Сварка арматуры

Введение

История сварки

Современный технический  прогресс в промышленности неразрывно связан с совершенствованием сварочного производства. Сварка как высокопроизводительный процесс изготовления неразъемных соединений находит широкое применение при изготовлении металлургического, химического и энергического оборудования, различных трубопроводов, в машиностроении, в производстве строительных и других конструкции.

Сварка – такой же необходимый технологический процесс, как и обработка металлов, резанием, литье, ковка. Большие технологические  возможности сварки обеспечили ее широкое  применение при изготовлении и ремонте  судов, автомобилей, самолетов, турбин, котлов, реакторов, мостов и других конструкций. Перспективы сварки, как  в научном, так и в техническом  плане безграничны. Её применение способствует совершенствованию машиностроения и развития ракетостроения, атомной  энергетики, радио электроники.

О возможности применения «электрических искр» для плавления  метолов ещё в 1753г. говорил академик Российской академии наук Г.Р. Рихман при исследованиях атмосферного электричества. В 1802г. профессор. Санкт- Петербургской военно-хирургической академии В.В. Петров открыл явление электрической дуги и указал возможные области ее практического использования. Однако потребовалось многие годы совместных усилий ученых и инженеров, направленных создания источников энергии, необходимых для реализации процесса электрической сварки металлов. Возможную роль в создании этих источников сыграли открытия и изображения в области магнетизма и электричества.

В 1882г. российский ученый инженер  Н.Н. Бенардос, работая над созданием аккумуляторных батарей, открыл способ электродуговой сварки металлов неплавящимся угольным электродом. Им был разработан способ дуговой сварки в защитном газе и дуговая резка металлов.

В 1888г. российский инженер  Н.Г. Славянов предложил проводить  сварку плавящимся металлургическим электродам. С его именем связано развитие металлургических основ электрической  дуговой сварки, разработка флюсов для воздействия на состав металла  шва, создания первого электрического генератора.

В середине 1920-х гг. интенсивные  исследования процессов сварки были начаты во Владивостоке (В.П. Вологдин, Н.Н. Рыкалин), в Москве (Г.А. Николаев, К. К. Окерблом). Особую роль в развитии и становлении сварки в нашей стране сыграл академик Е.О. Патон, организовавший в 1992г. лабораторию, а затем институт электросварки (ИЭС).

В 1924г- 1934гг. В основном применяли  ручную сварку электродами с тонкими  ионизирующими (меловыми) покрытиями. В эти годы под руководствам академика В.П. Вологдина были изготовлены первые отечественные котлы и корпуса нескольких судов. С 1935- 1939гг. начали применять толсто покрытые электроды, в которых стержни изготавливали из легированной стали, что обеспечило широкое использование сварки в промышленности и строительстве. В 1940-е гг. была разработана сварка под флюсом, которая позволила повысить производительность процесса и качество сварных изделий, механизировать производство сварных конструкций. В начале 1950-х гг. в институте электросварки им. Е.О. Патона создают электрошлаковую сварку для изготовления крупногабаритных деталей из литых и кованых заготовок, что снизило затраты при изготовлении оборудования тяжелого машиностроения.

С 1948г. получили промышленное применение способы дуговой сварки в защитных газах: ручная сварка неплавящимися электродом, механизированная и автоматическая сварка неплавящимися и плавящимися электродами. В 1950-1952г в ЦНИИТМаше при участии МГТУ им. Н.Э. Баумана и ИЭС имени Е.О Патона был разработан высокопроизводительный процесс сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей в среде углекислого газа обеспечивающий высокое качество сварных соединений.

В последние десятилетие  создания учеными новых источников энергий – концентрированных  электронного и лазерного лучей  – обусловило появление принципиально  новых способов сварки плавлением, получивших название электронно-лучевой  и лазерной сварки. Эти способы сварки успешно применяют в нашей промышленности.

Сварка потребовалась  и в космосе. В 1969г. нашли космонавты В. Кубасов и Г. Шонин и в 1984г С. Савицкая и В. Джанибеков привели в космосе сварку, резку, и пайку различных металлов.

Газовая сварка, при которой  для плавления металла используют теплоту горящей смеси газов, также относятся к способам сварки плавлением. Способ газовой сварки был разработан в конце ХIХ.., когда  началось промышленное производства кислорода, водорода и ацетилена, и является основным способом сварки металлов.

Наибольшее распространения получила газовая сварка с применением ацетилена. В настоящее время объем газосварочных работ в промышленности значительно сокращен, но ее успешно применяют при ремонте изделий из тонколистовой стали, алюминия и его сплавов, при пайке и сварки меди, латуни и других цветных металлов используют в современных производительных процессах газо-термическую резку, например при цеховых условиях и на монтаже.

К сварке с применением  давления относятся контактная сварка, при которой используется теплота, выделяющаяся в контакте свариваемых  частей при прохождении электрического тока. Различают точечную, стыковую, шовную и рельефную контактную сварку.

Основные способы контактной сварки разработаны в конце ХlХ. В 1887г. Н.Н. Бенардос получил момент на способы точечной и шовной контактной сварки между угольными электродами.

Позднее, когда появилась  электроды из меди и ее сплавов, эти  способы контактной сварки стали  основными.

Контактная сварка занимает ведущее место среди механизированных способов сварки в автомобиле строении при соединении тонколистовых штампованных конструкций кузова автомобиля. Стыковой сваркой соединяют стыки железнодорожных  рельсов, стыки магистральных трубопроводов. Шовную сварку применяют при изготовлении тонкостенных емкостей. Рельефная сварка – наиболее высокопроизводительный способ арматуры для строительных железобетонных конструкций. Конденсаторную контактную сварку широко используют в радиотехнической промышленности при изготовлении элементной базы и микросхем. Одно из наиболее развивающихся направлений в  сварочном производстве – широкое использование механизированной и автоматической сварки. Речь идет как о механизации и автоматизации самих сварочных процессов ( т.е. переходе от ручного труда сварщика к механизированному ), так и о комплексной механизации и автоматизации, охватывающей все виды робот, связанные с изготовлением сварных конструкций ( заготовительные, сборочные и др. ) и созданием поточных и автоматических производственных линий. С развитием техники возникает необходимость сварки деталей различных толщин из разных материалов, в связи с этим постоянно расширяется набор применяемых видов и способов сварки. В настоящее время сваривают детали толщиной от нескольких микрометров ( микроэлектронике ) до десятков сантиметров и даже метров ( в тяжелом машиностроении ). Наряду с конструкционными углеродистыми и низкоуглеродистыми сталями все чаще приходится сваривать специальные стали, легкие сплавы и сплавы на основе титана, молибдена, хрома, циркония и других металлов, а также разнородные материалы.

В условиях непрерывного усложнения конструкций и роста объема сварочных  работ большую роль играет правильная подготовка – теоретическая и  практическая – квалифицированных  рабочих – сварщиков.

Сварочное оборудование, принадлежности и инструмент

Сварочные преобразователи  подразделяют на следующие группы:

По числу питаемых постов (однопостовые, предназначенные для  питания одной сварочной дуги, многопостовые, питающие одновременно несколько сварочных дуг).

По способу установки (стационарные, устанавливаемые неподвижно на фундаментах, передвижные, монтируемые  на тележках).

По роду двигателей, приводящих генератор во вращение и по способу  выполнения (однокорпусные, раздельные).

Однопостовые сварочные  преобразователи состоят из генератора и электродвигателя. Наибольшее распространение  в строительстве получили однопостовые генераторы с расщепленными полюсами и генераторы с размагничивающей последовательной обмоткой.

Генераторы с расщепленными  полюсами обеспечивают падающую внешнюю  характеристику, используя размагничивающее действие магнитного потока якоря.

Для сварки в защитных газах  применяют генераторы с жесткой  или возрастающей внешней характеристикой. Такие генераторы имеют обмотки  независимого возбуждения и подмагничивающую последовательную обмотку. При холостом ходе э.д.с. генератора наводится магнитным потоком, который создается обмоткой независимого возбуждения. При рабочем режиме сварочный ток, проходя через последовательную обмотку, создает магнитный поток, совпадающий по направлению с магнитным потоком обмотки независимого возбуждения. Тем самым обеспечивается жесткая или возрастающая вольт-амперная характеристика.

Многопостовой сварочный  преобразователь имеет жесткую  внешнюю характеристику, т.е. независимо от количества работающих постов напряжение генератора должно быть постоянным. Для получения постоянного напряжения многопостовой генератор имеет параллельную обмотку возбуждения, создающую магнитный поток и последовательную обмотку, создающую магнитный поток того же направления.

Применение многопостовых  сварочных преобразователей уменьшает  площади, занимаемые сварочным оборудованием, сокращает расходы на ремонт, уход и обслуживание.

Сварочные аппараты переменного  тока подразделяют на четыре основные группы: сварочные аппараты с отдельным  дросселем, сварочные аппараты со встроенным дросселем, сварочные аппараты с  подвижным магнитным шунтом и  сварочные аппараты с увеличенным  магнитным рассеянием и подвижной  обмоткой.

Сварочные аппараты с отдельным  дросселем состоят из понижающего  трансформатора и дросселя (регулятора тока). При возбуждении дуги большой  ток, проходя через обмотку дросселя, создает мощный магнитный поток, наводящий э.д.с. дросселя, направленную против напряжения трансформатора. Вторичное напряжение, развиваемое трансформатором, полностью поглощается падением напряжения в дросселе. Напряжение в сварочной цепи почти достигает нулевого значения.

При возникновении дуги сварочный  ток уменьшается, вслед за ним  уменьшается э.д.с. самоиндукции дросселя, направленная против напряжения трансформатора, и в сварочной цепи устанавливается рабочее напряжение, необходимое для устойчивого горения дуги, меньшее, чем напряжение холостого хода.

Сварочные аппараты со встроенным дросселем имеют электромагнитную схему, разработанную академиком В.П. Никитиным. Магнитный поток, создаваемый обмоткой дросселя, может иметь попутное или встречное направление с потоком, создаваемым вторичной обмоткой трансформатора, в зависимости от того, как включены эти обмотки. Сварочный ток регулируют, изменяя воздушный зазор. Чем больше зазор, тем больше сварочный ток.

Трехфазные сварочные  аппараты применяют при сварке трехфазной дугой спаренными электродами. Процесс  сварки осуществляется сварочными дугами, которые возбуждаются между каждым электродом и свариваемой деталью  и между электродами. Они обеспечивают высокую производительность, экономию электроэнергии и равномерную загрузку фаз сети при высоком коэффициенте мощности, однако ввиду сложности  сварочного оборудования и трудностей при сварке потолочных и вертикальных швов применяется ограничено.

Сварочные выпрямители получили большое распространение. Их основные преимущества: высокий коэффициент  полезного действия, и относительно небольшие потери холостого хода, высокие динамические свойства при  меньшей электромагнитной индукции, отсутствие вращающихся частей и  бесшумность в работе, равномерность  нагрузки фаз, небольшая масса. Сварочные  выпрямители состоят из двух основных блоков: понижающего трехфазного  трансформатора с устройствами для  регулирования напряжения или тока и выпрямительного блока. Сварочные  выпрямители с жесткой характеристикой  предназначены для сварки в защитном газе плавящимся электродом.

Сварочный пост дуговой сварки оснащается в зависимости от вида работ. Основное оборудование сварочного поста состоит из источника питания  дуги, сварочных проводов, принадлежностей  и инструментов сварщика.

Сварочные провода выбирают в зависимости от наибольшего  допустимого сварочного тока.

Сварка арматуры

Для соединения стержней арматуры и каркасов применяют электродуговую и контактную точечную и стыковую сварку. Вручную дуговую сварку крестовых соединений допускается вести в исключительных случаях — при сварке стержней больших диаметров и отсутствии оборудования для контактной сварки. При дуговой сварке стержни соединяют с применением вспомогательных элементов: косынок, накладок и т. д. Использование ее связано с дополнительным расходом арматурной стали и затратами труда; качество же сварных соединений получается недостаточно высокое.

Способ контактной стыковой сварки основан на использовании  выделений тепла в местах контакта торцов стержней (из-за большого сопротивления  в местах контакта) при пропускании  через них электрического тока, в  результате чего происходит их оплавление и при прижиме концов стержней — соединение. «Осадка» стержней продолжается некоторое время и после отключения тока. Давление сжатия торцов зависит  от класса свариваемых сталей и площади  стыка. Для быстрого нагрева металла  и уменьшения тепловых потерь применяют  высокие токи (порядка 50000 А). Недостатками контактной сварки являются большая  масса сварочного оборудования и  высокие электрические мощности, что позволяет использовать их только в стационарных условиях.

При контактной сварке применяют  как непрерывное, так и прерывистое  оплавление. В последнем случае стержни  многократно сближаются (от 3 до 20 раз) до легкого соприкосновения, вследствие чего они разогреваются и непрерывно оплавляются. При способе прерывистого оплавления требуется меньшая плотность  тока, что позволяет при той  же мощности сваривать стержни большего диаметра, уменьшить величину оплавления и избежать закалки металла в зоне стыка.

Режим стыковой сварки, характеризуемый  длительностью протекания, силой  и плотностью тока и зависящий  от класса свариваемой арматурной стали, должен обеспечивать равномерность  стыковых соединений материалов стержней при наименьшем расходе электроэнергии.

Длительность прохождения  тока при сварке колеблется от 1 до 20 с в зависимости от площади  поперечного сечения стержней: плотность  тока при прерывистом оплавлении составляет от 3 до 15 А/мм2,а при непрерывном оплавлении — от 10 до 50 А/мм2. Давление осадки стержней составляет   для сталей    класса    А-1 3— 5 кгс/мм2, классов А-П и А-Ш — 6—8 кгс/мм2.

Жесткие режимы позволяют  сократить время сварки, однако значительно  увеличиваются потребные электрические  мощности. Жесткие режимы целесообразны  для хорошо свариваемых малоуглеродистых сталей; сваривать же более прочные  стали нужно при более мягких режимах.