Серийность производства на сварочном оборудовании. Виды сварки. Развитие сварки

Титульный

Содержание

Введение

Сваркой называется процесс соединения металлов, при котором устанавливается межатомное взаимодействие и осуществляется металлическая связь между частицами соединяемых металлов. Некоторые металлы способны образовывать сварные соединения при пластическом деформировании с нагревом до высоких температур. Другие металлы свариваются только в расплавленном состоянии. Высокопластичные металлы (медь, свинец и алюминий) можно соединять без нагрева путем совместной пластической деформации двух деталей. [1]

Сварка является высокоэкономичным и прогрессивным технологическим процессом соединения металлов.

Сварочное производство берет свое начало с древних времен, оно стало зарождаться как только появились первые металлы и началась их эксплуатация.

Нет такой области  в  человеческой жизни,  в которой не применялись бы сварочные работы. Это и космонавтика, и область здравоохранения, и машиностроение. [2]

Не только на земле, но и под водой, а так же в открытом космическом  пространстве проводятся сварочные  работы. Производство сварочных работ  проводится там, где необходимо прочное соединение, каких  либо материалов. Наиболее экономичный и эффективный способ соединения металлов – это сварка. Нет другого существующего способа соединить несколько металлических деталей, делающих их единым и целым изделием.  [1]

Производство сварочных работ  - это важнейший технологический процесс. Не  последнюю роль в этом процессе отводится специалистам, занимающимися  сварочными работами.

В настоящее время развития высоких  технологий не осталась в стороне и сварочная индустрия. Идёт постоянное улучшение  технологии сварочных работ. Производится  оптимизация времени,  отводящимся на сварочные процессы, с уменьшением затрат на них. [2]

Серийность производства на сварочном  оборудовании

Сварочное производство — это комплекс технологических различных операций по изготовлению сварной конструкции в законченном виде, подразделяется на следующие виды: единичное, мелкосерийное, серийное, крупносерийное.

Серийное производство - тип производства, характеризующийся ограниченной номенклатурой изделий, изготавливаемых или ремонтируемых периодически повторяющимися партиями, и сравнительно большим объемом выпуска. [3]

При серийном производстве применяются специальные поточные линии с отдельно расположенными рабочими местами и иногда связанными между собой транспортными средствами. Ритмичность линии обеспечивается за счет накопителей и промежуточных складов. Широко применяются высокопроизводительные приспособления, полуавтоматы и автоматы для сварки.

Серийное производство является основным типом современного производства, и предприятиями этого типа выпускается в настоящее время 75–80 % всей машиностроительной продукции. [4]

Объем выпуска предприятий серийного  типа колеблется от единиц и десятков, и сотен до тысяч регулярно повторяющихся изделий за определённые периоды времени. Используется универсальное, специальное и частично специализированное сварочное оборудование. Оборудование расставляется по технологическим группам с учетом направления основных грузопотоков цеха по предметно-замкнутым участкам. [4

Технологическая оснастка, в основном универсальная. При этом целесообразность ее создания должна быть предварительно обоснована технико-экономическими расчётами. Большое распространение имеет универсально-сборная, переналаживаемая технологическая оснастка, позволяющая существенно повысить коэффициент оснащенности серийного производства. [5]

Развитие сварки

Еще при раскопке первых Египетских пирамид были обнаружены сварные изделия. Во время раскопок древнего итальянского города Помпеи были найдены остатки труб первого трубопровода при производстве которого использовалась пайка.

Кованная сварка использовалась для получения наконечников стрел, копий, для изготовления различных орудий труда. С появлением литейного производства возникла так называемая литейная сварка которая осуществлялась методом промежуточного литья. Метод представлял из себя соединение двух заготовок и заливки место стыка расплавленным металлом. Сварка кузнечным способом и пайка были актуальны и активно развивались вплоть до начала девятнадцатого века. [1]

С наступлением девятнадцатого века началась эпоха индустриализации. Стремительные темпы развития индустрии повлекли за собой усовершенствование технологических процессов во всех отраслях производства, строительства и т.д. Естественно потребность в применении металлов сильно возросла, так как используемые материалы не удовлетворяли возросшим требованиям. Как следствие потребовались новые методы сварки, началось активное развитие сварочного производства. Изучались новые способы нагрева металла. [2

Огромный вклад в  этой области принадлежит профессору медико-хирургической академии в Санкт-Петербурге Василию Владимировичу Петрову(1761-1834). Он первым открыл и наблюдал электрическую дугу, также он первым предложил использовать ее для освещения и мгновенного расплавления металла. Так была открыта электродуговая сварка. Первые она была применена в 1881 году, электроды для электродуговой сварки были неплавящиеся угольные. Однако спустя небольшое время через шесть лет в 1888 году Николай Гаврилович. Славянов сменил угольные электроды на голые металлические(прутки), так была впервые открыта дуговая сварка с применением плавящегося электрода. [3

В 1902 году Кельберг изобрел  флюс для открытых электродов, тем  самым сделал процесс гораздо эффективнее и благоприятнее, дуга стала более стабилизированной.

Газопламенная сварка была открыта в 1903 году французскими инженерами Эдмоном Фуше и Шарлем Пикаром которые разработали первую ацетиленовую горелку и запатентовали ее в Германии. С тех пор спустя столько лет принцип горелки при газопламенной сварке практически не изменился. [4]

Началась эпоха развития газопламенной сварки, предпосылки к этому были еще в 1895 году когда французский ученый Aнpи Лyи Лe Шeтельe получил высокотемпературное пламя (выше 3000 градусов) при сгорании ацетилена и кислорода. Однако в то время ацетилен не был столь доступным а его использование достаточно безопасным. В 1906 году появились достаточно надежные ацетилено-кислородные горелки и газопламенная сварка и резка металла стали широко применятся во всех отраслях промышленности и заняли доминирующее положение в сварочном производстве. Поскольку на тот период времени газопламенная сварка обеспечивала лучшие свойства и характеристики сварного шва, все нефте-газовые магистрали и другие крупные трубопроводы в Советском Союзе в 1926-1935 годах были построены с применением газопламенной сварки. [5]

Параллельно этому электродуговая сварка в свою очередь не стояла на месте и так же интенсивно развивалась, с 1912 года на электроды стали наносить толстое покрытие которое по своей сути представляло из себя оболочку из синего асбеста насыщенного жидким стеклом. Такая оболочка не только обеспечивала защиту от атмосферного загрязнения, но и образовывала легко ионизируемые компоненты, делавшие устойчивым горение дуги. Это компенсировало недостаток мастерства сварщика и увеличивало вероятность получения шва без дефектов. Наконец то прочность сварного шва и прочность основного металла сравнялись. [2]

К началу 1940 года был разработан новый способ электродуговой сварки - сварка под флюсом , преимуществом этого способа была защита дуги и расплавленного металла оболочкой из расплавленного флюса и прослойкой гранулированных частиц нерасплавленного флюса.

Постепенно электродуговая сварка начала вытеснять газопламенную , этому также способствовал дефицит  карбида кальция. К началу 50-х  годов были разработаны и внедрены в производство методы кислородно-флюсовой резки. [1]

На протяжении следующих 30-ти годов разработка и внедрение  новых модификаций электродуговой сварки стремительно развивались. С  наступлением 80-х годов активно началось изучение газолазерной сварки, в тот период времени этот метод считался наиболее перспективным.

Так же были разработаны  и введены в эксплуатацию порошково-проволочные электроды небольшого диaметрa( 1,2-1,6 мм). [1]

Согласно инновационному подходу во многих производственных отраслях предпочтение отдается недавно разработанным материалам – лучше один раз вложить миллионы, чем десятилетия тратить миллиарды на старые технологии. Универсальные пластики, демонстрирующие отменные механические показатели в широком температурном диапазоне, постепенно вытесняют дорогие сплавы. И дело тут не в меньшем весе, а в экономных с энергетической точки зрения технологиях. В эпоху перехода на новые энергоносители, огромное значение отдается внедрению в производство пластика, что зачастую делает невозможным использование обычных технологий сварки.[2]

Для сварки пластмасс  уже применяются такие виды сварки как лазерная, плазменная, ультразвуковая, вибрационная.[3]

Виды сварки, применяемые в производстве, их преимущества и недостатки

Электрическая дуговая сварка

В настоящее время электрическая  дуговая сварка занимает первое место  среди многочисленных способов сварки материалов.[4]

Дуга может питаться как постоянным, так и переменным током, одно- или многофазным, низкой или высокой частоты. При постоянном токе имеет значение полярность электрода. Чаще к электроду присоединяют отрицательный полюс источника тока, а к изделию — положительный; тогда получают прямую или нормальную полярность,

Иногда вместо плавящегося  электрода сварщик использует неплавящийся (угольный), поэтому для формирования сварного шва в зону дуги вводится специальный дополнительный присадочный пруток, который, расплавляясь, образует сварной шов. [5]

Сварка покрытым электродом может осуществляться во всех пространственных положениях свариваемого участка изделия: в наиболее удобном для сварщика положении -нижнем, на вертикально расположенном участке и, наконец, в потолочном положении, когда поворот изделия для удобства сварки невозможен.[6]

К достоинствам ручной дуговой  сварки следует отнести простоту процесса, применение несложного в устройстве и работе оборудования для питания дуги, позволяющего использовать этот способ не только в стенах крупного предприятия, но и на строительных, а также монтажных площадках, в небольших мастерских как городского, так и сельского типа.[5]

Вместе с тем ручной дуговой сварке присущи значительные недостатки, важнейшими из которых  являются: использование ручного  труда рабочих высокой квалификации, низкая производительность процесса вследствие использования небольших величин сварочного тока (чтобы не перегревался пруток электрода) и перерыв процесса из-за необходимости замены электродов по мере того, как они расплавляются.[4]

Сварка под  слоем флюса

При сварке под флюсом вместо штучных электродов применяется электродная проволока большой длины, свернутая в виде кассеты. Ее подача в зону дуги по мере плавления, а также перемещение самой дуги вдоль свариваемых кромок механизированы и осуществляются сварочным автоматом, имеющим устройство для внесения в зону сварки флюса и отсоса нерасплавившейся его части со шва для возврата в бункер.[3]

Преимущества автоматической сварки под слоем флюса сводятся к следующему:

высокая производительность процесса, обусловленная возможностью применять значительный по величине ток (в сравнении с открытой дугой — в 10 раз и более);

закрытая и мощная дуга под флюсом обеспечивает лучшее использование сварочного тока —  значительное проплавление свариваемого металла, позволяющее уменьшать  разделку кромок или вообще ее не делать. Следствием этого является существенное сокращение расхода электродного металла и электроэнергии. Вместе с тем, уменьшаются и потери металла на угар, разбрызгивание, огарки (неизбежные при ручной сварке);

стабильное, хорошее качество и формирование сварных швов;

высокий уровень механизации  и возможность комплексной автоматизации  сварочного процесса;

улучшение условий труда, так как нет необходимости  в защите глаз и лица сварщика от вредного действия дуги.

Однако у способа  имеются и недостатки:

возможность сварки только в нижнем положении при наклоне изделия не более, чем на 10-15° от горизонтали, с целью предупреждения отекания расплавленного металла и флюса, нарушающего правильное формирование шва;

невозможность (или нецелесообразность) сварки тонколистового металла толщиной менее 3 мм, швов малого калибра;

сложность и громоздкость сварочного оборудования, уменьшающих  маневренность способа;

необходимость более  тщательной (в сравнении с ручной сваркой) подготовки кромок и более  точной сборки деталей под сварку.[5]

Сварка в  среде защитных газов.

При этом виде сварки вместо флюса используется защитный газ, подаваемый в зону горения дуги под небольшим  избыточным давлением, защищающим расплавленный металл от контакта с воздухом.

Для защиты зоны сварки применяют три группы газов: инертные (аргон, гелий), активные (углекислый газ, водород, азот и др.) и смеси газов.

Сварка в защитных газах неплавящимся электродом имеет  много разновидностей, одна из которых, например, называется сваркой пульсирующей дугой или импульсно-дуговой сваркой.

Чаще всего сварка неплавящимся электродом в инертных газах применяется при изготовлении изделий из алюминия, магния и их сплавов, сплавов на основе никеля, некоторых специальных сталей. [2]

При сварке плавящимся электродом дуга возбуждается между изделием и электродом, который по мере расплавления подается в зону дуги специальными подающими роликами. Область использования плавящегося электрода в защитном инертном газе примерно такая же, что и при сварке вольфрамовым электродом, — получение швов различной протяженности и конфигурации на изделиях из цветных металлов, высоколегированных сталей, титановых сплавов и др.

Сварка в защитных газах позволяет:

успешно выполнять швы  в любом пространственном положении, что дает возможность использовать сварочные работы;

выполнять стыковые швы  «на весу», т.е. без каких-либо предварительных  подварок или применения подкладок;

непосредственно наблюдать  и контролировать движение дуги по свариваемому участку, образование  шва, так как зона сварки открыта.

Кроме того, отсутствует  шлаковая корка на шве, а значит и  затраты времени на ее удаление.

К недостаткам этого  процесса следует отнести следующие:

при выполнении больших  по размерам швов производительность примерно вдвое меньше, чем при  сварке под флюсом;

затруднена сварка на открытом воздухе при ветре — из-за сдувания защитного газа;

при сварке в углекислом газе в общем случае наблюдается  разбрызгивание металла, требующее  по окончании сварки удаления брызг  с поверхности металла;

необходимость применения защитных средств против светового и теплового излучения дуги.

Наиболее рационально  использовать сварку в защитных газах  при изготовлении изделий из металла  небольшой толщины (до 10 мм), когда  применение сварки под флюсом оказывается  невыгодным или невозможным.[3]

Сварка самозащитной проволокой

Особое место среди  способов дуговой сварки занимает сварка самозащитной проволокой. При этом способе защита металла шва от вредного воздействия воздуха и его легирование достигаются только за счет процессов, сопровождающих плавление специальной электродной проволоки, без дополнительного использования флюса или какого-либо защитного газа.[6]

Плазменная  сварка

При плазменной сварке и  резке источником нагрева служит дуга, столб которой принудительно  обжат по диаметру, что приводит к резкой концентрации удельной тепловой мощности и повышению температуры плазмы дуги.

В отличие от обычной  дуги, горящей свободно, когда для  плавления металла используется главным образом тепло, выделяемое в активных пятнах (анодное и катодное пятна), в сжатой дуге роль активных пятен несущественна; основным источником тепла для сварки (или резки) служит искусственно удлиняемый и сжатый столб дуги, превращаемый в ярко светящуюся струю плазмы или поток плазмы — с высокой плотностью энергии. Чрезвычайно перспективно применение сжатой дуги в наплавочных работах и в процессах напыления.[5]

Электрошлаковая сварка

Известно, что при расплавлении флюса образуется шлак, который является проводником электрического тока. При  пропускании электрического тока через шлак в нем будет выделяться, в соответствии с законом Джоуля— Ленца, теплота. Этот принцип и лежит в основе электрошлаковой сварки.

В зависимости от вида электрода и характера его  подачи в шлаковую ванну, существует несколько разновидностей электрошлаковой сварки (ЭШС): сварка одной электродной проволокой (без колебаний или с колебаниями), сварка несколькими электродными проволоками, сварка электродами большого сечения — в виде пластин и др.

К несомненным достоинствам электрошлаковой сварки можно отнести следующие:

возможность сварки за один проход изделий практически неограниченной толщины;

высокую производительность сварки толстостенных деталей (толщиной 60 мм и более), превышающую производительность многослойной сварки под флюсом тех  же деталей в 5 — 6 раз, а ручной — в 20 — 25 раз;

незначительный расход флюса, в 15 — 20 раз меньший, чем при  автоматической сварке;

меньшая (в 1,5 — 2 раза) энергоемкость  процесса по сравнению с автоматической сваркой под флюсом;

невысокая, в сравнении  с многопроходной автоматической сваркой под флюсом, стоимость сварного соединения, обусловленная малым расходом флюса, электроэнергии, упрощением подготовки кромок под сварку;

возможность изготовления уникальных по размерам и массе деталей  и получения таким путем сварнолитых, сварнокованых изделий (например, сварнолитые станины тяжелых прессов и прокатных станов, толстостенные сварнокованые цилиндры и др.);

возможность получения  сварных соединений высокого качества, лишенных пор, шлаковых включений, трещин, подрезов.

Однако электрошлаковая сварка не лишена и недостатков, к их числу относятся следующие:

применение малой скорости сварки (менее 1 м/ч) при значительном тепловложении приводит к длительному  тепловому воздействию на металл и медленному его охлаждению, следствием чего является перегрев металла околошовной зоны с формированием в ней весьма крупного зерна, обладающего сниженными пластическими свойствами и хрупкостью. Крупнозернистая, литая структура образуется и в металле шва. В связи с этим возникает необходимость (особенно при изготовлении ответственных конструкций) после электрошлаковой сварки подвергать изделие специальной термообработке с целью уменьшения размера зерен;

необходимость устанавливать свариваемое  соединение в вертикальном положении  или близком к этому;

недопустимость остановки сварочного аппарата в процессе выполнения шва, так как тогда неизбежно появление дефектов в месте остановки после сварки этого участка;

необходимость изготовления специальных  технологических деталей (планок, формирующих  устройств, «стартовых карманов» для наведения шлаковой ванны и др.), требуемых при сборке изделия под сварку.

Электрошлаковая сварка легла в основу разработки ряда новых  технологий, выходящих за рамки сварочного производства, которые впоследствии получили общее название — электрошлаковая  технология, включающая сегодня около 20 технологических процессов.[5]

Контактная и прессовая сварка

Контактная сварка – наиболее старый и высокопроизводительный процесс получения неразъемных соединений металлов.

Образование "неразъемного соединения при контактной сварке происходит в  результате нагрева металла проходящим электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.

Количество тепла, выделяемое в  металле при протекании через  него электрического тока, определяется законом Джоуля – Ленца:

По форме выполняемых сварных  соединений существуют три основных вида контактной сварки: стыковая, точечная и шовная.

Стыковая контактная сварка имеет две разновидности: сварка сопротивлением и сварка оплавлением.

К достоинствам стыковой сварки сопротивлением следует отнести:

простоту устройства машины;

незначительный расход энергии на нагрев деталей, при высокой  производительности сварки;

уменьшенный расход металла (только на осадку).

Вместе с тем, процесс  имеет и недостатки:

значительное давление осадки, вследствие чего машина должна иметь высокие силовые характеристики;

трудность обеспечения  высокого качества сварных соединений (особенно при сварке больших сечений) из-за неравномерного прогрева стыка и возможного присутствия в нем не удаленных окисных пленок.

Сварка оплавлением  может быть прерывистой и непрерывной.

Сварка оплавлением  имеет ряд преимуществ:

возможность получения соединений из различных сталей цветных металлов и их сплавов весьма развитого сечения (углеродистых сталей — более 100 000 мм2, алюминиевых сплавов - до 30 000 мм2 и др.);

высокая производительность машин (больше чем при электродуговой и электрошлаковой сварке встык таких же сечений);

не требуется особая подготовка и очистка соединяемых  поверхностей деталей, качество сварных  соединений высокое.

Однако у этого вида сварки есть и недостатки: значительный расход металла на оплавление и осадку; необходимость удаления после сварки грата, а иногда и самого усиления;

усложненная схема привода  машин и узлов автоматического  управления.

Стыковая сварка оплавлением  применяется для соединения трубных  стыков, фасонных профилей (например, стыков рельс), стержней массивного сечения, различных деталей машин и т.д.

Одним из наиболее распространенных способов контактной сварки является точечная сварка. При этом процессе соединяемые детали зажимают между  электродами машины, имеющими форму усеченных конусов, и через них пропускают ток.

Протекающий через детали ток более всего разогревает  металл в месте их соприкосновения, так как здесь сопротивление  току наиболее значительное.

Давление, оказываемое  на электроды, должно быть таким, чтобы  не только преодолеть жесткость деталей, но и осуществить нужную пластическую деформацию разогретого участка металла. В итоге, в зоне сварки создается своеобразное ядро сварной точки, имеющей чечевицеобразную форму.

Для точечной сварки характерна высокая производительность, намного  превышающая производительность автоматической дуговой сварки. Вместе с тем этот процесс высокоэкономичен, так как отсутствует расход сварочных материалов, а расход электроэнергии небольшой. Кроме того, деформации сваренных деталей очень незначительны. К достоинствам точечной сварки следует отнести простоту конструкции машины в сравнении со стыковыми и шовными, возможность полной автоматизации процесса, комплексной автоматизации производства в целом. Но и точечная контактная сварка имеет недостатки:

возможность выполнения соединения только внахлестку;

отсутствие герметичности  сварных швов;

зависимость качества сварной  точки от чистоты поверхности  металла и степени сопряженности  их друг с другом и др.

Наиболее эффективно применение точечной сварки в серийном и массовом производстве однотипных деталей – в автомобилестроении, с/х машиностроении, вагоностроении, угольном машиностроении, электротехнической и радиотехнической промышленности, самолетостроении и др.

Шовная контактная сварка близка точечной, но в отличие от нее, машина, выполняющая этот процесс, имеет вместо конических электродов ролики, катящиеся по линии сварки и дающее сплошной, непрерывный плотнопрочный шов.

Обычно при шовной сварке применяется прерывистый  режим работы, тогда сварной шов  состоит из отдельных сварных точек, взаимно перекрывающих друг друга. Такой режим работы осуществляется либо за счет подачи тока в виде отдельных импульсов при непрерывном перемещении роликов, либо за счет «шагового», т.е. прерывистого движения роликов, когда ток дается в момент краткой остановки роликов. Более распространены машины, работающие на режиме непрерывного вращения роликов, имеющие не столь сложную конструкцию механической части. Шовная сварка обладает рядом существенных достоинств. К их числу относятся:

герметичность сварного соединения;

экономичность процесса, вследствие отсутствия расхода сварочных  материалов и небольшого расхода  электроэнергии;

возможность полной автоматизации  технологического процесса.

Наиболее же существенные недостатки — необходимость очистки свариваемых поверхностей от окалины, ржавчины, окислов и различных загрязнений, сравнительно невысокая скорость сварки и др.

Шовная сварка используется для соединения листов малой толщины (до 2 — 3 мм) в производстве автомобилей, цельносварных тонкостенных труб, тонкостенных изделий электротехнической и радиотехнической промышленности, различных металлических изделий и т.д. [5]

Холодная сварка

Одним из наиболее древних  способов сварки в твердой фазе является холодная. Первые систематические исследования процесса холодной сварки были начаты в 1948 г. в Англии. Позднее этот способ сварки быстро распространился во многих промышленно развитых странах и в настоящее время она успешно применяется для сварки изделий из пластичных металлов, таких как медь, алюминий, свинец, олово, никель и др.

Существуют многочисленные способы холодной сварки, но наиболее широко используются точечная и шовная для нахлесточных соединений и стыковая для получения соединений встык.

Наиболее широкое применение холодная сварка находит в производстве изделий домашнего обихода из алюминия и его сплавов (чайники, кастрюли и т.п.), в электротехнической промышленности и транспорте для соединения алюминиевых и медных проводов, а также при приварке медных наконечников к алюминиевым проводам и т.д.

Несомненные достоинства  холодной сварки, такие как простота процесса, высокая производительность, возможность использования стандартного прессового и прокатного оборудования и другие, ставят этот вид сварки в ряд важных процессов. Следует, однако, иметь в виду и ограничения по использованию холодной сварки, которые связаны, в основном, с невозможностью осуществления большой пластической деформации многих металлов и сплавов (например, углеродистой стали, алюминиево-магниевых сплавов и других материалов). [5]