Способы сварки, применяемые в тяжелом машиностроении

Широкая номенклатура изделий тяжелого машиностроения, а также используемых марок материалов и их толщин требует применения многих видов сварки, например, сварку в среде углекислого газа, под флюсом, электрошлаковую, ручную дуговую, точечную контактную.

Теоретические основы сварки подробно освещены в специальной литературе, поэтому в данной работе рассмотрено практическое применение различных видов сварки в условиях тяжелого машиностроения. Электрошлаковая сварка выделена в отдельную главу.

Несмотря на высокий уровень механизации сварочных работ при производстве сварных конструкций в тяжелом машиностроении, ручным способом выполняется ~40% сварочных операций. Ручной дуговой сваркой выполняют и всю прихватку деталей при сборке сварных узлов. Этот вид сварки является универсальным, он позволяет соединять детали во всех пространственных положениях и практически любой толщины.

Относительный объем ручной дуговой сварки систематически снижается, но тем не менее она еще долгое время не потеряет своего значения, поэтому институтами и заводами разработаны различные методы повышения производительности ручной дуговой сварки. Наиболее эффективным методом является повышение коэффициента наплавки электродов до 18 г/(А-ч) в результате включения железного порошка в покрытие электродов. Сварку высокопроизводительными электродами можно выполнять переменным и постоянным током.

Механизированные способы сварки покрытыми электродами — гравитационный, лежачим и сдвоенным электродом, пучком электродов, трехфазной дугой и др. мало применяют на заводах тяжелого машиностроения.

Сварка в среде защитных газов. Резкое повышение уровня механизации сварочных работ в тяжелом машиностроении достигнуто благодаря широкому внедрению в сварочном производстве сварки в углекислом газе, разработанной в нашей стране.

Наиболее широкое применение в отрасли получила полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа, объем которой увеличивается в основном за счет замены им ручной дуговой сварки и полуавтоматической сварки под флюсом. Это объясняется большой универсальностью, возможностью выполнять полуавтоматическую сварку в углекислом газе практически во всех доступных для ручной дуговой сварки местах при более высокой производительности и лучших условиях труда. По сравнению с полуавтоматической сваркой под флюсом при сварке в углекислом газе сварщик имеет возможность визуально наблюдать за процессом, выполнять сварку во всех пространственных положениях, кроме того, не затрачивается время на удаление флюса.

Серьезным недостатком сварки в углекислом газе проволокой сплошного сечения является интенсивное разбрызгивание металла, вызывающее засорение аппаратуры и забрызгивание свариваемых изделий. В Советском Союзе и за рубежом разработаны различные смеси инертных и активных газов, улучшающие технологические и металлургические свойства защитной атмосферы.

Опыт ЖЗТМ показывает, что добавление к углекислому газу 20—30% кислорода изменяет характер переноса электродного металла. Процесс крупнокапельного переноса переходит в мелкокапельный или струйный. При этом увеличивается глубина про- плавления; коэффициент расплавления увеличивается на 15%, а коэффициент наплавки — на 25%.

Применяемая сварочная проволока в состоянии поставки покрыта жировым слоем, который при длительном хранении и особенно при повышенной влажности не всегда защищает поверхность проволоки от коррозии. Дополнительные затраты на подготовку проволоки перед сваркой, по данным некоторых заводов, составляют —100 р. на 1 т. В связи с этим в СССР и за рубежом применяют сварку в углекислом газе проволокой с омедненной поверхностью. Омедненная проволока надежно защищена от воздействия внешней среды, для нее не требуется дополнительной обработки. При работе с такой проволокой создается хороший контакт с токоведущим мундштуком. Исследования и практика предприятий, применяемых омедненную проволоку, показывают, что механические свойства и химический состав наплавленного .металла такие, как и при использовании незащищенной проволоки.

Заводы и институты страны проводят исследовательские работы по дальнейшему увеличению производительности труда при сварке в углекислом газе. Отдел главного сварщика Уралмашзавода совместно с Ростовским-на-Дону институтом технологии машиностроения (НИИТМ) разработали технологию, режимы и технику сварки в среде углекислого газа на повышенных плотностях тока и скоростях подачи электродной проволоки диаметром 1,2; 1,6; 2 мм.

Для полуавтоматической сварки в углекислом газе на форсированных режимах можно использовать серийно выпускаемые сварочные полуавтоматы типа А-537 с некоторой их модернизацией. В качестве источников питания служат сварочные преобразователи, сварочные выпрямители или многопостовые генераторы постоянного тока с пологопадающей, жесткой либо возрастающей характеристикой. Полуавтоматическая сварка на форсированных режимах проволоками диаметром 1,6 и 2 мм выполняется на токах 500—600 А, при этом производительность труда повышается на 15—20%.

В связи с широким применением сварных конструкций вместо литых и кованых и использованием в них листа большой толщины разработана технология сварки в углекислом газе в узкую разделку листового металла толщиной 40—100 мм. При толщине листа 40 мм зазор равен 10 мм, при толщине 100 мм — 12 мм. Затраты при сварке в узкую разделку для листового металла толщиной 40—100 мм снижаются в 3—5 раз. Внедрение автоматической сварки в углекислом газе конструкционных сталей ВСтЗ и 10ХСНД толщиной до 70 мм в узкую разделку на НКМЗ им. В. И. Ленина, по данным НИИПТмаша, обеспечивает снижение затрат на 2 р. 50 к. на 1 м шва по сравнению с автоматической сваркой под флюсом.

Сварку по узкой (щелевой) разделке применяют во Франции, Польше, Японии и других странах. В Англии свариваемые изделия толщиной 150 мм собирают с зазором снизу 12—13 мм и сверху 18—19 мм. При автоматической сварке в углекислом газе производительность составляет —11 кг/ч.

Этот прогрессивный вид сварки все больше используют в тяжелом машиностроении. Экономический эффект от ее применения возрастает с увеличением толщины свариваемого материала.

Сварка порошковой проволокой находит все большее применение в тяжелом машиностроении. Порошковая проволока — это непрерывный электрод, состоящий из металлической оболочки и порошкообразного наполнителя (сердечника). Наполнитель представляет собой смесь газообразующих и шлакообразующих материалов, ферросплавов и металлических порошков. Проволоки простых трубчатых сечений применяют для сварки в углекислом газе. Проволоки сложных конструкций, а также двухслойные используют без дополнительной защиты.

Опыт Уралмашзавода показал, что при полуавтоматической сварке в углекислом газе применение порошковых проволок ПП- -АН10 и ПП-АН8 вместо проволоки сплошного сечения дает следующие преимущества: снижается разбрызгивание электродного материала с 7—12% до 2—3%; уменьшаются трудозатраты по зачистке сварных швов на 30—40%; повышается качество и улучшается внешний вид сварного шва.

Несмотря на эти преимущества, объем применения порошковой проволоки в 1976 г. составил лишь 2,3% объема применения сплошной проволоки на предприятиях отрасли, что объясняется дефицитностью порошковых проволок в связи с недостаточным

объемом их производства, их нестабильным качеством и повышенной токсичностью.

В соответствии с рекомендациями по проектированию отопления и вентиляции заготовительных и сборочно-сварочных цехов объем вытяжной вентиляции при сварке порошковой проволокой должен составлять 7300 м3 на 1 кг наплавленного металла против 2000 м3 при сварке проволокой сплошного сечения. В связи с этим требуются специальные средства удаления дыма из зоны сварки. Многими зарубежными фирмами разработаны горелки со встроенным отсосом дыма. Работы в этом направлении начаты и в нашей стране.

В США в последние годы наблюдается непрерывный рост производства проволоки для сварки в среде защитных газов. При этом порошковая проволока составляет ~33% в общем объеме выпуска сварочной проволоки.

В связи с широким применением в промышленности сварки в углекислом газе разработано и внедрено несколько систем обеспечения производства защитными газами.

Автоматическая сварка под флюсом, широко применяемая на заводах тяжелого машиностроения, характеризуется стабильностью процесса, высоким качеством сварных швов, высокой производительностью, малым расходом электродного металла и электроэнергии и хорошими условиями труда. Отсутствие брызг является серьезным преимуществом сварки под флюсом, так как отпадает надобность в трудоемкой операции очистки. Обучение сварщика для работы на автомате требует значительно меньше

времени, чем для ручной сварки. Автоматическую сварку под флюсом применяют для кольцевых и продольных швов.

В последнее время для изготовления уникальных деталей металлургического и энергетического машиностроения разработан метод сварки под флюсом больших толщин в узкую разделку. Масса изделия в сборе из двух половин составляет 165 т. Материал — сталь 25ХНЗМФА. Сварка выполняется проволокой Св-08ХН2ГМЮ под флюсом АН17М, число слоев шва — 134. Для сварки спроектирована специальная установка с ЧПУ и устройством для предварительного подогрева деталей.

Контактная точечная сварка на заводах тяжелого машиностроения применяется при соединении внахлестку листов и профилей из стали, цветных металлов и сплавов при изготовлении кожухов, щитов и других легких конструкций.

Перед сборкой детали в месте сварки очищают от грязи, ржавчины, масла и окалины дробеструйной обработкой, наждаком или наждачной бумагой и в зависимости от степени загрязнения промывают бензином или обрабатывают в 10%-ном растворе серной кислоты.

Сборка производится в приспособлениях или по разметке при помощи фиксаторов и шаблонов. При сборке обеспечивается плотное прилегание свариваемых деталей в местах сварки. Зазор между деталями не должен превышать 0,2 мм.

С увеличением выпуска холоднокатаного листа и специальных гнутых профилей точечная сварка будет находить в тяжелом машиностроении все большее применение.

Разбрызгивание металла — один из основных недостатков дуговой сварки, особенно сварки в углекислом газе. Задача по уменьшению брызг решается путем совершенствования источников питания, подбора оптимальных сварочных материалов и газовых смесей, а также нанесения на поверхности соединяемых деталей защитных покрытий.

Одним из простых способов, позволяющих уменьшить попадание брызг на поверхность свариваемого металла и облегчить их удаление, является нанесение на эту поверхность специального покрытия. Существует несколько составов покрытий. В зависимости от вида растворителя или связующего вещества применяют три группы покрытий на основе водного раствора, жидкого стекла или лака.

В первой группе в качестве растворителя используется вода. Покрытия этой группы — наиболее распространенные, дешевые и простые в приготовлении. Наполнителем в них служит мел, а в некоторых составах, кроме того, тальк. Указанные покрытия имеют, однако, длительный срок сушки (1,5—2 ч); слой покрытия получается рыхлым, недостаточно хорошо защищает от брызг; действие водного раствора способствует коррозии детали; при использовании этих покрытий шов темнеет.

Во всех покрытиях второй группы в качестве растворителя и связующего используется жидкое стекло плотностью 1,1 — 1,2 г/см3, а наполнителем служит мел, крокус (порошок окиси железа), алюминиевая пудра и циркон. По сравнению с первой группой срок сушки покрытий сокращается до 30 мин. Покрытия второй группы надежно предохраняют поверхность от брызг, так как образуют жаростойкую прочную и плотную защитную пленку. При применении защитных покрытий этой группы благодаря электропроводности циркона и алюминия возбуждение и горение дуги хорошее, не возникает каких-либо дефектов.

Защитные покрытия третьей группы на основе лака и других связующих веществ сохнут быстро (15—30 мин), в процессе сушки образуют стойкую и плотную пленку. Эти составы можно использовать при многопроходной сварке.

Опыт заводов показывает, что применение защитных покрытий при сварке снижает в 1,5—2 раза трудоемкость зачистки шва от брызг. Значительно улучшаются условия труда рабочих, занятых очисткой.

Некоторые из этих покрытий имеют существенные недостатки: выгорают после сварки первого слоя, имеют специфический неприятный запах и др. Кроме того, требуется удаление их перед окраской. В последнее время все большее применение находят органические жидкости. Лучшие результаты обеспечивает жидкость ГКЖ-94, которая может быть использована в состоянии поставки, поскольку обладает высокой термостойкостью как сразу после нанесения на поверхность металла, так и после высыхания. Защитные свойства сохраняются весьма длительно. Газы, выделяющиеся в процессе сварки, не вредные и не влияют на качество наплавленного металла. Защитное покрытие из кремнийорганической жидкости сохраняет свои свойства при наплавке шести и более слоев металла.

Кремнийорганическую жидкость следует наносить на поверхность деталей очень тонким слоем, например, смоченной в жидкости ветошью. Сварку можно выполнять как сразу после нанесения покрытий, так и спустя несколько дней. Перед грунтовкой и окраской удаление защитной пленки обычно не требуется.

Кремнийорганическую жидкость ГКЖ-94 успешно применяют для покрытия сборочно-сварочных приспособлений, а также мундштуков и сопл сварочного оборудования.

Исследования показали, что препараты на основе кремний- органических соединений как отечественные, так и зарубежные по эффективности защиты превосходят в 2—3 раза покрытия на водной основе.

В СССР был разработан препарат «Дуга-I» в аэрозольной упаковке для защиты от брызг расплавленного металла при сварке. Препарат представляет собой раствор этилсиликата 40, нейтрализованного щелочью. Отечественной промышленностью освоено серийное производство силиконовых смазок в аэрозольной упаковке, которые могут быть использованы в качестве защитных средств при сварке. Производственная проверка на ряде промышленных предприятий показала целесообразность применения препаратов в аэрозольной упаковке при сварке конструкций из углеродистых и коррозионно-стойких сталей. Экономическая эффективность от внедрения препаратов составляет не менее 30 к. на каждый метр сварного шва.

Большинство известных защитных покрытий наносят на обрабатываемую поверхность кистью, что является существенным недостатком, так как затрудняет получение предварительного просушивания этих покрытий перед сваркой в течение длительного времени.

В последние годы в производстве сварных конструкций все больше применяют листовой и фасонный металлопрокат, покрытый антикоррозионным грунтом. В ИЭС им. Е. О. Патона были проведены специальные исследования о влиянии грунтов типа BJI-02 и BJI-023 на качество сварного соединения и возможность использования грунта как защиты от брызг при сварке. Установлено, что грунтовочные покрытия не ухудшают механических свойств металла шва и сварных соединений. Исключение составляет сварка в углекислом газе и под слоем флюса стыковых соединений толщиной <<4 мм, так как в этом случае в швах появляются поры. Кроме того, нанесение лакокрасочных покрытий на свариваемые детали или предварительная консервация проката специальными грунтами обеспечивают достаточную защиту поверхности металла от брызг. Капли металла, попадая на загрунтованную поверхность, вызывают мгновенное испарение органических составляющих грунта в месте контактирования, что предотвращает приваривание брызг к основному металлу. При однопроходной сварке надежную защиту от брызг обеспечивает грунт толщиной слоя 20 — 25 мкм. Дальнейшее увеличение толщины только усиливает выделение газов, что может привести к появлению пор в швах.

Применение специальных защитных покрытий и грунтов для защиты металла от сварочных брызг должно сопровождаться оценкой санитарно-гигиенических условий труда сварщиков. В гигиеническом отношении наиболее вредны полимерные покрытия. В процессе сварки металла с таким покрытием выделяются токсические вещества — формальдегид, окись углерода, различные углеводороды и пыль, содержащая значительное количество органических примесей.

При сварочных работах наряду с основной операцией сварки выполняют вспомогательные операции по установке свариваемого изделия в наиболее удобное для сварки положение, а также по их транспортировке и др.

Для выполнения собственно сварочных операций промышленность выпускает необходимое универсальное сварочное оборудование. К вспомогательному относится оборудование для установки и поворота свариваемых изделий, установки и перемещения сварочных аппаратов, подачи и сбора флюса, зачистки кромок и швов, формирования обратной стороны шва стыковых соединений.

Оборудование для установки и поворота свариваемых изделий выполняет наиболее важные функции. Наибольшую скорость сварки и высокое качество сварного шва можно получить при выполнении ее в нижнем положении. В связи с этим при сварке требуются неоднократные повороты изделия. Применение цехового крана требует специального крепления изделия в нужном положении и сопряжено с опасными условиями труда.

Для вращения свариваемых изделий применяют сварочные манипуляторы. Привод механизма наклона и вращения манипулятора электрический или гидравлический. Модели небольшой грузоподъемности могут иметь ручной привод наклона. Предельный угол наклона планшайбы манипуляторов составляет 45—360° и зависит от их конструкций и грузоподъемности. Стол манипулятора имеет специальные пазы для установки приспособлений, с помощью которых крепится изделие. Промышленностью выпускается несколько типов манипуляторов грузоподъемностью 0,06—2 т.

Манипуляторы большей грузоподъемности проектируют и изготовляют непосредственно предприятия как нестандартизированное оборудование. Некоторые конструкции нестандартизированных манипуляторов будут описаны ниже.

Применяемые при сварке позиционеры в отличие от манипуляторов не имеют рабочей скорости сварки. Они, как и манипуляторы, поворачивают изделие вокруг двух осей.

Конструкции позиционеров являются практически упрощенными модификациями манипуляторов. В сварочных цехах применяют также вращатели — упрощенные манипуляторы. Во вращателе отсутствует механизм наклона, и ось вращения занимает постоянное положение. Вращатели с горизонтальной осью вращения обычно включают устройства для поддержки длинных изделий — ролико- опоры и задние стойки.

В сварочных цехах наиболее часто используют двухстоечные кантователи с постоянной осью. Они просты по конструкции, компактны и дешевы. Челночные кантователи, предназначенные для сварки изделий коробчатой формы, обеспечивают не только поворот изделия и установку в удобное для сварки положение, но также и транспортировку их с одного рабочего места на другое.

Эффективным средством дальнейшего роста производительности труда в сварочном производстве является применение сварочных роботов, а также автоматических линий с их применением. В нашей стране проводятся большие работы по разработке и серийному производству промышленных роботов, в том числе и для сварочных операций. ИЭС им. Е. О. Патона совместно с ведущими заводами страны разрабатывает роботы для сварки. Созданы опытные образцы, ведется их доработка и промышленное внедрение.

Ведущая фирма США по производству роботов «Цинцинати» выпускает роботы для точечной сварки. По заявлению фирмы качество сварки при этом выше, чем при ручной работе. Скорость выполнения операций возрастает во много раз, увеличивается точность. Роботы обеспечивают шаг сварки с допуском 1,3 мм. Возможны три варианта использования универсального робота для сварки: сварочный пистолет закрепляется на руке робота и автоматически приводится в действие, когда робот подводит его к соответствующей точке детали; робот перемещает деталь относительно неподвижного пистолета и выдает сигнал о достижении нужной позиции детали; робот является механизмом для подачи и снятия детали со сварочной машины, сконструированной для обработки этой детали.

Фирма «Кука» (ФРГ) создала робот «Кука-Начи 4000» для дуговой сварки с пятью степенями свободы. Программирование производит опытный оператор способом обучения робота. Система запоминает все движения, и в положении воспроизведения горелка робота повторяет записанную траекторию. Робот может быть быстро переналажен, поэтому его применение становится рентабельным даже при небольшой партии свариваемых изделий.

Разработка и внедрение в производство новых методов сварки, прогрессивных сварочных материалов и оборудования для механизации основных и вспомогательных операций позволит значительно увеличить производительность труда в сварочных цехах.