Книги по строительству и ремонту

Ручная дуговая сварка

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

1.3. Краткое описание видов сварки и резки, применяемых в строительстве

Ручная сварка выполняется человеком с помощью инструмента, получающего энергию от специального источника. В учебнике рассматривается дуговая сварка — сварка плавлением, при которой нагрев осуществляется электрической дугой. Дуговую сварку плавящимся электродом выполняют электродом, который, расплавляясь при сварке, служит присадочным металлом. Суммируя эти три определения, можно сказать, что ручная дуговая сварка плавящимся электродом выполняется сварщиком с помощью инструмента, получающего энергию от специального источника; расплавляемый при сварке электрод, закрепленный в инструменте, служит присадочным металлом, вводимым в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному металлу. Этот вид сварки в настоящее время занимает по объему выполненных сварочных работ первое место в строительно-монтажном производстве.

В начальный период внедрения сварки использовали стальные электродные стержни, нарубленные из проволоки и покрытые высушенным меловым раствором для облегчения возбуждения и горения дуги. В на-стоящее время используют электроды {1.3) со стержнями из проволоки определенного химического состава, покрытыми на электродообмазочных прессах специальной обмазкой, составленной из компонентов, предохраняющих расплавляемый дуговой металл от вредного влияния воздуха и обеспечивающих требуемый состав и механические свойства сварного соединения. Покрытие электрода, кроме того, улучшает стабильность горения дуги, расплавляемый металл покрывается шлаком и газами, образующимися при расплавлении покрытия н реагирующими с металлом. Разработано и изготовляется промышленностью большое количество покрытых электродов различных марок для ручной сварки сталей и цветных металлов.

Для образования сварного соединения сварщик возбуждает дугу в месте будущего шва и поддерживает ее горение, расплавляя кромки основного металла и электрод. Пространство между свариваемыми частями заполняется жидким металлом кромок и электрода, происходит перемешивание металлов в одной ванне и образование шва. Сварщик передвигает электрод по направлению к шву и вдоль его, образуя соединение свариваемых частей металла.

При дуговой сварке под флюсом (1.4) дуга горит под слоем сварочного флюса. Сварку выполняют установками автоматизированной сварки: возбуждение дуги, подача электродной проволоки или присадочного металла и относительное перемещение дуги и изделия осуществляются механизмами без непосредственного участия человека по заданной программе. Сварочная дуга расплавляет основной металл изделия, проволоку и флюс, образуя сварочную ванну, покрытую слоем расплавленного флюса. Горящая под флюсом дуга надежно защищена слоем флюса от воздуха и не дидна сварщику. Состав порошкообразного флюса подбирают таким, чтобы он помимо защиты от воздуха, расплавляясь, производил металлургическую обработку расплавленного металла, обеспечивая требуемое его качество. Производительность дуговой сварки под флюсом значительно выше ручной, так как этот вид сварки допускает применение больших сварочных Токов, в результате чего масса наплавленного металла в единицу времени в несколько раз больше, чем при ручной дуговой сварке покрытыми электродами. Сварка под флюсом особенно распространена на заводах, изготовляющих строительные конструкции. Она применяется и при монтаже конструкций для ванной сварки арматуры железобетона.

Дуговая сварка в защитном газе (1.5) — это сварка, при которой дуга и расплавленный металл, а в некоторых случаях и остывающий шов для предохранения от контакта с воздухом находятся в защитном газе, подаваемом в зону сварки с помощью специальных устройств. Этот вид сварки широко применяют при изготовлении строительных конструкций и в меньшей степени при монтаже. Для сварки при изготовлении конструкций используют в качестве защитного углекислый газ. Сварку в углекислом газе (1.5, а) производят обычно плавящимся электродом, который представляет собой тонкую проволоку, подаваемую по шлангам вместе с газом через горелку в зону сварки специальным механизмом. Такой вид сварки получил название механизированной дуговой сварки. Ручная аргонодуговая сварка (1.5, б) выполняется с помощью специальной горелки, через которую подается защитный газ (аргон или его смесь с гелием и другими газами). В горелке закреплен неплавящийся электрод из вольфрамового прутка, имеющего высокую температуру плавления (4500 °С) и поэтому почти не расплавляющегося и мало расходуемого при сварке Сварка возможна без присадочного и с присадочным металлом, который подается вручную сварщиком или с помощью подающего механизма. В последнем случае — это механизированная сварка.

Электрошлаковая сварка (1,6) разработана и внедрена в производство Институтом электросварки им. Е. О. Патона. Эта сварка осуществляется плавлением, при этом используется тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак. Ее применяют для соединения стальных деталей толщиной от 25—30 до 1000 мм и более, расположенных в вертикальном или наклонном до 30° положении. Детали собирают с зазором от 20 мм и более в зависимости от толщины деталей и  закрепляют.

С одной стороны прижимают на всю длину стыка медную пластину, а с другой передвигаемый по мере сварки охлаждаемый медный ползун. Первоначально, на дополнительной входной планке, закрепленной у нижних кромок соединяемых деталей, возбуждается дуга, и создается ванна расплавленного металла и шлака. Затем электродная проволока погружается в шлак, и электрический ток, проходя через шлак в металл, продолжает расплавлять проволоку и кромки металла. Происходит бездуговой электрошлаковый процесс сварки деталей с формированием сварного шва медной пластиной и ползуном. Автоматизирован весь процесс сварки: подача электродной проволоки в зазор, передвижение ползуна вверх, заполнение зазора расплавляемым металлом и шлаком, поддержание оптимального уровня металла и шлака, поддержание принятого режима сварки. Электрошлаковую сварку применяют на заводах строительных металлоконструкций и на стройках при изготовлении и монтаже элементов стальных конструкций кожухов доменных печей, различных емкостей и т. п'.

Сварка с принудительным формированием шва (1.7, а) по способу удержания расплавленного металла от вытекания похожа на электрошлаковую сварку, однако при этом виде сварки идет дуговой процесс, а не электрошлаковый. Сварка осуществляется на установках автоматизированной сварки и возможна во всех положениях. В процессе сварки расплавленный металл удерживается и формируется охлаждаемыми ползунами. При сварке применяют порошковую проволоку, которую изготовляют (1.7, б) из тонкой стальной ленты, одновременно заполняемой порошком-флюсом и сворачиваемой на специальном станке обжимающими роликами. Этот вид сварки применяют для металла толщиной 10—30 мм при сооружении резервуаров, трубопроводов и других конструкций.

Газовая сварка — сварка плавлением, при которой для нагрева используется тепло пламени смеси газов, сжигаемых с помощью горелки. Для сварки применяют горючие газы, чаще всего ацетилен (С2Н2) или его заменители—пропан-бутановые смеси, природный газ, водород, коксовый и другие газы, а также горючие жидкости (бензин, керосин). Высокая температура сварочного пламени достигается сжиганием горючего газа или паров жидкости в кислороде. Температура ацетиленокислородного пламени достигает 3100— 3200 °С, пропанокислородного 2600—3750, водородно-кислородного 2400—2600 °С и т. д.

Кислород — бесцветный прозрачный газ без запаха. Его получают разделением атмосферного воздуха в специальных разделительных аппаратах. В атмосфере содержится 20,95 % кислорода. Он сжижается при атмосферном давлении и температуре минус 182,9 ^С. Для сварки и резки поставляется в газообразном виде в баллонах объемом 40 дм3, содержащих 6 м3 кислорода при давлении 15 МПа. Сжатый кислород, соприкасаясь с маслом или другими жирами, окисляет их с большой скоростью, что приводит к их воспламенению и взрыву. Поэтому баллоны с кислородом надо предохранять от загрязнений, а также от ударов и нагревания, так как баллоны взрывоопасны.

Ацетилен — бесцветный газ с неприятным запахом, взрывоопасен при давлении 0,15—0,2 МПа и температуре до 200 °С. Для взрыва достаточно небольшой искры. Поставляется в баллонах, заполненных специальной пористой массой, пропитанной ацетоном, в котором растворен ацетилен. Давление ацетилена в баллоне не должно превышать 1,9 МПа при 20 °С. Для осуществления сварки или резки баллон должен устанавливаться вертикально, чтобы избежать уноса ацетона вместе с ацетиленом. В баллоне объемом 40 дм3 содержится растворенного ацетилена 5 м3. Для обеспечения кислородом и ацетиленом крупных сварочных цехов кислород завозят в жидком виде в специальных танках, затем дегазируют и снабжают сварочные посты по газопроводам, а ацетилен добывают из карбида кальция (СаСг) в стационарных ацетиленовых генераторах и по трубопроводам подают в цех. Водород поставляют в баллонах объемом 40 дм3 под давлением 15 МПа, пропан-бутановые смеси—в баллонах в жидком виде.

Газовые баллоны окрашивают в разные отличительные цвета: кислородные — в голубой, ацетиленовые—в белый, водородные —в темно-зеленый, жидкие горючие газы— в красный.

Следует иметь в виду, что смесь ацетилена и других горючих газов с воздухом и особенно с кислородом взрывоопасна, поэтому баллоны с кислородом надо хранить отдельно от баллонов с горючими газами и следить, чтобы не было утечки газов из баллонов.

При использовании кислорода и горючих газов для сварки давление их снижают с помощью специальных приборов-редукторов, закрепляемых на выпускном штуцере вентиля баллона.

Для газовой сварки (1.8) используют газокислородное пламя горелки, в которую газ поступает по шлангам. Для образования сварного шва обычно пользуются присадочной проволокой. Сварка осуществляется вручную и используется в строительстве при сантехнических работах для соединения труб небольшого диаметра, воздухопроводов из металла небольшой толщины, а также при ремонтных работах.

Термитная сварка — сварка, при которой для нагрева используется энергия горения термитной смеси. Эту сварку (рис, 1,9) применяют для соединения стыков арматурной стали, рельсов, проводов и т. п. Свариваемые детали помещают в специальную огнеупорную форму. Затем в тигель, расположенный над стыком, засыпают термитный порошок, состоящий из алюминия и железной окалины, и зажигают его. Сгорая при температуре более 2000°С, термит образует из окалины жидкий металл, который расплавляет кромки деталей и сваривает их. Возможны добавление присадочного металла в процессе сварки в виде прутка и перемешивание ванны этим прутком для лучшего удаления шлаковых и газовых включений и формирования шва. Использование заранее приготовленных термитных патронов для сварки проводов и токопроводящих шин заметно повышает ее производительность.

Плазменная сварка — это сварка плавлением, при которой нагрев происходит сжатой дугой (1.10). Плазмой называют ионизированный и нагретый газ. Для его получения струю газа подают под давлением в сопло плазмотрона — горелки для сварки или резки сжатой дугой, в которой закреплен вольфрамовый электрод. Проходя в сопле через дугу, газ нагревается, ионизируется, при этом стенки сопла увеличивают давление на дугу, и она выходит из сопла в виде плазмы с температурой до 40 000°С. Плазменная струя хорошо режет металл, поэтому в строительном производстве плазмотроны используют главным образом для резки сталей и цветных металлов. Для сварки этот вид осваивается только при использовании в автоматизированных установках.

Контактная сварка — сварка с применением давления, при которой используется тепло, выделяющееся в контакте свариваемых частей при прохождении электрического тока. Этот вид сварки, в свою очередь, подразделяется на несколько видов: точечная контактная сварка, рельефная сварка, шовная контактная сварка, стыковая контактная сварка оплавлением и контактная сварка сопротивлением.

Точечная контактная сварка (1,11,а), — это сварка, при которой сварное соединение получается между торцами электродов 4 и 5, подводящих ток и передающих усилие сжатия. Место контакта 1 соединяемых деталей расплавляется теплом, выделяемым при прохождении электрического тока, электроды сжимаются усилием, в результате чего образуется сварная точка 6. Точечную сварку широко применяют при изготовлении арматурных сеток, в местах пересечения стержней. Для соединения пересекающихся стержней пространственных арматурных конструкций применяют специальные подвесные сварочные клещи.

Рельефная сварка — это контактная сварка, при которой сварное соединение получается на отдельных участках, обусловленных их геометрической формой, в том числе по выступам. Этот вид сварки применяют для соединения стержней арматуры с плоскими закладными пластинами, для чего на пластинах или на стержнях делают один-два выступа. Контактная сварка осуществляется при пропускании тока и сжатии стержня с пластиной специальными электродами, в результате чего места примыкания выступов к стержню разогреваются до оплавления, а при сжатии образуются точечные сварные соединения.

Шовная   контактная сварка (1.11,6), при которой соединение свариваемых деталей происходит между вращающимися роликовыми электродами 4 и 5, подводящими ток и передающими усилие сжатия. Точки 1 перекрывают друг друга, образуя непрерывный шов. Этот вид сварки применяют для соединения строительных конструкций из тонкого металла, воздухопроводов, облицовочных кожухов труб и др.

Стыковая сварка оплавлением (1.11, в)— это стыковая контактная сварка, при которой нагрев металла сопровождается оплавлением торцов. Свариваемые детали закрепляют в губках контактной стыковой машины, к которым подведен электрический ток. При сближении деталей малым усилием между торцами происходит сильный разогрев, сопровождаемый искрами и брызгами, в результате чего торцы оплавляются, затем усилием детали быстро сближаются, ток выключается, и образуется сварное соединение, окруженное выдавленным гратом1, состоящим из окисленного перегоревшего металла, который очищают. Для деталей большого сечения с целью снижения электрической и механической мощности машины применяют стыковую сварку с предварительным подогревом путем периодического сближения деталей с небольшим давлением и нагревом стыка небольшим током. После нагрева до определенной температуры увеличивают ток и осуществляют сварку оплавлением1. Этот вид сварки используют для стыкования арматурных стержней и соединения труб.

Стыковая сварка сопротивлением — контактная стыковая сварка, при которой нагрев металла осуществляется без оплавления стыкуемых торцов. Схема сварки аналогична приведенной на Lll,e, Сперва сжимают детали губками, а затем1 включают ток. Между торцами создается контактное сопротивление, отдельные выступы на торцах под влиянием температуры сминаются, и дальнейший нагрев происходит за счет сопротивления деталей. Когда температура металла на торцах приблизится к температуре плавления, происходит под влиянием усилия сжатия сварка с образованием плавного утолщения.

Электронно-лучевая сварка (1.12) — сварка плавлением1, при которой для нагрева используют энергию ускоренных электронов. Для получения сварочного луча электронов применяют электронную пушку. Она состоит из вольфрамового или металлокерамического катода, который размещен в фокусирующей головке, на некотором расстоянии находится ускоряющий электрод-анод с отверстием. При пропускании переменного тока низкого напряжения нагретый катод эмитирует (испускает) поток электронов, который, проходя через отверстие анода, приобретает мощное ускорение, а затем формируется магнитной линзой и отклоняющей магнитной системой, в результате чего образуется узкий уплотненный пучок электронов, направленных на небольшую площадку изделия. Положительный потенциал анода достигает нескольких десятков тысяч вольт. При ударе о поверхность металла энергия электронов превращается в тепловую, проплавляя металл узким швом. Сварку выполняют в вакууме, создаваемом в специальной камере, куда помещают пушку и изделие; в основном ее применяют для соединения тугоплавких, химически активных металлов. В строительной индустрии встречается эпизодически.

Лазерная сварка — сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера. Йта сварка основана на использовании излучения световой энергии, специально  усиленной   взаимодействием фотонов с атомами системы. В строительной индустрии пока не применяется, однако в перспективе возможно ее внедрение для специальных видов сварки.

Ультразвуковая сварка —сварка давлением, осуществляемым при воздействии ультразвуковых колебаний— для соединения деталей из пластмасс.

Плазменную, кислородно-дуговую и воздушно-дуговую разделительную и поверхностную резку металлов применяют для термической обработки стали и цветных металлов. Плазменную резку осуществляют плазмотронами для раскроя листов стального проката, алюминия и других цветных металлов. В основном это механизированная резка, для ручной резки применяют резаки-плазмотроны (см. гл. 24).

При кислородно-дуговой резке используют полый (трубчатый) электрод наружным диаметром 6—10 мм и длиной до 400 мм, покрытый специальной обмазкой. По трубке электрода подается под давлением кислород. Резчик, держа электрод в специальном держателе, включает ток, зажигает дугу с края разрезаемого металла и, перемещая электрод вдоль линии реза, постепенно расплавляет металл, который сгорает в струе кислорода и выдувается им, образуя разрез. Кислородно-дуговую резку используют в основном для подводных работ.

Чаще применяют воздушно-дуговую резку стали. При этом виде резки расплавляемый дугой угольного или графитизированного электрода металл выдувается струей сжатого воздуха, таким образом осуществляется разделительная или поверхностная резка.