Сварка решетчатых конструкций

                                  Содержание 

 1.Введение................................................................

2. Принцип действия сварочного  генератора………

3. Источник питания сварочной дуги...................... 
4. Правила безопасности при выполнении сварочных работ…………………………………………………… 
5. Использованая литература..................................

1.Введение

В 1802 году впервые в мире профессор физики Санкт-Петербургской  медико-хирургической академии В.В.Петров (1761-1834гг.) открыл электрическую дугу и описал явления, происходящие в ней, а также указал на возможность её практического применения. В 1881 году русский изобретатель Н.Н.Бенардос (1842-1905гг.) применил электрическую дугу для соединения и разъединения стали. Дуга Н.Н. Бенардоса горела между угольным электродом и свариваемым металлом. Присадочным прутком для образования шва служила стальная проволока. В качестве источника электрической энергии использовались аккумуляторные батареи. Сварка, предложенная Н.Н. Бенардосом, применялась в России в мастерских Риго-Орловской железной дороги при ремонте подвижного состава. Н.Н. Бенардосом были открыты и другие виды сварки: контактная точечная сварка, дуговая сварка несколькими электродами в защитном газе, а также механизированная подача электрода в дугу.  
В 1888 году русский инженер Н.Г.Славянов (1854-1897гг.) предложил дуговую сварку плавящимся металлическим электродом. Он разработал научные основы дуговой сварки, применил флюс для защиты металла сварочной ванны от воздействия воздуха, предложил наплавку и сварку чугуна. Н.Г.Славянов изготовил сварочный генератор своей конструкции и организовал первый в мире электросварочный цех в Пермских пушечных мастерских, где работал с 1883 по 1897г.  
Н.Н.Бенардос и Н.Г.Славянов положили начало автоматизации сварочных процессов. Однако в условиях царской России их изобретения не нашли большого применения. Только после Великой Октябрьской социалистической революции сварка получает распространение в нашей стране. Развитие и промышленное применение сварки требовало разработки и изготовления надёжных источников питания, обеспечивающих устойчивой горение дуги. Такое оборудование – сварочный генератор СМ-1 и сварочный трансформатор с нормальным магнитным рассеянием СТ-2 – было изготовлено впервые в 1924 году Ленинградским заводом «Электрик». В том же году советский учёный В.П. Никитин разработал принципиально новую схему сварочного трансформатора типа СТН. Выпуск таких трансформаторов заводом «Электрик» начал с 1927г.  
В 1928 году учёный Д.А. Дульчевский изобрёл автоматическую сварку под флюсом. 
Новый этап в развитии сварки относится к концу 30-ых годов, когда коллективом института электросварки АН УССР под руководством академика Е.О.Патона был разработан промышленный способ автоматической сварки под флюсом.

Внедрение его в производство началось с 1940г. Сварка под флюсом сыграла  огромную роль в годы войны при  производстве танков, самоходных орудий и авиабомб. Позднее был разработан способ полуавтоматической сварки под флюсом.В конце 40-ых годов получила промышленное применение сварка в защитном газе. Коллективами Центрального научно-исследовательского института технологий машиностроения и Института электросварки имени Е.О. Патонова разработана и в 1952 году внедрена полуавтоматическая сварка в углекислом газе. 
Огромным достижением сварочной техники явилась разработка коллективом ИЭС в 1949 году электрошлаковой сварки, позволяющей сваривать металлы практически любой толщины. 
Авторы сварки в углекислом газе плавящимся электродом и электрошлаковой сварки К.М. Новожилив, Г.З. Волошкевич, К.В.Любавский и др. удостоены Ленинской премии. 
В последующие годы в стране стали применяться: сварка ультразвуком, электронно-лучевая, плазменная, диффузионная, холодная сварка, сварка трением и др. Большой вклад в развитие сварки внесли учёные нашей страны: В.П.Вологдин, В.П.Никитин, Д.А. Дульчевский, Е.О. Патонов, а также коллективы Института электросварки имени Е.О. Патонова, Центрального научно-исследовательского института технологии машиностроения, Всесоюзного научно-исследовательского и конструктивного института автогенного машиностроения, Института металлургии имени А.А. Байкова, ленинградского завода «Электрик» и др. 
Сварка во многих случаях заменила такие трудоёмкие процессы изготовления конструкций, как клёпка и литьё, соединение на резьбе и ковка. Преимущество сварки перед этими процессами следующие:  
 
• экономия металла – 10...30% и более в зависимости от сложности конструкции 
• уменьшение трудоёмкости работ, сокращение сроков работ и уменьшение их стоимости 
• удешевление оборудования 
• возможность механизации и автоматизации сварочного процесса  
• возможность использования наплавки для восстановления изношенных деталей 
• герметичность сварных соединений выше, чем клепаных или резьбовых 
• уменьшение производственного шума и улучшение условий труда рабочих 
Виды сварки. 
Сварка плавлением осуществляется при нагреве сильным концентрированным источником тепла (электрической дугой, плазмой и др.) кромок свариваемых деталей, в результате чего кромки в месте соединения расплавляются, самопроизвольно сливаются, образуя общую сварочную ванну, в которой происходят некоторые физические и химические процессы. 
Сварка давлением осуществляется пластическим деформированием металла в месте соединения под действием сжимающих усилий.

 В результате различные  загрязнения и окислы на свариваемых  поверхностях вытесняются наружу, а чистые поверхности сближаются  по всему сечению на расстояние атомного сцепления.

Основные виды сварки: 
Ручная дуговая сварка осуществляется покрытыми металлическими электродами. К электроду и свариваемому металлу подводится переменный или постоянный ток, в результате чего возникает дуга, постоянную длину которой необходимо поддерживать на протяжении всего процесса сварки.  
Дуговая сварка под флюсом. Сущность сварки состоит в том, что дуга горит под слоем сварочного флюса между концом голой электродной проволоки. При горении дуги и плавлении флюса создаётся газошлаковая оболочка, препятствующая отрицательному воздействию атмосферного воздуха на качество сварного соединения.  
Дуговая сварка в защитном газе производится как неплавящимся (чаще вольфрамовым), так и плавящимся электродам.  
При сварке неплавящимся электродом дуга горит между электродом и свариваемым металлом в защитном инертном газе. Сварочная проволока вводится в зону сварки со стороны.  
Сварка плавящимся электродам выполняется на полуавтоматах и автоматах. Дуга в данном случае возникает между непрерывно подающейся голой проволокой и свариваемым металлом.  
В качестве защитных газов применяют инертные (аргон, гелий, азот) и активные газы (углекислый газ, водород, кислород), а также смеси аргона с гелием, либо углекислым газом, либо кислородом; углекислого газа с кислородом и др.  
Газовая сварка осуществляется путём нагрева до расплавления свариваемых кромок и сварочной проволоки высокотемпературным газокислородным пламенем от сварочной горелки. В качестве горючего газа применяется ацетилен и его заменители (пропан-бутан, природный газ, пары жидких горючих и др.)  
Электрошлаковая сварка применяется для соединения изделий любой толщины в вертикальном положении. Листы устанавливают с зазором между свариваемыми кромками. В зону сварки подают проволоку и флюс. Дуга горит только в начале процесса. В дальнейшем после расплавления определённого количества флюса дуга гаснет, и ток проходит через расплавленный шлак.  
Контактная сварка осуществляется при нагреве деталей электрическим током и их пластической деформации (сдавливании) в месте нагрева. Местный нагрев достигается за счёт сопротивления электрическому току свариваемых деталей в месте их контакта. Существует несколько видов контактной сварки, отличающихся формой сварного соединения, технологическими особенностями, способами подвода тока и питания электроэнергией.

Виды контактной сварки:  
• стыковой контактной сварке свариваемые части соединяют по поверхности стыкуемых торцов. 

• точечной контактной сваркой  соединение элементов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов, подводящих ток и передающих усилие сжатия. 
• рельефная контактная сварка осуществляется на отдельных участках по заранее подготовленным выступам – рельефам. 
• шовной контактной сварке соединение элементов выполняется внахлёстку вращающимися дисковыми электродами в виде непрерывного или прерывистого шва. 
Электронно-лучевая сварка. Сущность процесса сварки электронным лучом состоит в использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. При бомбардировке поверхности металла электронами подавляющая часть их кинетической энергии превращается в теплоту, которая используется для расплавления металла. 
Для сварки необходимо: получить свободные электроны, сконцентрировать их и сообщить им большую скорость, чтобы увеличить их энергию, которая при торможении электронов в свариваемом металле превращается в теплоту. 
Электронно-лучевой сваркой сваривают тугоплавкие и редкие металлы, высокопрочные, жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы и стали. 
Диффузионная сварка в вакууме имеет следующие преимущества: металл не доводится до расплавления, что даёт возможность получить более прочные сварные соединения и высокую точность размеров изделий; позволяет сваривать разнородные материалы: сталь с алюминием, вольфрамом, титаном, металлокерамикой, молибденом, медь с алюминием и титаном, титан с платиной и т. п.  
Плазменной сваркой можно сваривать как однородные, так и разнородные металлы, а также неметаллические материалы. Температура плазменной дуги, применяемой в сварочной технике, достигает 30 000 C. Для получения плазменной дуги применяются плазмотроны с дугой прямого или косвенного действия. В плазмотронах прямого действия плазменная дуга образуется между вольфрамовым электродом и основным металлом. Сопло в таком случае электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации дуги. В плазмотронах косвенного действия плазменная дуга создаётся между вольфрамовым электродом и соплом, а струя плазмы выделяется из столба дуги в виде факела. Дугу плазменного действия называют плазменной струёй. Для образования сжатой дуги вдоль её столба через канал в сопле пропускается нейтральный одноатомный (аргон, гелий) или двухатомный газ (азот, водород и другие газы и их смеси). Газ сжимает столб дуги, повышая тем самым температуру столба.

Лазерная сварка. Лазер – оптический квантовый генератор (ОПГ). Излучателем – активным элементом – в ОРГ могут быть: 1) твёрдые тела – стекло с неодимом, рубин и др.; 2) жидкости – растворы окиси неодима, красители и др.; 30 газы и газовые смеси – водород, азот, углекислый газ и др.;

4) полупроводниковые монокристаллы  – арсениды галлия и индия,  сплавы кадмия с селеном и  серой и др.

Обрабатывать можно металлы  и неметаллические материалы  в атмосфере, вакууме и в различных газах. При этом луч лазера свободно проникает через стекло, кварц, воздух.  
Холодная сварка металлов. Сущность этого вида сварки состоит в том, что при приложении большого давления к соединяемым элементам в месте их контакта происходит пластическая деформация, способствующая возникновению межатомных сил сцепления и приводящая к образованию металлических связей. Сварка производится без применения нагрева. Холодной сваркой можно получать соединения стык, внахлёстку и втавр. Этим способом сваривают пластичные металлы: медь, алюминий и его сплавы, свинец, олово, титан.  
Сварка трением выполняется в твёрдом состоянии под воздействием теплоты, возникающей при трении поверхностей свариваемых деталей, с последующим приложением сжимающих усилий. Прочное сварное соединение образуется в результате возникновения металлических связей между контактирующими поверхностями свариваемых деталей.  
Высокочастотная сварка основана на нагревании металла пропусканием через него токов высокой частоты с последующим сдавливанием обжимными роликами. Такая сварка может производиться с подводом тока контактами и с индукционным подводом тока.  
Сварка ультразвуком. При сварке ультразвуком неразъёмное соединение металлов образуется при одновременном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. Этот способ применяется при сварке металлов, чувствительных к нагреву, пластичных металлов, неметаллических материалов.  
Сварка взрывом основана на воздействии направленных кратковременных сверхвысоких давлений энергии взрыва порядка (100...200) Х 108 Па на свариваемые детали. Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, при плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическим и химическими свойствами, а также при сварке деталей из разнородных металлов и сплавов.

2.Принцип действия сварочного генератора

Сварочные генераторы в основном применяются  при ручной дуговой сварке штучными электродами. Как известно, по условиям статической устойчивости дуги в  этом случае генератор должен иметь  крутопадающие внешние статические  характеристики, т. е. напряжение на зажимах  генератора должно резко уменьшаться  при увеличении сварочного тока.Это требование объясняется тем, что ручная дуговая сварка наряду с относительно быстрыми изменениями длины дуги, связанными с процессом переноса металла при сварке, обычно сопровождается относительно медленными изменениями длины дуги, связанными с движениями руки сварщика и изменением конфигурации детали. При этих медленных колебаниях длины дуги точка устойчивого горения дуги лежит на внешней статической характеристике сварочного генератора. Если эта характеристика крутопадающая, то при изменениях длины дуги изменения тока сварки будут относительно небольшими. С другой стороны, известно, что стабильность горения дуги тем выше, чем меньше отклонения тока от заданного значения при изменениях длины дуги. Поэтому для ручной дуговой сварки применяются сварочные генераторы с крутопадающими внешними статическими характеристиками. Следует, однако, отметить, что и здесь возможны случаи, когда слишком большая крутизна внешней статической характеристики может препятствовать нормальному проведению сварочного процесса. Так, например, при сварке ответственных соединений в вертикальном и потолочном положениях с целью уменьшения тепловложений в шов, сварщик иногда периодически удлиняет дугу для соответствующего уменьшения сварочного тока. При этом необходимо, чтобы внешняя характеристика была более пологой, так как только в этом случае изменение длины дуги приведет к ощутимому изменению сварочного тока и сварщик сможет периодически уменьшать его. Однако во всех случаях ручной дуговой сварки установившийся ток короткого замыкания I_к.у не должен чрезмерно превышать рабочий ток I_р, обычно I_к.у = (1,25 ... 1,5)I_р. При больших значениях тока короткого замыкания возможны прожоги, осыпание обмазки и др.

3. Источник питания сварочной дуги

Важными параметрами процесса сварки являются вольт-амперная характеристика сварочной дуги и внешняя характеристика источника питания. От их согласования во многом зависят устойчивость горения  дуги и стабильность протекания процесса сварки.

На рис.1 показаны вольт-амперные характеристики дуги, представляющие собой зависимость  между напряжением U_Д и током I_Д при различной длине дуги l(l₂>l₁). Вольт-амперная характеристика дуги нелинейна, поскольку в общем случае электрический ток в газах не подчиняется закону Ома (дуга является электрическим разрядом в газе, и ее сопротивление не равняется постоянной величине). 

Рис.1 Вольт-амперные характеристики дуги

 
При малых токах (примерно до 100А) с  его увеличением интенсивно возрастают степень ионизации и число  заряженных частиц. Сопротивление столба дуги уменьшается, и для поддержания  тока необходимо меньшее напряжение.При возрастании тока увеличение степени ионизации происходит медленнее, рост количества носителей заряда уменьшается, и напряжение дуги становится мало зависящим от тока.

При больших плотностях тока степень  ионизации высокая, дуга не расширяется, так как ограничена диаметром  электрода, и ее сопротивление становится постоянным. На этом участке она  подчиняется закону Ома - ток и  напряжение прямо пропорциональня.

Для каждого способа сварки наиболее характерен свой участок характеристики дуги. Например, при ручной сварке покрытыми  электродами и неплавящимся электродом в среде аргона сила тока относительно невелика, а диаметр электрода  значителен. Эти условия соответствуют  подающему участку характеристики дуги. При сварке под флюсом сила тока больше, чем при ручной сварке, поэтому характеристика переходит  на пологий и частично на возрастающий участок. Сварка в углегислом газе характеризуется применением проволок малого диаметра, что пропорционально квадрату диаметра увеличивает плотность тока. Характеристика дуги становится возрастающей.Рассмотрим особенности выбора внешней характеристики источника питания для различных способов сварки.

Ручная  дуговая сварка:Одна из основных особенностей ручной сварки - частое изменение длины дуги. Оно связано с манипуляцией сварщиком электродом, его плавлением и необходимостью подачи электрода вниз, а также выполнением швов в неудобных и труднодоступных местах. Особенно частые колебания длины дуги возникают при недостаточной квалификации сварщика. Для обеспечения стабильности процесса сварки, требуемой глубины проплавления и хорошего качества шва необходимо, чтобы сила тока при колебаниях длины дуги изменялась минимально.

Если при ручной дуговой сварке использовать источник питания с  пологопадающей характеристикой, то при  удлинении дуги возможен ее обрыв  из-за малого тока, а при укорочении дуги возможен прожог из-за чрезмерно  большой силы тока. Поэтому при  ручной сварке применяются источники  питания с крутопадающей характеристикой, обеспечивающей максимальную стабильность процесса сварки.

4. Правила безопасности при выполнении  сварочных работ

Напряжение, при  котором выполняют сварку, может  быть опасным для человека. Чтобы  избежать поражения электрическим  током при сварочных работах, необходимо соблюдать следующие  правила техники безопасности.Корпуса сварочных машин, аппаратов и рубильников надо надежно заземлять.Сварочный кабель, электрододержатель и ручку рубильника изолировать.Не работать в дождливую погоду в открытых местах, а также в сырой одежде и обуви.Для защиты глаз и лица от световых и тепловых лучей сварочной дуги закрывать лицо специальным щитком или шлемом с темными стеклами, уменьшающими вредное воздействие тепловых и световых лучей; светофильтры выбирают по таблицам.Для предохранения темного стекла в щитке от брызг металла и случайных ударов с наружной стороны необходимо вставлять обычное бесцветное стекло и менять его по мере потери прозрачности.Длина проводов между питающей сетью и передвижным сварочным агрегатом для ручной дуговой сварки не должна превышать 15 м.Во избежание механических повреждений провода рекомендуется помещать в резиновый шланг.Внутри замкнутых резервуаров и других листовых металлоконструкций работы по электросварке можно выполнять только в диэлектрических галошах и на резиновом коврике или на подстилке из изолирующих материалов.Баллоны с кислородом и ацетиленом должны быть обеспечены предохранительными поддонами и колпаками, предохраняющими вентиль от возможных ударов. Баллоны полагается хранить только в вертикальном положении в гнездах специальных стоек. Порожние баллоны должны находиться в отдельном помещении. 
Особая осторожность требуется при эксплуатации переносных ацетиленовых аппаратов. Запрещается: – устанавливать их в проходах, подъездах, на лестничных площадках, в подвалах, а также в местах сосредоточения людей; 
вести работы от одного генератора несколькими горелками или резаками; – эксплуатировать газообразование сверх установленной паспортной производительности и отключать автоматические регуляторы.При газовой сварке надо следить за тем, чтобы масло не попало в воду газогенератора, на вентиль головки баллонов, шланги или инструмент, которым пользуется газосварщик, во избежание вспышки масла и взрыва.Все ацетиленовые аппараты должны быть оборудованы водяными затворами. Уровень жидкости в водяном затворе необходимо проверять не реже двух раз в смену и обязательно перед началом работы, а также после каждого обратного удара.Запрещается разводить открытый огонь, курить и зажигать спички на расстоянии ближе чем 10 м от газогенератора.Баллоны с кислородом и ацетиленом необходимо защищать от воздействия солнечных лучей .и устанавливать их в стороне от электрических проводов и нагретых предметов.Замерзшие газогенераторы, головки кислородных и ацетиленовых баллонов можно отогревать только горячей водой, не имеющей следов масла, или паром. 
Запрещается применять газовые редукторы без манометров, с неисправными манометрами и манометрами, срок проверки которых истек.На объектах строительства баллоны с газом полагается перевозить на тележках или носилках, причем баллоны должны быть хорошо закреплены.Нельзя оставлять без надзора заряженные баллоны и ацетиленовые аппараты при перерыве или прекращении работы.

5. Использованая литература

·  Корниенко А. Н. У истоков «электрогефеста». — М.: Машиностроение,

·  Малыш В. М., Сорока М. М. Электрическая сварка. — Киев: Техніка,

·  Красовский П. И., Мнткевич Э. К. Автогенная сварка. 

·  Лавров С. И. Автогенная обработка металлов. 

·  Оборудование для контактной сварки : справочное пособие / Под ред. В. В. Смирнова. — СПб.: Энергоатомиздат

·  Сидоров М. А. Манят огни электросварки. — М.: «Знание»

Принципиальная схема коллекторного  сварочного генератора для дуговой  сварки

При холостом ходе генератора (сварочная  цепь разомкнута) на его зажимах  создается напряжение холостого  хода, равное по значению ЭДС, создаваемой  в обмотке якоря ОЯ. Это напряжение при прочих равных условиях зависит  от магнитного потока, который создается  обмоткой возбуждения ОВН и, в  свою очередь, определяется током возбуждения  в этой обмотке, изменяемым с помощью , регулировочного реостата R.