1. Основные сведения о сварке

Сварка является ведущим технологическим процессом при из­готовлении и монтаже строительных конструкций.

Сварка-это технологический процесс получения неразъёмных соединений металлических элементов конструкций при нагрева­нии или пластическом деформировании. Соединения при сварке осуществляют за счет установления межатомных связей между свариваемыми частицами металла.

Сварка является высокопроизводительным технологическим процессом, благодаря своей простате находит широкое примене­ние в строительстве. Сварка является экономически выгодным процессом. например, при замене клепаных или болтовых кон­струкций на сварные соединения экономия металлов составляет 20-25%, а при замене литых деталей сварными - около 50%.

1. Исторический очерк развития сварочного производства

Возникновение первых простейших методов сварки относится к началу освоения человеком металлов. Первоначально металл ковали каменными орудиями, и путем проковки кусочков метал­ла удавалось соединить их в более крупные куски. Так возникла кузнечная сварка. Для обеспечения соединения подогревали ме­талл, зачищали соединяемые поверхности и наносили на них флюсующие вещества.

В дальнейшем появилась литейная сварка, при которой соеди­няемые детали помещали в форму, а место соединения заливали жидким металлом. Позднее стали добывать легкоплавкие метал­лы, при использовании которых появился более удобный и про­изводительный метод пайки. Кузнечная сварка и пайка были ве­дущими процессами вплоть до второй половины XIX в.

Большое значение для развития сварочной техники имело изобретение новых источников нагрева. Они обеспечивали кон­центрированный нагрев зоны сварки, что позволило модернизи­ровать существующие способы. Литейная сварка была заменена сваркой плавлением, при которой шов формируется из сварочной ванны, образуемой при мгновенном местном расплавлении ме­талла.

Мысль о возможности применения ‘—электрических искр” для плавления металлов впервые высказал в 1753 г. академик Россий­ской Академии наук Г.Р.Рихман, выполнивший ряд исследований атмосферного электричества. На практике эта мысль была прове­рена итальянским ученым А. Вольта с помощью гальванического элемента (вольтова столба). В 1802 г. профессор Санкт Петер­бургской военно-хирургической академии В.В.Петров, используя мощный гальванический элемент, открыл явление электрической дуги. Он также указал возможные области ее применения. Неза­висимо от В.В.Петрова, но несколько позже (1809 г.), электриче­скую дугу получил английский физик Г.Деви.

Для практического осуществления электрической сварки по­требовались многие годы совместных усилий ученых и техников, направленные на создание электрических генераторов.

Первые электромагнитные генераторы созданы лишь в 70-х годах XIX века. До этого были отдельные попытки осуществле­ния электрической сварки металлов с помощью гальванических элементов. Так в 1849 г. американец К. Стет получил английский патент на соединение металлов с помощью электричества. Одна­ко этот патент не был реализован на практике.

И только спустя 80 лет русские инженеры Н.Н. Бенардос и

Н.Г.Славянов, используя явление электрической дуги, разработа­ли промышленные способы электрической сварки металлов.

В 1881 г. русский изобретатель Н.Н. Бенардос предложил спо­соб прочного соединения металлов непосредственным действием электрического тока и на практике осуществил сварку и резку металлов электрической дугой с помощью угольного электрода (рис.1.1). Ему также принадлежит много других важных изобре­тений в области сварки (спирально-шовные трубы, порошковая проволока и др.).

Сущность способа сварки, предложенной Н.Н. Бенардосом, заключалась в следующем:

• к свариваемому металлу он присоединил один полюс дина­мо-машины, а к угольному электроду другой;

-между электродом и свариваемым металлом возникала элек­трическая дуга;

• в электрическую дугу он вводил металлический присадоч­ный пруток;

- присадочный пруток, расплавлялся и заполнял зазор, обра­зовывая сварной шов.

Однако сварной шов не был защищен от кислорода воздуха и получался низкого качества.

Рис.1.1. Дуговая сварка угольным электродом (способ Н.Н.Бенардоса):

1- свариваемый металл; 2- электрический провод;

3-угольный электрод; 4- присадочный пруток; 5- электрическая дуга

В дальнейшем Н.Н. Бенардосом было разработано много дру­гих важных изобретений в области сварки (контактная сварка с помощью клещей, сварка в среде защитного газа и др.), но они не нашли должного применения.

Электрическая дуговая сварка получила дальнейшее развитие в работах Н.Г.Славянова В 1888 г. Н.Г. Славянов изобрел элек- тродуговую сварку плавящимся металлическим электродом. В отличие от способа, предложенного Н.Н. Бенардосом, он заменил угольный электрод плавящимся металлическим (рис.1.2).

Сущность способа, изобретенного Н.Г. Славяновым, заключа­лась в следующем:

- к свариваемому металлу он присоединил один полюс дина­мо-машины, а к металлическому электроду другой;

-электрическая дуга, возникала между металлическим элек­тродом и свариваемым металлом;

-металлический электрод, расплавляясь в электрической дуге, заполнял зазор и образовывал сварной шов.

Рис.1.2. Дуговая сварка металлическим электродом (способ Н.Г.Славянова):

1- свариваемый металл; 2- электрический провод;

3-металлический электрод; 4- электрическая дуга

Также как и в способе сварки, предложенном Н.Н.Бенардосом, сварной шов не был защищен от кислорода воздуха и получался низкого качества. Однако, Н.Г. Славянов пытался защитить ме­талл шва дробленым стеклом и тем самым указал на возможность сварки под флюсом.

Н.Г. Славянов разработал металлургические и технологиче­ские основы электродуговой сварки плавящимся электродом, применил способы наплавки и горячей сварки чугуна, организо­вал первый в мире электросварочный цех.

Н.Н.Бенардос и Н.Г.Славянов положили начало автоматиза­ции сварочных процессов, создав первые устройства для механи­зированной подачи электрода в дугу.

Однако, в предложенных Н.Н.Бенардосом и Н.Г.Славяновым методах сварки, металл шва формируется и остывает на откры­том воздухе, вступая в реакцию с кислородом и азотом. При этом металл шва имел низкое качество, имел многочисленные дефекты - поры, шлаковые включения и др.

Дальнейшее развитие электрической дуговой сварки несколь­ко замедлилось в связи с появлением газовой сварки кислородно­ацетиленовым пламенем. Вначале XX в. этот способ обеспечивал более высокое качество сварочных швов, чем дуговая сварка го­лым электродом.

В конце XIX века в связи с началом промышленного произ­водства кислорода и ацетилена был разработан способ газовой сварки кислородно-ацетиленовым пламенем (рис.1.3). В качестве источников нагрева использовалось тепло пламени смеси газов, сжигаемых с помощью горелки. Пламя горелки расплавляет кромки свариваемого металла и присадочный металлический пруток, которые образуют сварочную ванну. Этот способ обеспе­чивал более высокое качество сварочных швов, чем дуговая сварка голым электродом и поэтому в этот период газовая сварка являлась основным способом сварки.

Рис.1.3. Газовая сварка кислородно-ацетиленовым пламенем:

1- свариваемый металл; 2 - пламя;

3 - сварочная горелка; 4- присадочный металлический пруток

Кроме ацетилена использовалось также сжигание этилена, ме­тана и других горючих газов в струе кислорода.

Сущность способа газовой сварки кислородно-ацетиленовым пламенем, заключался в следующем (рис.1.3):

• место соединения кромок свариваемого металла и присадоч­ный металл нагреваются теплом сварочной горелки, образовав­шемся при сжигании ацетилена в смеси и кислородом;

• в месте нагрева соединения кромок свариваемого металла образуется сварочная ванна;

• в сварочную ванну добавляется расплавленный металл при­садочного прутка для образования металла шва.

Газовую сварку широко применяют в настоящее время во многих отраслях промышленности при сварке цветных металлов, при сварке изделий из тонколистовой стали и др.

Газовую сварку классифицируют по виду применяемого газа:

• ацетилено-кислородная;

• керосино-кислородная;

• бензино-кислородная

• пропанобутаново-кислородная;

• водородо-кислородная и др.

Положение изменилось, когда в 1907 г. шведский инженер

О.Квальберг применил металлические электроды с нанесенным на их поверхность покрытием. Это покрытие предохраняло ме­талл шва от вредного воздействия воздуха (окисление и озониро­вание) и стабилизировало горение дуги. Применение покрытых электродов обеспечило резкое повышение качества сварных со­единений. Ручная электродуговая сварка плавящимся электродом начала широко применятся на заводах США, Англии и других стран.

К началу XX века в огромных масштабах возросло производ­ство металла, в особенности стали, увеличилось и количество способов сварки. Особенно широкое применение имела электри­ческая дуговая сварка. В конце первой четверти XX века ручная дуговая сварка плавящимся электродом стала основным спосо­бом сварки в нашей стране и во всем мире.

Дуговая сварка в нашей стране начала развиваться на базе простейшей аппаратуры, созданной собственными полукустар­ными средствами, и небольшого количества импортных машин Но уже в 1932 г. в Ленинграде вступил в строй завод электросва­рочного оборудования “Электрик”. Это был самый мощный в Ев­ропе завод, выпускавший в год несколько тысяч комплектов сложной аппаратуры для дуговой и контактной электросварки, никогда ранее не изготовлявшейся в нашей стране.

Дуговая сварка была разработана для постоянного тока. Так как силовые сети дают переменный ток частотой 50 Гц, то для питания дуги создавали преобразователи переменного тока в по­стоянный сварочный ток. Для решения этой задачи использовали специальный сварочный генератор постоянного тока, вал которо­го соединялся с валом стандартного приводного мотора трехфаз­ного переменного тока.

Многочисленные исследования, проводимые в СССР, доказа­ли возможность качественного выполнения обычным перемен­ным током промышленной частоты, применяя дешевый, малога­баритный сварочный трансформатор вместо двухмашинного пре­образователя.

Сварочный трансформатор стал в нашей стране основным ви­дом оборудования для питания током дуговой сварки. Дуговая сварка на переменном токе постепенно находила широкое при­менение почти во всех странах мира.

Следующим шагом на пути совершенствования источников питания стало создание в 60-х годах ХХ века стационарных вы­прямителей. Появились многочисленные конструкции простых в эксплуатации сварочных выпрямителей, объединяющих свароч­ный трансформатор с кремниевыми вентилями, обеспечивающи­ми прохождение тока в одном направлении. Созданы универ­сальные установки, от которых можно получать как постоянный, так и переменный ток. Сварочные выпрямители становятся ос­новными источниками питания в дуговой сварке.

Несмотря на усовершенствование системы питания дуги, сама дуговая сварка долгое время, как правило, проводилась вручную, хотя еще изобретатели дуговой сварки Н. Н. Бенардос и

Н.Г. Славянов понимали необходимость механизации и автомати­зации дуговой сварки.

Новый этап в развитии механизированной дуговой сварки в нашей стране начался в конце 30-х годов, когда на основе идей, выдвинутых еще Н.Г.Славяновым, коллективом Киевского ин­ститута электросварки под руководством академика Е.О.Патона был разработан новый способ сварки - автоматизированная сварка под флюсом. Автоматическая сварка под флюсом позво­ляет резко повысить производительность процесса, при этом до­стигается высокое качество сварного соединения.

В конце 40-х годов получил промышленное применение спо­соб дуговой сварки в защитных газах. Г аз для защиты зоны свар­ки впервые использовал американский ученый А. Александер еще в 1928 г., но из-за сложности получения защитных газов этот способ не нашел промышленного применения. Положение изме­нилось лишь после того, как для защиты были использованы при­годные для массового применения газы (гелий и аргон в США, углекислый газ в нашей стране).

Сварку в углекислом газе впервые осуществил Н.Г. Остапенко. Затем усилиями коллективов ЦНИИТМАШа, института электро

­сварки им. Е.И.Патона и ряда промышленных предприятий был усовершенствован способ сварки в углекислом газе. Этот способ в настоящее время широко используют во многих странах мира.

Использование дешевых защитных газов, повышение произ­водительности процесса и улучшения качества сварки позволили широко применять этот способ при механизированной и автома­тизированной сварке. Объем механизированной сварки в защит­ных газах значительно превышает объем ручной сварки покры­тыми электродами.

Сотрудниками института электросварки им. Е.О.Патона в со­дружестве с работниками заводов тяжелого машиностроения был разработан принципиально новый вид электрической сварки плавлением - электрошлаковая сварка. В процессе электрошла- ковой сварки металл нагревается в результате пропускания тока через расплавленный шлак, что явилось значительным достиже­нием отечественной сварочной техники. Разработка этого вида сварки позволила успешно решить важные для дальнейшего раз­вития промышленности вопросы качественной и производитель­ной сварки металла практически неограниченной толщины и ме­ханизации сварки вертикальных швов.

На основе электрошлакового процесса был создан новый спо­соб рафинирования металлов, получивший название электро- шлакового переплава.

Все шире в строительстве применяют контактную сварку, за- нимаюшую одно из ведущих мест в промышленности. Электри­ческая контактная сварка использует нагревание соединяемых деталей проходящим через них током, при этом особенно сильно разогревается зона контакта соединяемых деталей. После разо­грева контакта до высокой температуры, как правило, до оплав­ления, производят осадку деталей приложенным давлением и тем самым происходит их сварка. Контактную сварку выполняют на специальных механизированных и автоматизированных ма­шинах высокой производительности.

Нагрев металла при сварке может производить не только элек­трическим током, но и за счет экзотермических химических ре­акций, идущих с большим выделением тепла. Примером может служить газовая сварка. Газовую или газопламенную сварку отно­сят к группе сварки плавлением. Источником нагрева служит 12 пламя горючего газа (ацетилена), сжигаемого в смеси с техниче­ски чистым кислородом в специальных сварочных горелках.

Для газопламенной обработки применяют специальные формы горелок, например, многопламенные горелки, имеющие несколь­ко выходных сопел для газовой смеси и дающие несколько сва­рочных пламеней. Многопламенные горелки позволяют нагре­вать сразу значительную поверхность металла и используются, например, в газопрессовой сварке. Сварной стык нагревается по всей поверхности многопламенной горелкой до начала оплавле­ния, затем производится осадка соединяемых деталей гидравли­ческим устройством.

На экзотермической реакции окисления активных металлов, таких как алюминий и магний, базируется термитная сварка, при которой нагрев производят горючей смесью - термитом. Наиболее распространенный вид термита - смесь порошков ме­таллического алюминия и железной окалины. Смесь сгорает, до­стигая температуры до 3000⁰С и образуя окись алюминия и рас­плавленное железо.

Развитие сварочной техники связано с изысканием новых ис­точников теплоты для плавления металла. Одним из таких источ­ников является концентрированный поток электронов в вакууме, на основе которого в конце 50-х годов французским ученым был создан новый вид сварки - электронно-лучевая сварка. Элек­тронно-лучевую сварку широко применяют при соединении ту­гоплавких химически активных металлов и сплавов и ряда специ­альных сталей.

Достаточно перспективно применение плазменной сварки и резки металлов. Г аз, нагреваемый дуговым разрядом, продувают через канал сопла малого диаметра в особой плазменной горелке, или плазмотроне. Температура газа повышается до 20000- 30000°С. Выходящая из плазматрона тонкая струя горячей плаз­мы позволяет получить очень концентрированный нагрев.

Находит широкое применение холодная сварка, производяща­яся за счет сдавливания соединяемых деталей, в результате чего металл течет подобно жидкости, оставаясь от начала до конца сварки холодным. Как результат развития холодной сварки мож­но отметить сварку взрывом, при которой необходимые высокие давления создаются зарядом взрывчатки, что позволяет соеди­нить очень крупные детали.

К этому же способу можно отнести электрогидравлическую сварку и магнито-импульсную сварку, с использованием импуль­сов электромагнитного поля. Этими способами соединяют срав­нительно мелкие детали.

Диффузионная сварка производится достаточно продолжи­тельным нагревом деталей под давлением в вакууме, без рас­плавления металла.

При сварке тернием разогрев стыка осуществляется быстрым вращением деталей, соприкасающихся торцами под некоторым давлением.

Широкие перспективы открывает использование источника когерентного излучения - лазера, дающего импульсы световой энергии большой мощности (лазерная сварка).

В результате развития и совершенствования техники и техно­логии сварка является ведущим технологическим процессом при изготовлении и монтаже строительных конструкций.

Сварка имеет неоспоримые преимущества:

• экономия металла в соединениях конструкций;

• уменьшение трудоёмкости изготовления конструкций;

• возможность изготовления конструкций сложной формы;

• герметичность и надежность получаемых сварных соедине­ний.

Однако имеются серьезные недостатки:

• возникновение в конструкции остаточных сварочных напряжений и деформаций;

• возможность появления в соединении горячих и холодных трещин.

2. Классификация способов сварки

Все перечисленные выше способы сварки можно квалифици­ровать по двум основным признакам: - по состоянию металла в сварочной ванне и по виду энергии для нагрева металла.

1. По состоянию металла в сварочной ванне различают:

• сварку плавлением;

• сварку давлением.

Сварку плавлением осуществляют нагревом кромок соединяе­мых частей металла и электродного металла до расплавленного состояния с образованием общей ванны жидкого металла. При кристаллизации (затвердении) расплавленный металл сварочной ванны образует прочное соединение, имеющее единую структу­ру. Основными источниками тепла являются электрическая дуга, газовое пламя, лучевые и плазменные источники.

Классификация основных способов сварки плавлением пред­ставлена на рис.1.4.

Рис. 1.4. Классификация основных способов сварки плавлением

Сварку давлением осуществляют с использованием механиче­ской энергии и давления. Сварка давлением использует пластиче­ские свойства материала соединяемых деталей, при этом нагрев играет второстепенную роль или совсем не применяется. Соеди­нение элементов осуществляется под действием механического усилия, вызывающего пластическую деформацию в зоне их кон­такта.

Классификация основных способов сварки давлением пред­ставлена на рис.1.5.

Можно выделить третью группу - термомеханическую, в ко­торой используют как тепловую, так и механическую энергию. Так при всех видах электроконтактной сварки (рис.1.4 и 1.5) ис-

Рис. 1.5. Классификация основных способов сварки давлением

пользуют нагрев металла электрическим током и механическое обжатие соединения до пластического состояния.

При термомеханической сварке металл нагревают до пласти­ческого состояния за счет высокого электрического сопротивле­ния зоны контакта, а затем под действием механического усилия, пластически деформируется в единое целое соединение.

1. По виду энергии для нагрева металла различают:

• электрическую сварку (дуговую, электрошлаковую, кон­тактную, импульсную и др.).

• холодную сварку (только осадочным давлением);

• механическую сварку (сварку трением);

• химическую сварку (горновую, газовую, термитную);

Например, при газовой сварке используют энергию горения

горючих газов - ацетилена, газов - заменителей (пропана, метана, водорода и т.д.) или паров горючих жидкостей (бензина и керо­сина) в кислородной атмосфере.

2. По способу защиты металла шва различают:

• сварку в воздухе;

• сварку под флюсом;

• сварку в среде защитных газов;

• сварку в вакууме и т.д.

• ••

Электродуговая сварка плавлением является наиболее часто применяемым видом сварки при изготовлении и монтаже свар­ных строительных металлических конструкций.

Электродуговую сварку можно классифицировать следующим образом:

1. По роду тока сварки:

• сварка на переменном токе;

• сварка на постоянном токе.

2. По виду полярности тока при сварке на постоянном токе:

• сварка на прямой полярности (минус - на электроде; плюс - на свариваемой детали) (рис.1.6, а);

• сварка на обратной полярности (плюс - на электроде; минус - на свариваемой детали) (рис. 1.6, б).

а б

Рис. 1.6. Виды полярности тока при сварке

3. По типу используемых электродов:

• плавящимся металлическим электродом или электродной проволокой;

• неплавящимися электродом (вольфрамовым или угольным).

4. По способу защиты зоны сварки от вредного воздействия воздуха:

• сварка штучными плавящимися электродами с покрытием,

• сварка под флюсом,

• сварка в среде защитных газов (инертных или активных)

• сварка самозащитными порошковыми проволоками.

5. По степени механизации:

• ручная дуговая сварка штучными электродами;

• полуавтоматическая сварка (механизированная) в среде уг­лекислого газа или под флюсом;

• автоматическая сварка под флюсом.

1. 3. Виды сварки, применяемые при изготовлении и

монтаже металлических строительных конструкций

Как было отмечено выше, в настоящее время существует большое количество видов и способов сварки (см. рис.1.4 и 1.5). Однако при изготовлении и монтаже строительных металличе­ских конструкций в основном применяют электродуговую сварку плавящимся электродом.

Сваркой плавящимся электродом называют сварку, при кото­рой заполнение шва происходит за счет расплавления электрода или сварочной проволоки.

Основные виды электродуговой сварки плавящимся электро­дом, применяемые в строительстве при изготовлении металличе­ских конструкций:

• ручная дуговая сварка штучными электродами;

• полуавтоматическая сварка (механизированная) в среде уг­лекислого газа;

• автоматическая сварка под флюсом.

При сварке листов больших толщин применяют электрошла- ковую сварку или электрошлаковый переплав, а также сварку с порошкообразным присадочным металлом (ППМ). Порошкооб­разный присадочный металл засыпают в зазор между сваривае­мыми элементами перед сваркой, а затем варят автоматической сваркой при больших токах 1200 А и более. Порошкообразным присадочным металлом служит мелко нарубленная сварочная проволока (обычно низшего качества). В некоторых случаях применяют электроконтактную точечную сварку (в соединениях элементов ферм) и стыковую сварку оплавлением (при сварке стыков арматуры). При сварке высокопрочных сталей и алюми­ниевых сплавов применяют аргонно-дуговую сварку неплавя- щимся электродом. Наметилась тенденция применения автомати­зированных кареток и тележек, способных дистанционно выпол­нять сварочные операции, в том числе и в труднодоступных и опасных для человека местах.

Ниже подробно описаны процессы, происходящие при сварке плавящимся и неплавящимся электродами, сварочные материалы, сварочное оборудование для основных видов сварки, применяе­мых при изготовлении и монтаже строительных металлических конструкций, способы механизации, автоматизации и роботиза­ции сварочных процессов.