основу покрытия, – обычно руды (марганцевая, титановая), минералы (ильменитовый и рутиловый концентраты, полевой шпат, кремнезем, гранит, плавиковый шпат и др.);

- легирующие элементы и элементы раскислители – кремний, марганец, титан и др., используемые в виде сплавов этих элементов с железом, так называемые ферросплавы;

- связующие компоненты – водные растворы силикатов натрия и калия, называемые жидким стеклом.

Для повышения производительности сварки в покрытия добавляют железный порошок до 60% массы покрытия.

Металлические электроды для дуговой сварки сталей изготовляют в соответствии с ГОСТ 9466-75, предусматривающим следующую классификацию:

конструкционных сталей с В < 600МПа – У;

для сварки легированных конструкционных сталей с В > 600МПа – Л;

для теплоустойчивых сталей – Т;

для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами – По виду покрытия – с кислым покрытием (А), основным (Б), целлюлозным (Ц), рутиловым (Р) и смешанного типа.

Кислые покрытия (электроды АНО-2, СМ-5 и др.) состоят в основном из оксидов железа и марганца (руды), кремнезема, ферромарганца. Они технологичны, однако наличие оксидов Mn делает их токсичными.

Рутиловые покрытия (электроды АНО-3, АНО-4, ОЗС-03, ОЗС-4, ОЗС-6, MP-3, MP-4 и др.) имеют в своем составе преобладающее количество рутила ТiO2, Такие покрытия менее вредны для дыхательных органов сварщика, чем другие.

Целлюлозные покрытия (электроды ВСЦ-1, ВСЦ-2, ОЗЦ-1 и др.) состоят из целлюлозы, органической смолы, ферросплавов, талька и др.

Эти покрытия удобны для сварки в любом положении в пространстве, но дают наплавленный металл пониженной пластичности.

Основные покрытия (электроды УОНИ-13/45, ОЗС-2, ДСК-50 и др.) не содержат оксидов железа и марганца. Металл шва, выполненный такими электродами, обладает большой пластичностью. Характеристики некоторых электродов приведены в таблице 8.2.

По толщине покрытия в зависимости от отношения диаметра электрода D к диаметру стального стержня d различают:

с тонким покрытием (D/d1,2) присвоен индекс М;

со среднем покрытием (1, Св. Стыки технологических трубопроводов, работающих под высоким давлением (до 9,81 МПа), также требуется подогревать при сварке покрытыми электродами и даже прихватке их в условиях отрицательных температур окружающего воздуха (< 0 С). Отраслевым стандартом ММСС установлены отрицательные температуры, при которых требуется подогрев для трубопроводов из стали различных марок и толщин. Трубопроводы из низкоуглеродистой, марганцовистой и кермнемарганцовистых сталей при толщине стенки до 16 мм можно сваривать без подогрева при температуре от 0 до 35 С, а при толщине стенки более 16 мм и той же низкой температуре требуется предварительный подогрев до 100–150 С. Установлены температуры подогрева при сварке в условиях низких температур стыков из низколегированных, легированных и высоколегированных сталей.

При ручной аргонодуговой сварке трубопроводов в условиях низких температур должны выполняться такие же требования предварительного подогрева, как при сварке покрытыми электродами.

Некоторые металлы, например алюминий, медь и др., а также хромоникелевые аустенитные стали типа 08Х18Н10Т хорошо работают при самых низких отрицательных температурах, так как критический температурный интервал хрупкости у них практически отсутствует, или чрезвычайно низок. Эти металлы могут свариваться при низких температурах без подогрева.

гидротехнических сооружений, подводной части портовых нефтепромысловых, трубопроводных, судовых и других специальных конструкций. Подводную сварку выполняют двумя способами:

непосредственным плавлением в воде электродного и основного металла с образованием сварного соединения;

сваркой под водой в специальных камерах без контакта сварного соединения с водой.

При первом способе работу выполняют обученные методам подводной сварки водолазы, а при втором – сварщики, обученные методам работы в кессоне, под давлением воздуха или кислородногелиевой дыхательной смеси.

Первый способ наиболее простой, дешевый и не требует специально подготовленных камер с соответствующим оборудованием.

Подводная сварка по этому способу основана на способности дуги устойчиво гореть в газовом пузыре, образующемся в воде за счет ее испарения и разложения теплом дуги, а также за счет паров и газов, выделяющихся при расплавлении металла и покрытия электродов.

Непрерывное выделение газов и мельчайших частиц при горении дуги повышает давление газового пузыря, который выделяет много пузырьков газа (рис. 19.2), периодически отделяется и вновь немедленно образуется. Продукты сгорания металла и обмазки образуют облако бурого раствора, которое затрудняет видимость.

Процесс сварки под водой затруднен вследствие давления и течения воды, плохой видимости, стесненности движений сварщика-водолаза, облаченного в специальный костюм.

Рис. 19.2. Сварка под водой: 1 – газовый пузырь окружающий дугу; 2 – изделие; 3 – электрод Для подводной сварки применяют электроды с увеличенной толщиной покрытия DЭ / dст >1,8. Водонепроницаемость обеспечивается нанесением на поверхность покрытых электродов нитролака, раствора целлулоида в ацетоне, парафина или других изолирующих материалов.

Для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей применяют электроды марки ЭПС-52 УОНИИ-13/45П, ЭПС-5 и др. диаметром 4–6 мм с покрытиями, содержащими значительный процент ферросплавов, а также ионизирующие и шлакообразующие компоненты. Ферросплавы необходимы для раскисления расплавленного металла и его легирования, так как дуга разлагает воду на водород и кислород, который окисляет железо, углерод, марганец и другие элементы, содержащиеся в основном и электродном металле.

Несмотря на защиту, в металле шва, выполненного покрытыми электродами, снижается содержание углерода, марганца и др., а содержание водорода резко растет. Вследствие этого, а также интенсивного охлаждения сварного соединения окружающей водой пластичность и вязкость шва невысокие, 5=4–6%, KCU=10–25Дж/см2, угол загиба 25–35, временное сопротивление до 400–550 МПа.

Сварку выполняют опиранием в нижнем и вертикальном положениях, при этом предпочтительно сваривать угловые (тавровые и нахлесточные) швы, которые в условиях плохой видимости обеспечивают опирание электрода и могут достаточно хорошо формироваться. Ток применяют постоянный прямой полярности, увеличенный на 15–20% по сравнению со сваркой на воздухе. С увеличением глубины дуга горит устойчиво, но ток и напряжение растут. Для подводной сварки применяют источники питания, имеющие высокое напряжение холостого хода и одновременно обеспечивающие безопасность сварщика. Этим требованиям отвечают агрегаты ПАС-400-IV, ПАС-400-VIII и др., имеющие ограничители напряжения холостого хода до величины, безопасной для сварщика. Применяемые для подводной сварки электрододержатели, электрические кабели (прямой и обратный) должны иметь надежную изоляцию.

При сварке в специальных кессонах или камерах ввиду отсутствия контакта сварного соединения с водой качество швов не отличается от швов, выполненных на воздухе.

ВОПРОСЫ

Что называется критической температурой хрупкости?

При работе в условиях Крайнего Севера какую сталь можно применять?

Для сварки на холоде какие электроды можно применять?

Нужен ли подогрев при сварке стыка из стали 15ХСНД толщиной 20 мм, если температура воздуха -5 С?

Глава 20. Технологическая подготовка, механизация и автоматизация сварочного производства 20.1. Технологичность сварных конструкций и ее отработка Технические преимущества сварных конструкций по сравнению с конструкциями, изготовленными с использованием других методов получения неразъемных соединений, обеспечили им широкое распространение в различных отраслях машиностроения. Однако они обладают и рядом отрицательных особенностей, которые необходимо учитывать как при проектировании, так и при производстве. Надо отметить существенное воздействие технологии обработки на исходные свойства материала, наличие в них напряженного состояния и деформаций, связанных со сваркой, неоднородность свойств материала в зоне сварных соединений и др. Эти особенности оказывают существенное влияние на характер распределения напряжений в сварных конструкциях в зависимости от прикладываемых нагружений и сопротивляемость их эксплуатационным воздействиям, в конечном счете влияя на надежность и долговечность изделий.

В настоящее время при конструировании изделий все больше внимания уделяют вопросам технологичности. Начиная со стадии эскизного проектирования и изготовления опытных образцов, изделия подвергают тщательной технологической отработке. При решении вопроса о серийном изготовлении новой конструкции учитывается заключение о ее технологичности, т.е. насколько она дозволяет применять наиболее прогрессивные формы и способы производства.

Технологическая отработка конструкций в процессе их проектирования дает возможность не только своевременно решить вопросы повышения технологичности, она позволяет также заблаговременно определить те требования, которые новое изделие предъявляет к серийному производству.

Прогрессивность сварных конструкций характеризуется возможностью уменьшения их металлоемкости при обеспечении требуемых эксплуатационных качеств, более полным использованием свойств материалов. В связи с этим в теории и практике отечественного проектирования сварных металлоконструкций логически объединяются два направления: поиск путей проектирования конструкций с минимальной массой и меньшей металлоемкостью, внедрение и использование наиболее прогрессивных технологических процессов.

Эти две главные линии во многом определяют развитие сварочного производства. Создание наиболее экономичных сварных конструкций требует комплексного конструктивно-технологического проектирования, при котором вопросы конструкторского плана решаются одновременно с вопросами технологии и трудоемкости, а обеспечение высокой работоспособности конструкций достигается конструктивными и технологическими мерами. Проектирование невозможно без учета особенностей технологии, а в современной практике проектно-конструкторских работ одним из важнейших моментов становится соблюдение принципов технологичности конструкций. Нельзя эффективно использовать передовую технологию, когда конструкция разработана без учета технологичности.

Технологичной считается конструкция, обеспечивающая наиболее простое, быстрое и экономичное изготовление при обязательном соблюдении необходимых условий прочности, устойчивости, выносливости и других эксплуатационных качеств, т.е. в которой соблюдается соответствие прогрессивных конструктивных решений передовым технологическим возможностям производства.

Отсюда понятие «технологичность конструкции» представляется как довольно сложная характеристика (свойство), определяемая комплексом прогрессивных конструктивных и технологических решений, позволяющих при обеспечении всех необходимых эксплуатационных качеств изделия добиться в процессе изготовления высоких производственных показателей – снижения металлоемкости, быстрого освоения в производстве, минимальной трудоемкости и себестоимости.

Отработка технологичности конструкций является непрерывным процессом, начинающимся с эскизного проекта изделия продолжающимся на всех стадиях проектирования и изготовления, как его опытных образцов, так и серийной продукции. Содержание работ по отработке технологичности конструкций зависит от стадии разработки технической документации. Основные принципиальные положения, определяющие направленность отработки технологичности конструкций, закладываются уже в период разработки эскизного и технического проектов изделия. Установлено, что на этом этапе достигается до 70% и более общего уровня технологичности конструкций. Отработка при этом идет за счет выбора наиболее оптимальных конструктивных решений, расчленения конструкции на основные сборочные единицы, разработки оптимальных схем сборки и сварки, обоснованного назначения точности изготовления и технологических мер ее достижения, выбора материала и важнейших методов обработки и т.п. Таким образом, принципиальные вопросы изготовления сварной конструкции решаются уже на первом этапе ее проектирования. Второй этап технологической отработки совпадает с разработкой рабочего проекта и изготовлением опытных образцов. При этом отрабатывается до 20–25% всего эффекта технологичности. На этапе рабочего проектирования производится детальная технологическая проработка принятого ранее варианта конструкции.

Производится выбор рациональных заготовок и способов их получения, определяются меры по обеспечению требований технологичности при обработке различными способами, выбираются конструктивные и технологические базы, обеспечивается удобство подходов к местам соединений, нормализация материалов, полуфабрикатов, параметров соединений и т.д. Детально прорабатывается конструктивное оформление всех сварных соединений с указанием характера обработки кромок, допусков на размеры и припусков на обработку после сварки.

Для достижения точности и сохранения размеров конструкций после сварки предусматривают технологические мероприятия по предотвращению и устранению сварочных напряжений и деформаций.

Эти вопросы, также прорабатываются на стадии рабочего проектирования как с целью обоснования выбора величин допусков на размеры заготовок, припусков на последующую механическую обработку сварного изделия, так и с целью определения рациональности применения операций термообработки. По окончании рабочего проектирования и изготовления опытных образцов должна завершаться и отработка технологичности конструкций. На дальнейших этапах создания и освоения выпуска изделий отработка технологичности, как правило, не превышает 5–10% от общего уровня.

При создании конструкций и отработке их технологичности необходимо учитывать ряд общих условий:

1. Технологичность конструкций в значительной степени зависит от масштаба выпуска и вида производства. Конструкция, технологичная для одного масштаба выпуска, может оказаться нетехнологичной для другого.

2. Технологичность отдельных элементов конструкции должна рассматриваться и увязываться с технологичностью изделия в целом.

Повышение технологичности отдельных элементов может вызвать изменения, которые в итоге ухудшают обработку всей конструкции или приведут к снижению ее характеристик.

3. Отработку технологичности конструкций необходимо рассматривать как комплексную задачу, учитывающую требования ко всем стадиям производственного процесса, начиная от изготовления деталей и кончая сборкой, сваркой и испытанием готовых изделий.

4. При отработке технологичности конструкций необходимо исходить в первую очередь из учета передового опыта и наиболее высокого технического уровня, достигнутого в данной отрасли производства. При этом необходимо учитывать и специфику данного предприятия-изготовителя, его технико-организационные особенности, оснащенность, освоенность различных процессов и оборудования и т.п.

предусматривает обеспечение выполнения требований технологичности, предъявляемых к выбору и назначению характера конструкций и металла для ее изготовления, способов сварки и характеристик сварных соединений, точности изготовления и способов устранения или уменьшения деформаций и сварочных напряжений. В связи с этим можно наметить ряд вопросов, требующих в первую очередь решения при создании технологичных сварных конструкций:

1. Выбор и применение наиболее современных методик расчета и проектирования сварных конструкций, в наибольшей мере учитывающих их особенности и воздействие технологических факторов. Поэтому при создании новых изделий необходимо исходить из принципов конструктивно-технологического проектирования с применением уточненных методик расчетов прочности и устойчивости элементов, а также расчетных методов оценки точности и технологичности сварных конструкций.

2. Выбор оптимальных вариантов расчленения конструкций на сборочные единицы и назначение схем собираемости их, от которых во многом зависят упрощение технологического процесса, расширение фронта работ и эффективное использование средств механизации и автоматизации.

3. Правильный выбор материала – один из важнейших вопросов проектирования и технологической отработки, поскольку оказывает непосредственное влияние на технические характеристики, массу и экономичность конструкций. При этом необходимо учитывать, что в сочетании с требованиями, предъявляемыми условиями эксплуатации, требование высокой свариваемости определят практическую пригодность материала для сварных конструкций.

Свойства материала должны удовлетворять требованиям эксплуатации, обеспечивать необходимую свариваемость, технологическую обрабатываемость и экономическую целесообразность.

4. Важной задачей является правильный выбор способа получения соединений в соответствии с назначением, формой и размерами конструкций. Назначение способа сварки в значительной степени определяется свариваемостью, конструктивным оформлением изготовляемых узлов, степенью их ответственности и производительностью процесса. К тому же необходимо учитывать определенный тип соединений, присадочный материал, приемы и обеспечение удобства выполнения сборочно-сварочных операций. Эти условия предопределяют механические свойства соединений и значения допускаемых напряжений, необходимых для прочностных расчетов конструкций. Поэтому назначение способа сварки производится уже на первой стадии разработки изделия. Оптимальность этого выбора в значительной степени зависит от правильности учета состояния сварочного производства и тенденций его развития.

5. Правильное назначение типа и параметров сварных соединений в зависимости от особенностей конструкции и характера испытываемых нагружений – один из важных вопросов технологичности. Качество сварных соединений и трудоемкость их выполнения в значительной степени зависят от проектных решений определяющих тип присадочного материала, сечение швов и расчетный объем наплавленного металла, положение сварных швов в пространстве при выполнении сварочных работ, доступность и удобство выполнения сварки и т.п. Поэтому при выборе типа конструкции сварных соединений намечаемые конструктивные решения необходимо оценивать не только с позиций прочности, но и с позиций технологичности. При назначении сварных соединений нужно учитывать возможность выполнения их с максимальным использованием автоматизированных способов сварки, число и размеры сварных швов должны быть минимальными и строго обоснованы расчетами и техническими условиями. В конструкциях необходимо использовать наиболее работоспособные и удобно выполнимые типы соединений, стремиться к сокращению их числа и уменьшению сечений. Расположение соединений в конструкциях должно уменьшать или предотвращать появление сварочных деформаций, а параметры соединений должны быть максимально унифицированы, форма швов простая, хорошо поддающаяся описанию и выполнению автоматической сваркой. Исключительно важным требованием является сокращение объема расплавляемого, а особенно наплавляемого металла. На этапе проектирования завышение объема может быть вызвано несовершенством используемых методик и норм расчета, стандартов и других руководящих материалов регламентирующих параметры сварных соединений и швов; несоблюдение в проектировании принципа минимизации наплавленного металла в конструкции; недостаточным использованием прогрессивных конструктивных решений, требующих минимальных протяженности швов и объема наплавленного металла;

ограниченностью применения в конструкциях материалов с улучшенными свойствами; недостаточным использованием сварочных процессов, обеспечивающих более высокие механические характеристики соединений.

При изготовлении сварных конструкций перерасходу наплавленного металла способствуют отклонения от строгого соблюдения предписаний технической документации и инструкций в отношении точности и качества выполнения заготовительных, сборочных и сварочных работ, несовершенство принятых в технологическом процессе методов и оборудования обработки, недостаточная точность заготовок, обуславливающая необходимость назначения излишних припусков и проведения ручных работ по подгонке элементов.

Комплексное решение вопросов прочности, точности, технологичности и экономичности позволяет создавать наиболее рациональные сварные конструкции с наименьшими затратами материалов, времени и труда на их изготовление.

20.2. Разработка технологических процессов Под технологическим процессом в машиностроении понимают последовательные действия по изменению формы или состояния материала в целях получения изделия определенного вида или качества.

Основная цель проектирования технологического процесса – разработка такого способа изготовления заданного изделия, который бы являлся наиболее рациональным не только технически, но и экономически при правильном и полном использовании всех технических возможностей оборудования и оснастки на наиболее выгодных режимах при минимальных затратах времени, рабочей силы, вспомогательных материалов.

В разработке технологического процесса можно выделить два этапа. Первый целесообразно отнести к стадии проектирования самой конструкции. В ходе технологической отработки конструкции разрабатывают основные принципиальные решения по ее изготовлению, которые в дальнейшем и определяют основные направления в разработке рабочих технологических процессов.

Оформленные в виде специальных технологических документов, эти положения являются своеобразными «вехами» будущего серийного технологического процесса, называемыми директивными технологическими материалами (ДТМ) или директивной технологией (ДТ).

По таким материалам нельзя изготовить изделие, поскольку в них приводятся лишь основные принципиальные решения по технологии. Однако разработка таких материалов позволяет обеспечить наиболее высокий технический уровень производства. В процессе разработки ДТМ решают вопросы выбора наиболее технологичных с позиций сварки конструктивных решений, схемы технологического расчленения конструкций и их собираемости, определяют характер соединений по технологическим разъемам и методы их выполнения, разрабатывают технические условия и задания на проектирование специального оборудования и технологической оснастки, выбирают методы, средства наиболее объективного контроля и т.д. ДТМ разрабатываются на базе наиболее прогрессивных технологических процессов и оборудования.

С другой стороны, ДТМ дают возможность серийным предприятиям значительно сократить и упростить работы по подготовке производства и освоению изделия, заранее определить трудоемкость всех этапов производственного процесса, технологическую оснащенность, необходимость и объем реконструкции предприятия.

По окончании проектирования изделия на основе рабочего проекта и ДТМ проводится второй этап – разрабатывается рабочий технологический процесс и создается необходимое специальное оборудование, технологическая и контрольная оснастка.

Разработка рабочей технологии ведется в строгом соответствии с рабочим проектом конструкции. Это накладывает на работе технологов определенные ограничения в связи с принятыми в проекте конструктивными решениями. В этих условиях ДТМ придается исключительно большое значение. Разработка рабочей технологии, в свою очередь, выполняется в две стадии. На первой стадии устанавливают полный перечень всех необходимых операций и их рациональную последовательность (маршрут), выбирают способы обработки по операциям, технологическое оборудование, режимы обработки и технологическую оснастку, проводят нормирование операций и определяют их трудоемкость. Полученные данные представляются в виде технического документа – маршрутной технологии (табл. 20.1).

На второй стадии производится детализация ранее выполненных разработок, степень и полнота которой зависят от типа производства. В большей степени детализируют технологический процесс в серийном и массовом видах производства. Операции разбивают на более мелкие действия – переходы с указанием разрядов работающих, фондов времени, мер техники безопасности и т.п. Каждая из операций маршрутной технологии оформляется в виде отдельного технического документа – операционной технологической карты. В малопрограммных видах производства (единичном и мелкосерийном) такие карты обычно не оформляют, детализируют непосредственно маршрутную технологию. При разработке серийной технологии изготовления большое значение, имеет использование типовых технологических процессов – обобщенных для групп элементов с общностью конструктивных технологических признаков.

Маршрутная технологическая карта на изготовление обечайки корпуса Зачистить кромки продольного стыка Механическая зачистка Собрать продольный стык Сборочное обечайки (деталь 2) приспособление в приспособлении Прихватить продольный стык детали 2 ручной Установка Длина швов 10 мм, Сварщик 4-го вольфрамовым электродом визуально Калибровать детали 2 по диаметру разжимном пуансоне Торцевать деталь 2 Токарный станок Токарная обработка оправкой На рисунке 20.1 приведена обобщенна схема технологического процесса изготовления сварных конструкций с указанием его основных этапов.

Рис. 20.1. Схема технологического процесса При изготовлении сварных узлов машиностроительных конструкций производство часто отличается сложностью и многообразием цеховых маршрутов. Это связано с наличием большого числа разнообразных технологических методов обработки, применяемых при изготовлении деталей того или иного изделия.

Последнее вытекает из высоких требований, предъявляемых к качеству выпускаемой продукции, часто весьма сложной конструкции, а также многообразия марок применяемых материалов. В связи с этим технологическая отработка изделия и процесса его изготовления имеет большое значение при подготовке производства того или иного объекта и сказывается на качестве и сроках освоения нового производства и себестоимости продукции. Поэтому вопросам разработки технологических процессов необходимо уделять самое серьезное внимание в период подготовки объекта к запуску в производство.

20.3. Технологическое оснащение производства От технологического процесса производства сварных конструкций требуется обеспечение возможности сокращения сроков его освоения и снижения производственных затрат при одновременном достижении высокой производительности, качества и надежности выпускаемых изделий.

Успешное решение данной проблемы в значительной степени определяется оснащенностью сварочного, производства, причем выбор варианта оснащения в каждом конкретном случае должен учитывать не только техническую возможность выполнения запроектированных операций с соблюдением предъявляемых требований, но и техникоэкономическую оптимальность.

Средства технического оснащения технологических процессов обычно разделяют на две группы.

обеспечивающие общую возможность выполнения технологических операций запроектированными методами обработки (штамповка, сварка, механообработка и т.п.). Эта группа технических средств получила название основного технологического оборудования. К ней относятся дуговые сварочные автоматы, источники питания дуги, сварочные машины и т.п.

Ко второй группе относятся технические средства оснащения, призванные облегчить изготовление или создать благоприятные условия для выполнения технологических операций с использованием основного технологического оборудования применительно к конкретным особенностям обрабатываемых изделий. Подобные средства оснащения называют технологической оснасткой. Сварочное оборудование выпускается специализированными предприятиями. В большинстве случаев оно обладает большой степенью универсальности и предназначено для осуществления непосредственно самого сварочного процесса без конкретизации относительно того или иного обрабатываемого изделия. Однако, исходя из конструктивнотехнологических особенностей изготовляемых конструкций, для выполнения соединений той или иной формы требуется закрепление изделия в определенных положениях, перемещение или поворачивание их в процессе сварки. Осуществляется это за счет применения технологической оснастки, представляемой в виде приспособлений для закрепления и перемещения свариваемых конструкций. Такие приспособления позволяют не только облегчить выполнение соединений, но и уменьшить возникающие деформации, повысить производительность, обеспечить безопасные условия работы. Наконец, как правило, сварка неразрывно связана с проведением сборки соединяемых деталей. Поэтому необходимы приспособления для сборочных работ, обеспечивающие выполнение заданных технических условий, предъявляемых с позиций качественного изготовления сварных соединений, достижения проектных параметров конструкций.

Весь отмеченный комплекс технических устройств рассматривается как сборочно-сварочная оснастка или приспособления. Значение cбopoчнoсварочной оснастки при изготовлении сварных конструкций исключительно велико. Ее применение во многом обуславливает не только получение высококачественных изделий, но и достижение высоких производственных показателей. Поэтому правильность выбора и разработка сборочно-сварочной оснастки являются одним из главных вопросов технологической подготовки сварочного производства в целом.

В общем балансе средств производства специальное технологическое оснащение занимает важнейшее место и располагается вслед за технологическим оборудованием. Но если парк оборудования с изменением конструкции изделия при технологической подготовке изменяется незначительно, то технологическая оснастка обычно подвергается радикальным изменениям, даже полной замене. Поэтому затраты на ее создание составляют важнейшую часть расходов по технологической подготовке. Так, в авиационной промышленности трудоемкость проектирования и изготовления технологического оснащения достигает 60–80% от общей трудоемкости технологической подготовки серийного производства, а по времени изготовления – до 90% всего цикла подготовки. Поэтому снижение трудоемкости и сроков создания оснастки является одним из основных резервов сокращения затрат на подготовку производства. Значительный эффект дает нормализация оснастки, основанная на использовании унифицированных и стандартизованных деталей и узлов.

Классификация сборочно-сварочной оснастки. Сборочносварочная оснастка по удельному весу в общем оснащении технологических процессов современного сварочного производства, как правило, занимает ведущее место. Ее характер определяется многими факторами, в первую очередь конструктивно-технологическими особенностями изготовляемых конструкций; с другой стороны, степень оснащенности технологических процессов в значительной степени зависит от вида производства. Наиболее оснащены технологические процессы при массовом и крупносерийном производстве и менее — при единичном и мелкосерийном. Это объясняется в основном экономическими соображениями. Номенклатура применяемой сборочно-сварочной оснастки исключительно широка и многообразна.

Однако по ряду признаков она может быть классифицирована по группам, различающимся по своим конструктивным особенностям и технологическим возможностям.

По функциональному назначению и задачам, выполняемым в технологическом процессе, сборочно-сварочная оснастка разделяется на сборочные, сварочные и сборочно-сварочные приспособления.

Сборочные приспособления предназначены для осуществления сборки изготовляемых конструкций из отдельных деталей или узлов с обеспечением требуемых технических условий с закреплением их с помощью прихватки или съемных фиксаторов.

Сварочные приспособления обеспечивают выполнение непосредственно сварочных операций при получении сварных соединений того или иного вида. В такие приспособления конструкции устанавливаются в собранном, предварительно закрепленном состоянии. В этом случае в технологическом процессе необходимо сочетание сборочных и сварочных приспособлений.

В сборочно-сварочных приспособлениях может производиться сборка и сварка конструкций с одной установки. При этом в большинстве случаев удается исключить необходимость применения прихватки.

В зависимости от вида производства, степени и широты применения приспособления подразделяют на универсальные, специализированные и специальные. Универсальные приспособления могут быть использованы для выполнения операций, соответствующих их функциональному назначению, применительно к широкому кругу обрабатываемых конструкций, различающихся по своим конструктивнотехнологическим характеристикам. С повышением степени специализации приспособлений широта применяемости их резко уменьшается. Так, специализированные приспособления используются для обработки лишь определенной группы однотипных изделий, обладающих общностью конструктивно-технологических признаков и различающихся по типоразмерам. Еще в большей степени ограничивается область использования специальных приспособлений, предназначаемых для обработки лишь определенного вида изделий.

Однако с увеличением специализации приспособлений, как правило, возрастают их точность и производительность. Поэтому такие крупнопрограммных видов производства. В зависимости от характера работы и способа приведения в действие приспособления разделяют на:

ручные, механизированные и автоматизированные (или автоматические).

Ручные приспособления для работы требуют затрат ручного труда и приводятся в действие за счет усилий работающего.

Механизированные приспособления приводятся в действие за счет использования какого-либо вида энергии (сжатого воздуха, жидкости, электрической энергии). Автоматическими считаются приспособления, в которых не только приведение в действие, но и управление производится за счет какого-либо вида энергии помимо усилий работающего. В этом случае затраты труда человека необходимы лишь на настройку и запуск в работу. Приспособление также могут быть быстродействующими с минимальной затратой вспомогательного времени, одно- и многопозиционными. В зависимости от габаритов и веса изделий приспособления могут быть переносными или стационарными, а также неподвижными, перемещающимися или поворотными в процессе работы.

Назначение и особенности сборочно-сварочной оснастки.

Использование сборочно-сварочной оснастки в технологическом процессе изготовления сварных конструкций предусматривает решения целого ряда задач. Основные из них – обеспечение условий качественного выполнения сварных соединений и изготовления конструкций с заданными техническими параметрами и достижение взаимозаменяемости, упрощение технологии сборки и сварки, снижение трудоемкости и повышение производительности сборочно-сварочных работ, предотвращение или уменьшение сварочных деформаций.

Использование сборочно-сварочной оснастки позволяет расширять технологические возможности сварочного оборудования, обеспечивать условия стабилизации качества выполняемых работ.

Применение сборочно-сварочной оснастки является необходимым условием повышения общего уровня механизации и автоматизации сварочного производства. Сборочно-сварочные приспособления могут входить в состав сварочных установок, встраиваться в поточные механизированные и автоматизированные линии, причем за счет технологической оснастки открывается возможность механизировать и автоматизировать как основные, так и вспомогательные операции технологических процессов. С другой стороны, использование сборочно-сварочной оснастки предусматривает решение вопросов социального характера в сварочном производстве. Применение совершенных приспособлений позволяет исключить или резко уменьшить необходимость использования тяжелого или малопроизводительного труда, в большей степени обеспечить условия, безопасности для работающих. Таким образом, широкое применение сборочно-сварочной оснастки является важным фактором научнотехнического прогресса сварочного производства, позволяющего комплексно решать не только сложные технико-экономические вопросы, но и вопросы социально-общественного значения. Анализируя характер сборочно-сварочной оснастки, необходимо отметить, что она обладает рядом особенностей, отличающих ее от оснастки, обычно применяемой при других технологических процессах, связанных с обработкой и изготовлением конструкций в машиностроении. Так, в приспособлениях для механической обработки обычно закрепляют отдельные обрабатываемые детали или узлы из нескольких деталей, предварительно соединенных друг с другом. Изделие же под сварку собирают обычно из значительного числа различных деталей, установка которых в приспособлениях ведется последовательно, а фиксирование и закрепление их чаще всего осуществляются независимо друг от друга.

В приспособлениях для механической обработки крепление изделий должно обеспечить их полную неподвижность в процессе обработки. В сварочном приспособлении свободное перемещение отдельных свариваемых деталей за счет изменения их размеров в процесс нагрева и остывания при сварке часто является необходимым.

В связи с этим в них часто применяют комбинированную сборку деталей, предусматривающую, жесткое фиксирование одних деталей в сочетании со свободной установкой других, обеспечивающей возможность изменения их размера при нагреве и охлаждении.

Сварочные приспособления в отличие от приспособлений для механической обработки, как правило, не испытывают в работе какихлибо значительных усилий от процесса обработки (сварки) помимо действия веса самого установленного изделия. С другой стороны, они подвержены часто воздействию высоких температур при прихватке или сварке. В связи с этим в таких приспособлениях необходимо предусматривать меры для уменьшения деформирования конструкций, развивающегося вследствие температурных воздействий. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо тщательно анализировать условия выполнения сборочно-сварочных операций, выявлять особенности их взаимосвязи с приспособлениями и обязательно учитывать при разработке сборочно-сварочной оснастки.

20.4. Механизация и автоматизация сварочного производства Под механизацией производственного процесса понимают оснащение его техническими средствами, обеспечивающими замену в нем ручного труда работой машин и механизмов. При механизированном исполнении технологических операций человек выполняет лишь некоторые вспомогательные действия и управляет средствами механизации. Высшей степенью механизации является автоматизация производственного процесса. Автоматизация предусматривает освобождение человека от ручного выполнения любых действий в технологическом процессе и непосредственного его управления автоматическими средствами оснащения. В этом случае обслуживающий персонал выполняет функции наладки и наблюдения за правильностью работы технических средств оснащения.

Механизация и автоматизация существенно различаются по своему содержанию, но в то же время имеют тесную взаимосвязь.

Автоматизировать можно только высокомеханизированный процесс.

Поэтому автоматизация и рассматривается как высшая степень механизации.

Механизация и автоматизация может быть частичной и комплексной. Частичная механизация и автоматизация охватывает часть производственного процесса, т.е. в этом случае речь идет о отдельных операциях. При комплексном решении весь производственный процесс выполняется с помощью машин и механизмов; установленных в порядке последовательности выполнения операций в соответствии с технологическим маршрутом. В сварочном производстве механизация и автоматизация достигаются за счет применения различных приспособлений, специальных сварочных установок, использования робототехники, создания поточных механизированных и автоматизированных линий, на которых механизированными способами осуществляются работы по заготовке сборке, сварке и транспортировке сварных изделий, а в ряде случаев – и их отделке.

При решении вопросов механизации и автоматизации в сварочном производстве в первую очередь внимание уделяется сборочно-сварочным работам, которые во многом определяют качество изготовления изделий.

Механизация сборочных работ. Сборка под сварку включает в себя технологические операции, обеспечивающие соблюдение установленных требований к деталям, подлежащих сварке необходимого взаиморасположения заданного чертежом с закреплением их специальными приспособлениями или прихватками. В зависимости от вида производства, особенностей конструкции и технических условий сборку можно выполнять различными способами: по разметке, по шаблонам или первому изделию; по сборочным отверстиям и в приспособлениях. Решения вопросов механизации и автоматизации сборочных работ можно достигнуть путем применения специальных сборочных приспособлений. Такие приспособления создаются комбинацией по заданной схеме отдельных элементов (базирующих, прижимов, распорных устройств и др.) с их приводами и элементами управления на общем основании, работающих в соответствии со схемой собираемости изделий. В зависимости от конфигурации собираемых изделий и назначения сборочные приспособления можно разделить на группы:

Сборочные стенды – приспособления с одной, чаше горизонтальной, базовой поверхностью, предназначенные для сборки крупногабаритных изделий. Они имеют неподвижное основание с размещенными на нем установочными и прижимными элементами. Для обслуживания приспособления могут оборудоваться специальными передвижными или переносными устройствами – порталами, катучими балками, перемещающимися площадками и т.п.

Сборочные стапели применяются в тех случаях, когда крупногабаритные изделия имеют сложную объемную конструкцию с расположением деталей в различных пространственных положениях.

Базирующие и прижимные элементы крепятся в различных плоскостях, а основания имеют сложную конфигурацию, по форме и размерам соответствующую изделию.

Сборочные кондукторы – приспособления типа стенда или стапеля, состоящие из жесткого основания плоской или пространственной формы с размещенными на нем установочными и прижимными устройствами, обеспечивающими заданное расположение деталей изделия. При использовании таких приспособлений точность сборочных размеров в изделии обеспечивается за счет точности самого приспособления. Поэтому они отличаются повышенной точностью и жесткостью и чаще всего используются для некрупных изделий.

Переносные универсальные сборочные приспособления – стяжки, струбцины, распорные устройства и др., применяемые для сборки разнообразных по форме изделий. В основном их используют в единичном, мелкосерийном производстве, на монтаже и строительстве.

Для механизации приспособлений их элементы (прижимы, распоры и т.п.) оснащают специальными быстродействующими приводами (гидравлическими, пневматическими, электрическими) приведение в действие которых осуществляется по командам человека или автоматическими устройствами.

Механизация сварочных работ. Оборудование для механизации сварочных работ можно разделить на две группы: оборудование для закрепления и перемещения свариваемых изделий; оборудование для установки и перемещения сварочных аппаратов относительно изделия и передвижения сварщиков.

Оборудование для закрепления и перемещения свариваемых изделий служит для закрепления и размещения изготовляемых изделий в наиболее удобных положениях для выполнения сварки. Основными разновидностями такого оснащения являются манипуляторы, позиционеры, кантователи, вращатели, роликовые стенды, поворотные столы и др.

Манипуляторы (рис. 20.2) предназначены для установки изделия в удобное для сварки положение и вращения его вокруг горизонтальной или вертикальной оси со скоростью сварки при выполнении механизированной или автоматической дуговой сварки.

Рис. 20.2. Сварочный манипулятор: 1 – основание; 2 – привод вращения;

3 – стол Позиционеры (рис. 20.3) используют для поворота изделий с целью установки их в удобное для сварки положение. В отличие от манипуляторов они не имеют рабочей скорости в процессе сварки.

Рис. 20.3. Сварочный позиционер: 1 – корпус; 2 – рабочий стол;

3 – привод стола Кантователи (рис. 20.4) предназначены для установки изделий в удобное для сварки положение путем поворота их вокруг горизонтальной оси. Во время сварки они, так же как и позиционеры, неподвижны.

Рис. 20.4. Сварочный кантователь: 1 –приводная стойка; 2 – силовая балка; 3 – стойка Вращатели (рис. 20.5) предназначены для закрепления изделия в постоянно заданном положении и вращения его со скоростью сварки при выполнении швов. Они бывают с вертикальной, горизонтальной или наклонной осью вращения.

2 – планшайба; 3 – подвижная стойка Роликовые стенды (рис. 20.6) предназначены для вращения изделий типа тел вращения при выполнении кольцевых швов, а также для установки таких изделий при выполнении продольных швов по образующей изделия. Они состоят из унифицированных узлов – ходовых роликоопор и приводов, установленных на общем основании.

Рис. 20.6. Роликовый сварочный стенд: 1 – электродвигатель;

2 – сменные зубчатые колеса; 3 – редуктор; 4,5 – приводная и холостая роликоопора; 6 – рама; 7 – электромагнит Оборудование для установки и перемещения сварочных аппаратов включает различные типы специализированных колонн и тележек.

Колонны различают двух типов: для установки несамоходных и самоходных сварочных автоматов. Первые предназначены для выполнения только кольцевых и круговых швов, вторые позволяют выполнять также и прямолинейные швы. Большинство колонн являются поворотными, что дает возможность отводить сварочный аппарат в сторону и устанавливать свободно изделие каким-либо подъемным устройством (рис. 20.7).

Рис. 20.7. Консоль колонны для сварочных автоматов Тележки для сварочных аппаратов применяют для выполнения как кольцевых; так и продольных швов. По всей конструкции они делятся на велосипедные, глагольные и портальные. Такие тележки могут перемещаться с установочной или скоростью сварки при выполнении прямолинейных или кольцевых швов (рис. 20.8).

Рис. 20.8. Типы опор для сварочных автоматов: а, б – велосипедные;

в – глагольная; г – портальная К оборудованию для перемещения сварщика относительно изделия относятся различного рода подъемные и подъемно-выдвижные площадки с механизированным приводом дистанционного управления (рис. 20.9).

Рис. 20.9. Передвижные площадки для сварщика: а – с передвижением вдоль фронта работ; б – с передвижением поперек фронта работ; в – шарнирнорычажная; г – координатная Поточные механизированные и автоматические линии. Поточной линией называют комплекс оборудования, взаимно связанного и работающего согласованно с определенным заданным ритмом по единому технологическому процессу. Поточная механизированная сборочно-сварочная линия представляет собой комплекс оборудования, расположенного в порядке последовательности выполнения технологического процесса и обеспечивающего механизированное выполнение всех операций по изготовлению сварного изделия. По признаку механизации и автоматизации различают несколько типов поточных линий:

с частичной механизацией, при которой используется ручная механизированная сварка, а остальные процессы производственного цикла (раскрой металла, резка, сборка и др.) выполняются вручную;

с комплексной механизацией, когда механизированы несколько операций, например применяются механизированная резка и сварка, а также и другие вспомогательные действия для их выполнения;

с частичной автоматизацией, при которой основные процесс (сварка, резка) автоматизированы, а остальные работы (заготовка, сборка и др.) выполняются с применением механизированного инструмента и приспособлений с использованием ручного труда.

Высшим типом являются поточные линии с комплексной автоматизацией. Автоматическая сборочно-сварочная линия представляет собой комплекс оборудования, выполняющего без непосредственного участия человека в определенной технологической последовательностью и с определенным тактом всей операции технологического маршрута. Примером автоматической линии могут служить сборочно-сварочные автоматические линии для производства сварных труб большого диаметра со спиральным швом, на которых с помощью автоматов под наблюдением небольшого количества операторов осуществляются все операции по изготовлению труб из стальной ленты.

Особое значение в автоматизации сварочного производства имеет оснащение его оборудованием с программным управлением.

Например, на газорезательной машине «Кристалл» с программным управлением можно вырезать заготовки деталей из стальных листов толщиной до 100 мм. Машина управляется автоматически по заданной программе. Применение сварочного оборудования с программным управлением экономически оправдано в условиях массового и крупносерийного производства.

В сварочном производстве используют сборочно-сварочные линии с различной степенью механизации и автоматизации оборудования и применяемой оснастки с учетом вида производства для многих разновидностей сварных изделий – для сборки и сварки полотнищ крупногабаритных резервуаров, изготовления обечаек, труб, балок и др.

Промышленные роботы для сварки. Промышленный робот – это автоматическая машина, представляющая собой манипулятор с перепрограммируемым устройством управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций, заменяющих аналогичные функции человека при перемещении предметов производства и технологической оснастки.

Промышленный робот является универсальной технологической системой для выполнения разнообразных действий, свойственных человеку в процессе его трудовой деятельности. Под действием автоматической системы управления робота его манипуляторы совершают движения, подобные движениям рук человека в процессе работы. Работа автоматической руки похожа на работу человеческой руки со своими гибкими соединениями в локте, плече и запястье.

Отличительным признаком промышленного робота от других видов роботов является его применение в производственном процессе.

возможностями, позволяет освободить человека от монотонного, тяжелого, утомительного, а иногда и вредного или опасного труда. В итоге повышается стабильность качества изделий, возможно ускорение процесса производства. Роботы могут действовать с любой позиции и на любом уровне в пространстве. Современный промышленный робот для сварки может быть определен как манипуляционная система, оснащенная техническими средствами ведения сварочного процесса, с программным управлением координатами сварочного инструмента и изделия и параметрами сварочного режима. Сварочный робот состоит из собственно робота и пульта управления. Робот имеет подвижную руку с захватом, которые обладают свободой пространственных перемещений, в какой-то степени имитируя руку человека. В захвате закрепляется инструмент (сварочная горелка большинство сварочных роботов имеют 3–5 возможных движений в пространстве (степеней свободы). Комбинирование этих движений позволяет устанавливать сварочную горелку в любых положениях и перемещать ее в любых направлениях в пределах зоны действия робота (рис. 20.10).

При дуговой сварке в ряде случаев целесообразно разделять функции между манипулятором (роботом), служащим для перемещения сварочного инструмента, и манипулятором, служащим дл перемещения свариваемого изделия. Такой прием позволяет упростить кинематическую схему и снизить число потребных степеней свободы самого робота. Программа, по которой сварочный робот выполняет свои движения, заранее вводится в его запоминающее устройство.

Рис. 20.10. Сочетание робота с манипулятором Одним из основных преимуществ роботов наряду с автоматизацией процесса является возможность легкой и быстрой смены программы в зависимости от смены свариваемого изделия.

В настоящее время в промышленности используют роботы первого поколения, работающие по жесткой программе. Существенным недостатком роботов первого поколения является требование высокой точности сборки свариваемых деталей и их расположения в рабочем пространстве робота. В настоящее время созданы роботы второго поколения с системами обратной связи, с помощью которых рабочая программа и манипуляции робота автоматически корректируются при изменении положения изделия или его отдельных элементов.

Управление таких роботов снабжено микропроцессорной вычислительной техникой.

Наряду с совершенствованием обычных промышленных роботов создаются специальные, действующие в экстремальных (сложных, труднодоступных, опасных для человека) условиях.

ВОПРОСЫ

изготовления сварных конструкций?

Каковы этапы проектирования технологического процесса и их содержание?

Что понимают под сборочно-сварочной оснасткой? Ее особенности, назначение и роль в производстве сварных конструкций.

Охарактеризуйте понятия механизации и автоматизации, их различие и взаимосвязь.

Назовите средства и формы механизации и автоматизации в сварочном производстве.

Что такое робот? Его назначение?

Глава 21. Организация рабочих мест для дуговой сварки 21.1. Общие сведения о сварочных постах При выполнении производственных операций за рабочим или бригадой рабочих закрепляется рабочее место в виде определенного участка производственной площади, оснащенной, согласно требованиям технологического процесса, соответствующим оборудованием и необходимыми принадлежностями. Рабочее место электросварщика называют сварочным постом, оборудованным всем необходимым для выполнения сварочных работ. Сварочные посты могут быть стационарными или передвижными. От правильной организации рабочего места в значительной степени зависят как обеспечение высокой производительности труда сварщиков, так и стабильное качество сварных швов и соединений.

Рабочие места сварщиков в зависимости от выполняемой работы и габаритов свариваемых конструкций могут располагаться в специальных сварочных кабинах или непосредственно у этих изделий.

При сварке небольших изделий рабочие места оборудуются сварочными кабинами (рис. 21.1, 21.2) размером 2000x2000 или 2000х3000 мм. Каркас кабины изготовляется металлическим из стальных труб или профильного проката. Стены кабин делают высотой 1800–2000 мм, для лучшей вентиляции не доводя их до пола на 200–300 мм. В качестве материала для стен используют тонколистовую сталь, асбоцементные плиты или другие несгораемые материалы. Стены окрашивают в светлые тона огнестойкой краской – цинковыми или титановыми белилами, желтым кроном и др., хорошо поглощающими ультрафиолетовые лучи сварочной дуги. Окраска стен в более темные тона не рекомендуется, так как ухудшается освещенность во время перерывов в горении сварочной дуги. Дверной проем в кабине закрывают брезентовым занавесом на кольцах, пропитанным огнестойким составом.

Рис. 21.1. Кабина электросварщика Рис. 21.2. Планировка сварочной кабины: 1 – источник питания дуги;

2 – заземление; 3 – пуск источника питания дуги; 4 – прямой провод; 5 – обратный провод; 6 – стол; 7 – вентиляция; 8 – коврик; 9 – электроды; 10 – щиток;

11 – держатель; 12 – стул; 13 – ящик для отходов Полы в кабинах настилают из огнеупорного материала: кирпича, цемента или бетона. Кабины должны хорошо освещаться дневным или искусственным светом и хорошо вентилироваться. С этой целью кроме общей вентиляции устраивают местные отсосы, поглощающие вредные газы и сварочную пыль непосредственно из зоны их образования. Для сборки и сварки деталей внутри кабины устанавливают сварочный стол высотой 500–600 мм для работы сидя и около 900 мм для работы стоя.

Крышку стола площадью около 1 м2 изготовляют или из листовой стали толщиной 15–20 мм, или из чугунной плиты толщиной 20–25 мм, что лучше, так как чугунная крышка не деформируется от нагревания. К нижней части крышки или к ножке стола приваривают стальной болт, служащий для крепления токоподводящего провода от источника сварочного тока и для провода заземления стола. Сбоку стола имеются гнезда для хранения электродов или присадочной проволоки. В выдвижном ящике стола хранится инструмент, а также технологическая документация. Для удобства работы в кабине устанавливают металлический стул с подъемным винтовым сиденьем, изготовленным из неэлектропроводного материала (дерево, пластмасса и др.). Под ногами у сварщика должен находиться резиновый коврик.

При механизированной или автоматической сварке в кабине дополнительно устанавливают аппаратный ящик. Один из основных видов оборудования сварочных постов – источники питания дуги. Они могут быть однопостовыми или многопостовыми. На рабочем месте обычно размещают однопостовые источники питания. При питании сварочных постов от многопостовых источников сварочный ток разводят по кабинам с помощью токоподводящих проводов или шин. В кабине устанавливается рубильник или магнитный пускатель для включения сварочного тока.

Кроме того, важным видом оборудования для механизированной и автоматической сварки являются полуавтоматы и автоматы для дуговой сварки, устанавливаемые совместно с необходимым для их успешной работы вспомогательным сварочным оборудованием и приспособлениями. Схемы сварочных постов для различных видов дуговой сварки приведены на рисунке 21.3.

Рис. 21.3. Оборудование рабочего места электросварщика при механизированной сварке в среде защитных газов: 1 – баллон защитного газа;

2 – источник питания дуги; 3 – горелка полуавтомата; 4 – подающий механизм;

5 – деталь Для дуговой сварки используют как переменный, так и постоянный ток. Источниками переменного тока являются сварочные трансформаторы, а постоянного – сварочные выпрямители, преобразователи и агрегаты. В настоящее время промышленность выпускает различные конструкции всех видов сварочных источников питания.