Илья Мельников
Cварка чугуна

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ЧУГУНА

   Чугуны – это железоуглеродистые сплавы, в которых присутствуют следующие примеси (%): углерода – 2,0-4,0, марганца – 0,5-1,6, кремния – 0,5-4, серы – 0,02-0,2 и фосфора – 0,02-0,2. Специальные чугуны имеют также легирующие примеси: никель, хром, медь, титан и алюминий.
   Углерод в чугуне может находиться в виде карбида Fе3С. Такой чугун, называемый белым, обладает повышенной твердостью и плохо поддается механической обработке. В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде прослоек графита и только частично может быть в виде вторичных карбидов.
   Кремний способствует графитизации чугуна и увеличению размеров графитовых включений. Марганец при содержании в чугуне до 0,7 % слабо способствует графитизации, а при содержании свыше 1 % препятствует распаду карбида железа. Сера является вредной примесью: повышает густотекучесть чугуна, ухудшает литейные качества и дает соединение Fe3S, способствующее образованию трещин при сварке. Сера препятствует распаду карбида железа и выделению свободного углерода. Фосфор является слабым графитизатором: улучшает литейные качества чугуна, повышая жидкотекучесть.
   Из легирующих примесей сильным графитизатором является алюминий. Выделению графита способствуют также никель, кобальт, медь, титан. Хром, ванадий и молибден, препятствуя распаду карбида железа, действуют как размельчители зерна.
   Широкое применение получают модифицированные и высокопрочные чугуны, имеющие ферритную или перлитную основу или их сочетание. Эти чугуны обладают высокими механическими свойствами и применяются при изготовлении ответственных деталей машин. Их высокие механические свойства обусловлены тем, что вместо вытянутых пластинок и прожилок графита, нарушающих целостность металлической основы, графит в высокопрочном чугуне имеет глобулярную форму, обеспечивающую наибольшую однородность металлической основы.
   Трудности сварки чугунов обусловлены их физико-механическими свойствами:
   – быстрое охлаждение жидкого металла в зоне сварки, а также выгорание кремния из расплава шва способствуют местному "отбеливанию" металла шва и околошовной зоны, т. е. переходу графита в химическое соединение с железом – цементит, который трудно поддается механической обработке;
   – отсутствие периода пластического состояния и высокая хрупкость приводят, вследствие неравномерного нагрева и охлаждения, а также неравномерной усадки металла, к появлению больших внутренних напряжений и трещин как в самом сварном шве, так и в околошовной зоне;
   – низкая температура плавления, непосредственный переход чугуна из твердой фазы в жидкую, и наоборот, затрудняют выход газов из металла шва, и шов получается пористым;
   – высокая жидкотекучесть чугуна не позволяет производить сварку не только в вертикальном, но и в наклонном положении шва.

ГОРЯЧАЯ СВАРКА

   Горячей сваркой чугуна называют сварку с предварительным нагревом. Предварительный нагрев уменьшает разность температур основного металла и металла в зоне соединения и тем самым снижает температурные напряжения при сварке. Вместе с этим снижается скорость охлаждения сплава после сварки, что способствует предупреждению отбела и получению шва хорошего качества.
   Подготовка к сварке состоит из вскрытия, вырубки и тщательной зачистки разделки шва до чистой поверхности металла. Вскрытие и очистку разделки шва (дефектного места) выполняют механическим путем – вырубкой или сверлением. Трещины разделывают У-образной или U-образной формы. Разделка дефектного участка должна иметь плавные формы. Для предупреждения вытекания металла и придания шву нужного очертания вокруг разделки выкладывают форму из плотно прилегающих к изделию графитовых или угольных пластин. Применяют также кварцевый песок, замешанный на жидком стекле (100-150 г на 1 кг песка) и просушенный при температуре 40-60 °С. При сварке излома необходимо применять приспособления, фиксирующие относительное расположение свариваемых частей и обеспечивающие точность сварки.
   Применяют общий или местный подогрев. При массовом производстве для общего подогрева деталей и последующего их охлаждения после сварки применяют методические печи конвейерного типа. Для подогрева отдельных крупных деталей применяют нагревательные колодцы или ямы, выложенные огнеупорным кирпичом. Если подогреву подвергается только часть детали, т. е. производится местный подогрев в зоне соединения, подлежащего сварке (полугорячая сварка), то используют горны, газовые и сварочные горелки, индукционные нагреватели и др. Температура нагрева должна находиться в пределах 400-700 °С. Подогрев производят медленно и равномерно, чтобы не вызвать в детали больших внутренних напряжений и трещины.
   Для сварки чугунов применяют чугунные прутки следующих марок: ПЧ1 и ПЧ2 – для газовой сварки серого чугуна с перлитной и перлитно-ферритной основой; ПЧЗ – для газовой сварки серого чугуна с ферритной структурой; ПЧН1 и ПЧН2 – для пайкосварки; ПЧИ – для износостойкой наплавки; ПЧВ – для газовой сварки высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. Прутки марок ПЧ1, ПЧ2, ПЧЗ и ПЧВ применяются с покрытием толщиной 1-1,5 мм, состоящего из графита серебристого (25 %), плавикового шпата (30 %), карбида кремния (40%) и алюминиевого порошка (5%), замешанных на жидком стекле (60 % от сухих компонентов). Прутки изготовляют диаметром от 4 до 16 мм и длиной 250-700 мм.
   Применяют графитизирующие покрытия, содержащие графит, ферросилиций, мрамор, титановую руду, замешанные на жидком стекле. Иногда в покрытие вводят термит, что замедляет остывание металла шва. Толщина покрытия 2 мм.
   Сварку выполняют на постоянном токе прямой полярности, однако можно сваривать и переменным током. При толщине металла до 20 мм сварку производят электродами диаметром 6 мм, при толщине 20-40 мм применяют электроды диаметром 8 мм, а при толщине свыше 40 мм можно рекомендовать электроды диаметром 10 мм. Сварочный ток определяется из расчета 50-60 А на 1 мм диаметра электрода. Сварку можно выполнять угольными электродами диаметром 6-12 мм в зависимости от толщины свариваемой детали. Сварочный ток составляет 200-450 А. Присадочным материалом служат прутки марок ПЧ1, ПЧ2, ПЧЗ и ПЧВ, а флюсом – бура или смесь буры (50%) и соды (50%). Ток постоянный, прямой полярности или переменный.
   Важным условием качественной сварки является поддержание ванны наплавляемого металла в жидком состоянии в течение всего периода сварки. Для этого весь объем сварочных работ выполняют без перерыва. После окончания сварки деталь подвергают медленному охлаждению. Для этого заваренные участки засыпают слоем мелкого древесного угля и накрывают асбестом, что предупреждает отбел чугуна и исключает возникновение больших внутренних напряжений и трещин.
   Сварка с предварительным нагревом является самым надежным способом предупреждения дефектов чугунных изделий любого размера и конфигурации. При точном соблюдении технологического процесса можно получить плотный и прочный шов.

ХОЛОДНАЯ СВАРКА

Холодной сваркой чугуна называют сварку без предварительного нагрева. Ее применяют тогда, когда трудно или экономически нецелесообразно производить сварку с предварительным подогревом из-за больших габаритов изделия, опасности коробления и возникновения больших внутренних напряжений.
Рекомендуются следующие режимы сварки:

   Хорошие результаты дают электроды из аустенитных высоколегированных чугунов (никелевых, никелькремнистых).
   Никель, не вступая в реакцию с углеродом, хорошо сплавляется с железом и как графитизатор препятствует отбеливанию чугуна. Электроды имеют покрытие, состоящее из 70 % карборунда и 30 % углекислого стронция или углекислого бария, замешанных на жидком стекле (30 г на 100 г сухой смеси). Толщина покрытия 0,6-0,8 мм. Электроды из никелевых чугунов применяют при сварке и наплавке поверхностей, подлежащих последующей механической обработке. Качество шва невысокое из-за склонности металла шва к образованию трещин.
   Сварка стальными электродами. Большая разница в усадке чугуна и стали не позволяет получить прочное сцепление между наплавленным и основным металлом при сварке стальными электродами. Поэтому таким способом сваривают швы, не работающие на растяжение или слабо нагруженные. Для повышения стойкости и снижения твердости металла шва уменьшают долю основного металла в металле шва, уменьшая глубину проплавления. Для этого сварку выполняют при малых сварочных токах электродами малого диаметра.
   Чтобы металл в зоне сваренного шва имел структуру серого чугуна, применяют электродные стержни из низкоуглеродистой стали, с толстым графитизирующим покрытием, состоящим (%): из ферросилиция – 33, графита – 37, мела – 7 и натриевого жидкого стекля – 23. Однако полная графитизация происходит лишь при большом объеме наплавленного металла и при заварке крупных деталей с малой скоростью охлаждения металла шва.
   Для усиления связи металла шва с основным металлом применяют сварку стальными электродами с постановкой шпилек (ввертышей). Завариваемый шов тщательно очищают от грязи и масла и в зависимости от толщины металла и назначения шва применяют V– или Х-образную разделку. На обработанной поверхности ставят стальные шпильки диаметром 6-12 мм в шахматном порядке на расстоянии друг от друга 4-6 диаметров шпильки. Иногда для усиления связи применяют стальные соединительные планки, ребра, косынки.
   Заварку шва начинают с обварки шпилек кольцевыми валиками, а затем накладывают круговые швы и окончательно заполняют завариваемый шов металлом. Сварку производят короткими участками (40-60 мм) вразброс с перерывами, чтобы не допустить нагрева детали выше 60-80 °С. Сварочный ток составляет 30-40 А на 1 мм диаметра электрода. Диаметр электродов 3-4 мм с покрытием типа УОНН-13. Ток постоянный обратной полярности. В целях повышения графитизирующего действия производят сварку пучком электродов малого диаметра. Такой прием обеспечивает более полное взаимодействие капель наплавляемого металла с покрытием и хорошую графитизацию металла шва. В зависимости от толщины свариваемого металла пучок электродов составляется из 5-20 стержней диаметром 1-2 мм. Сварочный ток определяют из расчета 10-12 А на 1 мм сечения пучка электродов. Покрытие состоит из 40 % графита и 60 % ферросилиция, замешанных на жидком стекле.
   Сварка электродами из цветных металлов и сплавов. Большее применение получили электроды из меди и ее сплавов. Медь, обладая графитизирующей способностью, снижает общую твердость металла и уменьшает отбел чугуна. Хорошие результаты дают электроды марки МНЧ с покрытием основного типа. Стержень электрода изготовляют из проволоки типа НМЖМц-28-2,5-1,5 (монельметалл), а покрытие состоит из смеси, содержащей 55-60 % мела и 40-45 % графита. Применяют также покрытие, содержащее 45 % графита, 15 % кремнезема, 20 % огнеупорной глины, 10 % соды и 10 % древесной золы. Сварку выполняют постоянным током обратной полярности. Рекомендуются электроды диаметром 3 мм при сварочном токе 90-120 А. Сварку ведут возможно короткой дугой небольшими участками – 20-25 мм. После сварки производят проковку металла шва.
   Комбинированные электроды для холодной сварки чугуна состоят из меди и железа. Применяют следующие сочетания: а) стержень из меди марки M1, железо вводят в покрытие электрода в виде железного порошка; б) медный стержень покрывают тонкой оболочкой из жести толщиной 0,3 мм (навиваемый в виде ленты шириной 6-7 мм или надеваемого в виде трубки); в) стержень из низкоуглеродистой стали покрывают оболочкой из тонкой медной ленты (медной трубкой) или применяют электролитическое покрытие медью толщиной 0,7-1,0 мм; г) пучок электродов составляют из одного стального электрода с покрытием типа УОНИИ-13 и нескольких тонких медных стержней. Широкое применение получили электроды О3Ч-1 (стержень медный M1) и АНЧ-1 (стержень типа Св-04Х19Н9 с медной оболочкой), покрытия которых содержат мрамор, кварцевый песок и ферросплавы.
   Сварка производится постоянным током обратной полярности. Сварочный ток определяют из расчета 30-40 А на 1 мм диаметра электрода. Успешно применяется механизированный способ сварки и наплавки порошковой проволокой, обеспечивающий высокую производительность и хорошие условия труда сварщика. Для сварки чугуна с пластинчатым графитом применяют проволоку типа ПП-АНЧ2, а для высокопрочных чугунов – типа ПП-АНЧ5. Сварку выполняют на полуавтоматах марок А-765, А-1035, А-1197 проволокой диаметром 3 мм, постоянным током прямой полярности.
   Газовая сварка чугуна применяется как удобный и сравнительно простой способ. Сварку выполняют с предварительным местным или общим подогревом. Скос кромок делают односторонний У-образный с углом разделки 90°. Присадочным материалом служат чугунные прутки диаметром 6-12 мм и длиной 350-500 мм марок ПЧ1, ПЧ2, ПЧЗ и ПЧВ. Флюс марки ФСЧ-1 (23 % прокаленной буры, 27 % безводного углекислого натрия и 50 % азотнокислого натрия) в порошкообразном виде периодически подсыпается в расплавленный металл шва. В процессе сварки пруток погружают во флюс и переносят его в сварочную ванну. Допускается также применять в качестве флюса только прокаленную буру. Удельная мощность пламени должна составлять 100-120 л/(ч•мм). Пламя должно быть нейтральным или с небольшим избытком ацетилена. Можно производить сварку двумя горелками: первой подогревают сварочную ванну, второй производят сварку и расплавление присадочного прутка. После сварки необходимо обеспечить медленное охлаждение изделия. Для этого его покрывают асбестом или слоем песка. Рекомендуется произвести отжиг заваренных деталей и охлаждение вместе с печью.
   Применяют также низкотемпературную сварку чугуна, сущность которой заключается в том, что свариваемые кромки изделия подогревают не до расплавления, а до температуры 800-850 °С. В разделку кромок вводят флюс, а затем наплавляют металл. Присадочными стержнями служат прутки марки ПНЧ-1 или ПНЧ-2, покрытые флюсом. Флюсы-пасты содержат 5 % диоксида титана, 10 азотнокислого калия, 12 фтористого натрия, 40 плавленной буры, 11 ферротитана, 15 углекислого лития, 7 железного порошка и 7 мас. ч. керосина на 50 ч. сухой смеси. Допускается применение флюса ФСЧ-1 при использовании прутков ПЧН-1 и флюса ФСЧ-2 (18% буры, 25 кальцинированной соды, 56,5 натриевой селитры, 0,5 углекислого лития) при сварке прутками типа ПЧН-2.
   Место сварки тщательно очищают, после чего изделия подвергают местному или общему подогреву до температуры 300-400°С восстановительным пламенем горелки. Свариваемые кромки покрывают слоем пасты и нагревают нормальным пламенем горелки до температуры 750-790 °С. Паста плавится и покрывает тонким слоем поверхность кромок. Сварку ведут справа налево. После заварки сварное соединение медленно охлаждают. Шов получается плотным и хорошо поддается механической обработке. Применяют также низкотемпературную пайкосварку латунными припоями. Кромки подготавливают механической обработкой и очищают от жировых пятен растворителем (бензин, ацетон и др.). После предварительного нагрева до 300-400°С на кромки наносят флюс марки ФПСН-1, содержащий 25 % углекислого лития, 25 % кальцинированной соды 50 % борной кислоты. Процесс пайкосварки ведут нормальным пламенем. Используют припои марки ЛОК-59-1-0,3. Пламенем горелки расплавляют конец прутка припоя и заполняют разделку шва. После затвердевания металл шва проковывают медным молотком.
   КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. 1. Почему свариваемость чугунов хуже свариваемости сталей? 2. В каких случаях применяют сварку чугунов с подогревом и в каких без подогрева? 3. Какие электроды и присадочные материалы применяют при сварке чугунов? 4. Какие флюсы используют при сварке чугунов? 5. В чем отличие пайки от сварки?

НАПЛАВОЧНЫЕ РАБОТЫ

ВИДЫ НАПЛАВОЧНЫХ РАБОТ

   Наплавкой называется процесс нанесения с помощью сварки на поверхность детали слоя металла для восстановления ее первоначальных размеров либо для придания поверхности специальных свойств.
   Для получения заданных свойств наплавленного слоя применяют легирование присадочного металла в процессе наплавки, а чаще всего используют специальные наплавочные электроды.
   Применяют следующие виды наплавки.
   Ручная дуговая наплавка выполняется покрытым плавящимся или неплавящимся электродом. Плавящиеся наплавочные электроды применяются в соответствии с назначением каждого типа и марки. Неплавящиеся электроды применяют при наплавке на поверхность детали порошковых смесей. Применяются электроды из литых твердых сплавов и в виде трубки, заполненной легирующей порошкообразной смесью. Ручная наплавка малопроизводительна и применяется при наплавке деталей сложной конфигурации.
   Автоматическая и полуавтоматическая наплавка под флюсом производится проволокой сплошного сечения, ленточным электродом или порошковой проволокой. Легирование наплавляемого слоя осуществляют через электродную проволоку, легированный флюс (при проволоке из низкоуглеродистой стали) или совместным легированием через проволоку и флюс. Иногда в зону дуги вводят легирующие вещества в виде пасты или порошка.
   Наплавку в защитных газах применяют при наплавке деталей в различных пространственных положениях и деталей сложной конфигурации. Возможность наблюдать за процессом формирования валика позволяет корректировать его, что очень важно при наплавке сложных поверхностей. Наплавку производят чаще всего в аргоне или углекислом газе плавящимся или неплавящимся электродом. Наибольшее распространение получила наплавка в углекислом газе постоянным током обратной полярности. Однако, следует учесть, что углекислый газ окисляет расплавленный металл и поэтому необходимо применять наплавочную проволоку с повышенным содержанием раскислителей. Недостатком этого вида наплавки является относительно большое разбрызгивание металла.
   Наплавка самозащитной порошковой проволокой или лентой открытой дугой не требует защиты наплавляемого металла и по технике выполнения в основном не отличается от наплавки в защитном газе. Преимуществом этого вида является возможность наплавки деталей на открытом воздухе. Сварщик, наблюдая за процессом, может обеспечить хорошее формирование наплавляемых валиков. Наплавка самозащитной проволокой менее сложна, хорошо поддается механизации.
   Плазменная наплавка производится плазменной (сжатой) дугой прямого или косвенного действия. Присадочным материалом служит наплавочная проволока и порошкообразные смеси. Существуют различные схемы наплавки, которые получают широкое применение благодаря высокой производительности (7-30 кг/ч), возможности наплавки тонких слоев при малой глубине проплавления основного металла. При этом получают гладкую поверхность и высокое качество наплавленного слоя.
   Вибродуговая наплавка выполняется специальной автоматической головкой, обеспечивающей вибрацию и подачу электродной проволоки в зону дуги. При вибрации электрода происходит чередование короткого замыкания сварочной цепи и разрыва цепи (паузы). В зону наплавки подается охлаждающая жидкость. Она защищает наплавленный металл от воздействия воздуха и, охлаждая деталь, способствует уменьшению зоны термического влияния, снижает сварочные деформации и повышает твердость наплавляемого слоя. В качестве охлаждающей жидкости применяют водные растворы солей, содержащих ионизирующие вещества (например, кальцинированной соды), облегчающие периодическое возбуждение дуги после разрыва цепи (паузы).
   Электрошлаковая наплавка характеризуется высокой производительностью. Способ позволяет получать наплавленный слой любого заданного химического состава на плоских поверхностях и на поверхностях вращения (наружных и внутренних). Наплавка выполняется за один проход независимо от толщины наплавляемого слоя.
   Газовая наплавка имеет ограниченное применение, так как при наплавке возникают большие остаточные напряжения и деформации в наплавляемых деталях. Для наплавки применяют литые твердые сплавы.
   Для наплавки деталей экскаваторов, землеройных машин, работающих при ударных нагрузках, применяют электроды марки 12АН/ЛИВТ (тип Э-95Х7Г5С), дающие наплавляемый слой твердостью до 32НRC. Наплавку стальных и чугунных деталей, подверженных абразивному износу без ударной нагрузки, производят электродами марки Т-590 тип Э-320Х25С2ГР. Детали, работающие в условиях сильного износа и при ударных нагрузках рекомендуется наплавлять электродами марки Т-620 (тип Э-320Х23С2ГТР) диаметром 4-5 мм.
   Механизированную наплавку производят наплавочной проволокой. Она маркируются буквами Нп и цифрами и буквами, характеризующими химический состав металла проволоки. Подбираются проволоки в зависимости от объекта наплавки и требуемой твердости наплавляемого слоя. Марки углеродистой проволоки в зависимости от содержания углерода дают слой твердости от 160НВ (Нп-25) до 340НB (Нп-85). Проволока легированная и высоколегированная позволяют получать слой твердости от 180НВ (Нп-40Г) до 52НRC (Нп-40Х13).
   При наплавке используют флюсы. Допускается производить наплавку рабочих поверхностей деталей электродной проволокой марки Св-08 под легирующим керамическим флюсом марки АНК-18 и АНК-19. Механизированную наплавку производят также наплавочной порошковой проволокой или лентой под слоем флюса АН-348-А, АН-20 (С, СП и П), АН-22, АН-60 и др. Для наплавки деталей машин из углеродистой стали под флюсом типа АН-348-А применяют порошковую проволоку марок ПП-АН-120, ПП-АН121 (твердость слоя 300-350 НВ) или ПП-АН-122 (твердость слоя 50-56 НRC), для наплавки высокомарганцовистых сталей применяют проволоку ПП-АН-105 (твердость слоя 20-25 НRC), для наплавки высокохромистых сталей рекомендуют порошковую проволоку марок ПП-АН-170 и ПП-АН-171. Порошковые ленты марок ПЛ-АН-101, ПЛ-АН-102 и ПЛ-АН-112 применяют для наплавки под флюсом и открытой дугой.

ТЕХНОЛОГИЯ НАПЛАВКИ

   Процесс наплавки начинается с тщательной очистки детали от грязи, масла, краски. Рекомендуется поверхности, подлежащие наплавке, обжигать газовыми горелками. Применяют также промывку горячим раствором щелочи с последующей промывкой горячей водой, очистку стальной щеткой. Для предупреждения больших внутренних напряжений и образования трещин часто наплавляемые детали подогревают до температуры, зависящей от основного и наплавляемого металлов. Приемы и режимы наплавки зависят от формы и размеров деталей, толщины и состава наплавляемого слоя.
   Большое значение для качества и формирования наплавляемого слоя имеет доля основного и присадочного металла. Влияние основного металла на качество наплавляемого слоя пропорционально доле участия его в образовании слоя. Эта доля зависит не только от способа наплавки, но особенно от режима напланки. Например, при наплавке под флюсом влияние режима на качество наплавляемого слоя больше, чем при ручной наплавке покрытыми электродами, что объясняется большим проплавлением основного металла. Преимуществом наплавки порошковой проволокой (или лентой) является меньшая плотность тока, что обеспечивает меньшую глубину проплавления основного металла и, как следствие, меньшее перемешивание его с наплавляемым металлом. При нанесении слоя в виде отдельных валиков должно быть обеспечено оптимальное перекрытие валиков при ручной наплавке на 0,30-0,35 ширины, а при механизированной – на 0,4-0,5 ширины валика.
   Ручную дуговую наплавку производят электродами с диаметром стержня 4-5 мм. Сварочный ток составляет 160-250 А. Напряжение дуги – 22-26 В. Наплавку производят короткой дугой постоянным током обратной полярности. При наплавке перегрев наплавленного слоя не допускается. Для этого слой наплавляют отдельными валиками с полным последовательным охлаждением каждого валика.
   Зернистые порошковые смеси наплавляют с помощью угольного электрода. На подготовленную поверхность насыпают тонкий слой флюса – прокаленной буры (0,2-0,3 мм) и слой порошковой смеси толщиной 3-7 мм и шириной не более 50 мм. При большей ширине наплавляют несколько полос. Слой разравнивают и слегка уплотняют гладилкой. Наплавку производят плавными поперечными движениями угольного электрода вдоль наплавляемой поверхности. Скорость перемещения должна обеспечивать сплавление наплавляемого сплава с основным металлом. Ток постоянный прямой полярности. При диаметре электрода 10-16 мм сварочный ток составляет 200-250 А, напряжение дуги 24-28 В. Длину дуги поддерживают в пределах 4-8 мм.
   Механизированная наплавка выполняется наплавочной проволокой сплошного сечения диаметром 2-5 мм сварочным током 200-1000 А при напряжении дуги 28-45 В. При наплавке порошковой проволокой диаметром 2-3,6 мм применяют сварочные токи 150-400 А (напряжение дуги 22-32 В). Большие технические возможности и высокая производительность наплавки под флюсом позволяют применять ее при самых различных наплавочных работах.
   Восстановление и упрочнение плоских поверхностей производят наплавкой проволокой или лентой под флюсом. Наплавку цилиндрических поверхностей выполняют винтовой линией или кольцевыми валиками. Поверхности диаметром более 400 мм рекомендуется наплавлять электродной лентой или пользоваться многоэлектродной установкой. Учитывая, что автоматическая однодуговая наплавка под флюсом характеризуется относительно более глубоким проплавлением основного металла, рекомендуется применение двухдуговой наплавки проволокой диаметром 1,6-2,0 мм. Хорошие результаты дает наплавка под флюсом ленточным электродом, при котором коэффициент плавления выше на 25-30 %, а глубина проплавления и доля основного металла в наплавленном слое уменьшается почти вдвое. Плотность тока составляет 20-40 А/мм2, а напряжение – 28-34 В.
   При наплавке поверхностей сложной конфигурации важное значение имеет возможность наблюдения за процессом наплавки. В этих случаях рекомендуется производить наплавку в защитном газе или самозащитной проволокой открытой дугой. Цилиндрические поверхности малого диаметра целесообразно наплавлять вибродуговой установкой.
   Если детали подлежат механической обработке, при наплавке надо стремиться к получению ровной поверхности и к минимальному припуску на обработку. Твердость наплавленного слоя может быть снижена отжигом, а после механической обработки повышена путем закалки и последующего отпуска.

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ РЕЗКА

РЕЗКА ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

   Резка стальным электродом основана на выплавлении металла из зоны резания теплотой электрической дуги, возбуждаемой между электродом и разрезаемым металлом. Этот способ широко применяется для грубой разделки металла. Резку производят стальными электродами с качественным покрытием, но более тугоплавким, чем для сварки. Такое покрытие обеспечивает при резке образование небольшого козырька, закрывающего зону дуги. Козырек предохраняет электрод от короткого замыкания на разрезаемый металл, а также способствует более сосредоточенному нагреву металла.
   Электроды изготовляют из проволоки марки Св-08 или Св-08А диаметром 2,5-6 мм и длиной 250-350 мм. Применяют покрытие, способствующее улучшению процесса резки, состоящее из марганцевой руды (98 %) и поташа (2 %) или марганцевой руды (94%), мрамора (3 %) и каолина (3%). Толщина покрытия – 1-1,5 мм. Ток постоянный или переменный. Напряжение холостого хода не менее 65 В. При толщине разрезаемого металла 6-25 мм и диаметре электрода 2,5 мм применяют ток 130-140 А. Скорость резки составляет 3-12 м/ч. При диаметре электрода 5 мм ток достигает 300-350 А, а скорость резки – 7-25 м/ч. Рекомендуют электроды типа ОЗР-1, позволяющие резать металлы в любом пространственном положении.
   Кислородно-дуговая резка отличается от обычной дуговой тем, что на нагретый до плавления участок поверхности металла подают струю чистого кислорода. Кислород прожигает металл участка резания и выдувает образовавшиеся оксиды и расплавленный металл из полости реза. При сгорании металла выделяется дополнительная теплота, которая ускоряет процесс плавки и резки металла. Такой способ применяется для выполнения коротких разрезов в различных строительных конструкциях.
   Способ ручной кислороднодуговой резки резаком типа РГД. При этом способе резчик в правой руке держит электрододержатель, а в левой – резак. Возбудив дугу и нагрев металл до плавления, резчик нажимает на рукоятку кислородного клапана и направляет струю кислорода на разогретый металл. Затем в процессе резки дугу и резак перемещают вдоль линии реза. Электродами служат стальные стержни диаметром 4-5 мм с покрытием ЦМ-7, ОММ-5, ОЗС-3 и др. Сварочный ток в зависимости от диаметра электрода достигает 250 А. Этим способом можно разрезать металл толщиной до 50 мм. Металл толщиной 10-20 мм режут электродом диаметром 4 мм со скоростью 450-550 мм/мин. Расход кислорода составляет 100-160 л/мин. Углеродистые и низколегированные стали толщиной 50 мм режут электродом диаметром 5 мм со скоростью 200 мм/мин при расходе кислорода до 400 л/мин.

РЕЗКА НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

   Применяются следующие виды дуговой резки неплавящимся электродом: разделительная, воздушно-дуговая и плазменно-дуговая.
   Разделительная резка металла неплавящимся электродом производится с помощью угольного, графитового или вольфрамового электрода. Угольные и графитовые электроды диаметром 12-25 мм позволяют разрезать металл толщиной до 100 мм. Резку производят постоянным током прямой полярности. Сварочный ток в зависимости от диаметра электрода составляет 40-1000 А. Угольные электроды в процессе резки науглероживают кромки разреза и этим затрудняют последующую механическую обработку. Графитовые электроды дают более чистый разрез, дольше сохраняются и допускают большие плотности тока.
   Воздушно-дуговая резка используется как для разделительной, так и для поверхностной резки. При этом способе между неплавящимся электродом и разрезаемым металлом возбуждают дугу. Теплом дуги расплавляют металл участка резания, а струей сжатого воздуха непрерывно удаляют его из полости реза. Для воздушно-дуговой резки низкоуглеродистой и нержавеющей стали толщиной до 20 мм применяют универсальный резак типа РВД-4А-66. Резак имеет сменные угольные электроды диаметром 6-12 мм. Сварочный ток достигает 400 А, а при кратковременном форсированном режиме – до 500 А. Давление воздуха составляет 0,4-0,6 MПa. Расход воздуха при давлении 0,5 МПа не превышает 20 м3/ч. Масса резака 1 кг. Процесс резки протекает устойчиво при питании резака постоянным током обратной полярности. При постоянном токе прямой полярности и при переменном токе процесс идет неустойчиво, производительность низкая при плохом качестве поверхности резания.
   Производительность резки зависит от тока. При сварочном токе 200 А за 1 ч работы можно удалить до 7 кг низкоуглеродистой стали, при токе 300 А – до 10 кг, при токе 500 А – около 20 кг. С повышением тока снижается удельный расход электроэнергии с 3 кВт•ч/кг при токе в 300 А до 2 кВт•ч/кг при 500 А.
   Плазменно-дуговая резка осуществляется путем глубокого проплавления металлов сжатой дугой в зоне резания и удаления частиц расплавленного металла газовым потоком.
   Дуга возбуждается и горит между вольфрамовым электродом и разрезаемым металлом. Сварочный ток постоянный прямой полярности. Электрод находится внутри охлаждаемого медного мундштука. В канал мундштука под давлением подается плазмообразующий газ, струя которого сжимает столб дуги. Под действием дуги газ разогревается до высокой температуры, образуя плазму с температурой более 10000°С. Струя плазмы, имея высокую температуру и большую скорость истечения, проплавляет металл по линии реза и выдувает расплавленный металл из полости реза.
   Плазменно-дуговую резку можно применять для резки легированных и углеродистых сталей, чугуна, цветных металлов и их сплавов. Наиболее рационально и экономично ее применение при резке высоколегированных сталей, цветных металлов и их сплавов.
   Электроды изготовляют из лантанированного (ВЛ-15) или торированного (ВТ-15) вольфрама. Плазмообразуюшими газами служат чистый аргон высшего сорта, технический азот 1-го сорта, смеси аргона с техническим водородом, воздух.
   Источники питания для плазменной обработки должны обладать жесткой или крутопадающей внешней характеристикой. Для получения повышенного напряжения холостого хода используют последовательное включение двух-трех генераторов на одну дугу. К специализированным источникам питания относится ИПР-120/600, используемый в установке ОПР-6, ВНР-402 – в установке АПР-401. Большое применение получили источники питания на тиристорах.
   Толщина разрезаемого металла в значительной степени зависит от напряжения. Например, при рабочем напряжении 75 В максимальная толщина резки алюминия достигает 25 мм, при напряжении 250 В – 300 мм. Ток составляет 150-800 А.
   Для ручной плазменно-дуговой резки используют плазморез марки РДМ-2-66-А, работающий на смеси аргона, водорода и азота, позволяющий резать металлы толщиной до 80 мм при максимальном токе до 450 А.
   Широко применяют универсальную аппаратуру "Плазморез", состоящую из двух комплектов: КДП-1 и КДП-2. Комплект КДП-1 имеет резак РДП-1 с водяным охлаждением, предназначенный для резки алюминия толщиной до 80 мм, нержавеющей стали – до 60 мм и меди – до 40 мм. В качестве газа используется аргон, азот и водород. Комплект КДП-2 допускает резку алюминия толщиной до 50 мм, стали – до 40 мм и меди – до 20 мм. Резак этого комплекта РДП-2 имеет воздушное охлаждение и может быть использован на монтажных работах при любых температурах. Источником питания дуги для всех комплектов служат два-три последовательно соединенных однопостовых источника постоянного тока.
   Для машинной резки применяют установки марок АПР-402, АПР-404, УВПР "Киев", ОПР-6 и др. Установка АПР-402 может производить резку черных и цветных металлов и их сплавов толщиной до 160 мм. Она предназначена для комплектования стационарных машин термической резки и обеспечивает раскрой листового материала, резку труб и круглого проката. Ток устанавливается в пределах 100-450 А. Напряжение холостого хода 300 В, рабочее напряжение на дуге 250 В. Плазмообразующий газ – воздух. Максимальное давление воздуха 0,4 МПа. Замена дорогостоящих газовых смесей обычным воздухом экономически выгодна, значительно упрощает конструкцию установки и повышает производительность в 3-5 раз.
   Для дуговой сварки и плазменной резки легированных сталей, цветных металлов и их сплавов в строительно-монтажных условиях используют монтажный передвижной пост КПМ-1. Оборудование состоит из сварочного выпрямителя ВКС-500-1, компрессора, двух балластных реостатов типа РБ-300-1, горелки ГДС-150, резака РДП-2, баллонов с аргоном и азотом. Пост снабжен коллектором, допускающим переход от сетьевых коммуникаций к кабель-шланговому пакету. Вентиляция на режиме резки – принудительная. Пост выполняет сварку металла толщиной до 2,5 мм и резку меди толщиной до 20 мм, стали до 40 мм и алюминия до 50 мм.

МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

   Одной из главных задач в сварочном производстве является замена ручного труда сварщиков механизированной и автоматизированной сваркой. Эта задача решается заменой ручной сварки механизированной для конструкций, где сложно использовать автоматическую сварку (короткие швы, сложное пространственное положение), широкого использования робототехники, применения механизированных и автоматизированных сварочных установок с использованием усовершенствованных и новых сварочных процессов.
   Вместе с тем трудоемкость сварки составляет примерно одну треть общей трудоемкости изготовления сварной конструкции. Поэтому дальнейшее сокращение времени изготовления сварных конструкций наряду с механизацией и автоматизацией сварки предусматривается за счет комплексной механизации и автоматизации сварочного производства, т. е. механизации и автоматизации всех производственных процессов, составляющих технологический цикл изготовления сварной конструкции.
   Эффективность механизации и автоматизации технологических процессов зависит от серийности изготовляемых на конкретном предприятии конструктивно и технологически подобных сварных конструкций.
   В сварочном производстве различают следующие типы производства:
   – мелкосерийное, характеризуемое широкой номенклатурой изготовляемых изделий и малым объемом выпуска изделий;
   – серийное, характеризуемое ограниченной номенклатурой изделий, изготовляемых периодически повторяющимися партиями, и сравнительно большим объемом выпуска;
   – крупносерийное производство, характеризующееся установившейся номенклатурой изделий, выпускаемых в больших количествах на протяжении длительного времени. Строгих границ между типами производства нет.
   Каждому типу производства соответствуют свои оптимальные технологические процессы, оборудование и организация производства. С увеличением серийности сварных конструкций возрастает степень механизации и автоматизации технологических процессов и операций, применяемых при их изготовлении.

МЕХАНИЗАЦИЯ СБОРОЧНЫХ РАБОТ

   Сборка под сварку – это технологическая операция, обеспечивающая подлежащим сварке деталям необходимое взаимное расположение с закреплением их специальными приспособлениями или прихватками.
   Сборку выполняют на плите, стеллаже, стенде или в специальном приспособлении, предназначенными для размещения и закрепления собираемого и свариваемого изделия.
   Сборочно-сварочная плита – опорное приспособление в виде горизонтальной металлической плиты с пазами, стеллаж – простейшее опорное приспособление с плоской горизонтальной поверхностью для размещения крупногабаритных изделий в цехе. Сборочно-сварочные стенды – более сложные устройства для размещения деталей собираемых и свариваемых крупногабаритных изделий и фиксации их в нужном положении. Примерами сборочно-сварочных стендов могут служить электромагнитные стенды при изготовлении плоскостных секций судовых корпусов, резервуаров, вагонов и других листовых конструкций.
   В условиях единичного производства расположение деталей в свариваемом узле задается разметкой, для их закрепления используют струбцины, планки, скобы с клиньями и другие простейшие универсальные приспособления.
   Использование специальных сборочных приспособлений-кондукторов позволяет повысить производительность труда и качество сборки. Сварочный кондуктор – приспособление для сборки и закрепления относительно друг друга свариваемых частей в определенном положении. Основой сборочного приспособления является жесткий каркас, несущий упоры, фиксаторы и прижимы. При сборке детали заводят в приспособление, укладывают по упорам и фиксаторам и закрепляют прижимами. Применяют стягивающие и распорные прижимы с ручным и механическим приводом. Прижимы с ручным приводом (винтовые, рычажные, эксцентриковые) просты, но требуют непосредственного ручного труда сборщика. Использование пневматических, гидравлических, электромагнитных и вакуумных прижимов значительно сокращает время, особенно, если требуется зажать изделие в нескольких местах.
   Фиксацию собранных деталей для придания требуемой жесткости собранному узлу наиболее часто осуществляют на прихватке. Прихватки должны иметь ограниченное поперечное сечение и располагаться в местах, обеспечивающих их полную переварку при укладке основного шва.
   Последовательность выполнения сборочно-сварочных операций может быть различной:
   – сварку выполняют после полного завершения сборки;
   – сборку и сварку ведут попеременно, например при изготовлении конструкции наращиванием отдельных элементов;
   – общей сборке и сварке конструкции предшествуют сборка и сварка узлов.
   Для удобства выполнения тех или иных швов изделие приходится устанавливать в различные положения. Это осуществляется с помощью приспособлений – позиционеров, вращателей, кантователей, роликовых стендов, манипуляторов. Подобного рода приспособления могут быть как установочные, предназначенные только для поворота изделия в положение, удобное для сварки того или иного шва, так и сварочные, обеспечивающие кроме установки изделия его вращение (перемещение) с заданной скоростью, равной скорости сварки.
   Позиционер – приспособление, предназначенное для установки изделия в удобное для сборки и сварки пространственное положение. Позиционер не вращает изделие со скоростью сварки, а только удерживает его в заданном полжении.
   Вращатель – приспособление для вращения изделия при сварке.
   Кантователь – приспособление для поворота тяжелых нецилиндрических изделий вокруг одной или нескольких фиксированных осей вращения. Кантователь позволяет устанавливать изделие в удобное для работы положение. Используются роликовые, цевочные, цапфовые и цепные кантователи.
   Манипулятор – устройство карусельного типа для вращения заготовок при сборке и сварке с различными углами наклона оси вращения.
   Широко применяют универсальные роликовые опоры, у которых подшипники оси одного из роликов могут перемещаться перпендикулярно оси стенда, чем достигается возможность установки необходимого расстояния между обоими роликами, соответствующего диаметру собираемого или свариваемого изделия.
   Универсальные приспособления общего назначения (сборочные плиты, стеллажи, манипуляторы, кантователи, роликовые стенды) используют для сборки и сварки изделий широкой номенклатуры и различных размеров.
   Для изделий определенного типа, но разных размеров используют универсальные приспособления специального назначения, которые конструируют в индивидуальном порядке. Универсальные приспособления применяют в единичном и мелкосерийном производстве. Помимо универсальных и специальных приспособлений в мелкосерийном и единичном производстве применяют универсально-сборочные приспособления, представляющие собой набор различных конструктивных элементов – универсальные плиты с продольными и поперечными пазами, типовые сменные упоры, фиксаторы, штыри, прихваты, планки, крепежные детали и т. п.
   В условиях крупносерийного и массового производства используют специальные приспособления одноцелевого назначения для выполнения определенных операций при изготовлении конкретного изделия.
   С целью уменьшения сварочных деформаций и напряжений при сборке применяют ряд мер. Эффективной мерой снижения остаточных деформаций является жесткое закрепление свариваемых деталей в специальных приспособлениях – кондукторах. Часто применяют дополнительную деформацию заготовок, которая должна быть противоположной ожидаемой сварочной деформации. Метод предварительного изгиба свариваемых деталей используют для борьбы с угловыми деформациями при сварке стыковых и нахлесточных соединений. При сварке листов небольшой ширины с У-образной разделкой кромок их располагают с предварительным выгибом в сторону, обратную ожидаемой деформации. Листы большой ширины можно укладывать с предварительным изгибом свариваемых кромок. С целью устранения деформаций при сварке тавровых и двутавровых балок применяют приспособления, которые изгибают балку в сторону, обратную ожидаемой деформации. Эффективной мерой предотвращения выпучивания стойки в двутавровых балках, вызванной сваркой поясных швов, является сборка с предварительным натяжением стенки. Для натяжения стенки используют сборочные стенды с домкратными устройствами.

ПОТОЧНЫЕ ЛИНИИ

   Поточная линия – комплекс оборудования, взаимно связанного и работающего согласованно с определенным заданным ритмом по единому технологическому процессу. В сборочно-сварочные механизированные поточные линии входит оборудование для выполнения сборки, сварки, а иногда и операций подготовки металла, его раскроя, контроля готовой продукции и т. д.
   Первая поточная линия с применением автоматической сварки под флюсом была создана в годы Великой Отечественной войны для производства корпусов танков Т-34.
   По признаку механизации и автоматизации различают несколько типов поточных линий:
   – с частичной механизации, при которой используется ручная и полуавтоматическая сварка, а остальные процессы производственного цикла – раскрой металла, резка, сборка, окраска и др. – выполняются вручную;
   – с комплексной механизацией, когда механизированы несколько операций, например, применяется механизированная резка и полуавтоматическая сварка;
   – с частичной автоматизацией, при которой основные процессы (резка, сварка) автоматизированы, а остальные работы (сборка, контроль качества, окраска) выполняются с применением механизированного инструмента и приспособлений;
   – с комплексной автоматизацией – автоматические линии.
   Автоматические линии представляют собой комплекс машин, выполняющих в заданной технологической последовательности весь цикл операций по производству изделий, с общими для всей линии механизмами управления и автоматическими транспортными устройствами, перемещающими объект обработки от одной машины к другой. Примером автоматической линии могут служить сборочно-сварочные автоматические линии для производства сварных труб большого диаметра со спиральным швом, на которых с помощью автоматов под наблюдением небольшого количества операторов осуществляются все операции по изготовлению труб из стальной ленты.
   В сварочном производстве используют сборочно-сварочные линии с различной степенью механизации и автоматизации оборудования и применяемой оснастки с учетом массовости, серийности и индивидуальности производства для многих видов сварных изделий – при сборке и сварке полотнищ, изготовлении обечаек, труб, сосудов, балок, решетчатых и комплексных конструкций, сварных заготовок для деталей машин.
   Мелкосерийное (единичное) производство сварных конструкций является наиболее распространенным в промышленности и строительстве. Эффективность мелкосерийного производства сварных конструкций повышают следующими путями:
   – сосредоточением однотипных сварных конструкций (плоскостных, балочных, цилиндрических, решетчатых, рамочных, корпусных, сферических, конических и пр.) и созданием для их изготовления типовых участков. Это приближает мелкосерийное производство к серийному и создает условия для применения средств механизации и автоматизации;
   – замена ручной сварки механизированной и автоматической. В настоящее время около 70% всех швов в сварных конструкциях составляют короткие и угловые швы, поэтому основной путь механизации сварки таких швов – полуавтоматическая сварка в среде защитных газов. В случаях, где целесообразна автоматическая сварка, перспективно применение наряду с обычными сварочными головками и тракторами легких переносных тракторов массой до 1214 кг и самоходных тележек к полуавтоматам для перемещения горелки во время сварки. Такие участки и цеха созданы на судостроительных заводах (для сборки и сварки полотнищ и приварки набора, изготовления тавровых профилей), на машиностроительных заводах и заводах металлоконструкций (для сборки и сварки балок и полотнищ);
   – механизация заготовительных операций. Созданы полуавтоматические линии для изготовления деталей из листового проката с применением газовой и плазменной резки почти на всех судостроительных заводах. Линии и участки холодной обработки листового проката, прокатных уголков, швеллеров, двутавров и труб созданы на многих машиностроительных заводах и предприятиях, изготовляющих металлические строительные конструкции.
   – применением в раскройно-заготовительных отделениях заводов автоматизированных участков комплектации, в которых учет и выдача поступающих деталей, а также управление штабелерами и подъемно-транспортными устройствами осуществляется с помощью ЭВМ. Такие автоматизированные участки позволяют не только сократить число обслуживающего персонала, занятого комплектацией, но и обеспечить своевременное поступление деталей в сборочно-сварочные отделения. В этом случае детали хранят и подают на сборку в контейнерах и поддонах (в зависимости от размеров деталей), являющихся общей оснасткой раскройно-заготовительных и сборочно-сварочных отделений;
   – расширения механизации вспомогательных операций. В раскройно-заготовительных и сборочно-сварочных отделениях наряду с мостовыми кранами применяют автономные грузоподъемные средства (консольные и полупортальные краны, кран-балки, поворотные консоли с тельферами и т. п.), оборудованные быстродействующими захватами и выносными пультами, обслуживаемыми не крановщиками и стропальщиками, а рабочими основного производства.
   При серийном изготовлении сварных конструкций сборочные и сварочные операции, как правило, выполняются на специализированных поточных линиях с отдельно расположенными рабочими местами, а при необходимости связанными между собой единой транспортной системой. Ритмичная работа таких линий обеспечивается за счет размещения накопителей и промежуточных складов между рабочими местами и линиями.
   Особое место в серийном производстве занимают высокомеханизированные и автоматизированные переналаживаемые линии, предназначенные для изготовления определенных, но незначительно отличающихся по форме и размерам сварных конструкций. В таких линиях сборочные и сварочные установки переналаживаются за счет изменения положения основных узлов на станинах этих установок в период подготовки линии к изготовлению новой сварной конструкции. Оборудование переналаживаемых линий конструктивно не изменяется, поэтому основные узлы сборочных (базы, фиксаторы, прижимы и т. п.) и сварочных (автоматы, их рельсовые пути и т. п.) установок, а также вспомогательное оборудование для выполнения подъемно-транспортных операций и системы автоматизации этих линий могут быть высокопроизводительными и выполнять технологические операции с высоким уровнем механизации и автоматизации. Переналаживаемые линии имеются в краностроении, изготовлении корпусов электродвигателей, производстве полотнищ в судостроении, сварных двутавровых балок в строительстве. Но таких линий еще недостаточно, в связи с чем и в серийном производстве многие конструкции изготовляют с применением методов, характерных для мелкосерийного производства.
   Крупносерийное производство сварных конструкций является специализированным и предназначается для изготовления определенной конструкции и входящих в нее узлов (например, сварных кузовов автомобилей различных марок, магистральных полувагонов, шахтных вагонеток, оконных переплетов и т. д.). В этом случае автоматические линии или агрегаты для изготовления сварных подузлов соединяют внутрицеховым транспортом с линией для изготовления из них узлов и далее с линиями общей сборки и сварки выпускаемой конструкции, а сами сварные конструкции изготовляют машины, которые управляются оператором. Такие линии имеются на многих автомобильных, тракторных и других заводах с крупносерийным производством.
   Отличительной особенностью полностью автоматических сборочно-сварочных линий является то, что рабочие места этих линий соединяются между собой транспортной системой, которая по своей конструкции и работе увязана с основным и вспомогательным оборудованием рабочих мест. Связь между рабочими местами автоматических линий может быть жесткой и гибкой. Гибкую связь на линиях обеспечивают за счет применения межоперационных накопителей деталей и узлов, что дает бесперебойную работу линии при отказе какого-либо элемента.
   В крупносерийном производстве операции по сварке швов, расположенных во всех пространственных положениях, должны выполняться автоматами. Это могут быть автоматы для дуговой сварки, машины для контактной и точечной дуговой сварки, промышленные роботы, а также различные сварочные устройства, в которых перемещение изделия осуществляется механическим оборудованием линии. В зависимости от требуемой производительности на одном рабочем месте линии вместо одного устанавливается несколько автоматически работающих сварочных аппаратов, одновременно сваривающих определенные швы или участки этих швов. В связи с большими возможностями промышленных роботов их можно эффективно использовать в качестве единого универсального оборудования, которое настраивается по определенной программе и предназначено для автоматической сварки различных по форме и размерам швов. Автоматизированные линии с роботами для сварки работают на ряде автомобильных заводов.
   Автоматические линии могут быть созданы при условии автоматизации сборки изделий. Это достигается расчленением операций сборки, т. е. сборка выполняется не на одном рабочем месте, а на нескольких, как правило, с совмещением приварки устанавливаемой детали. В этом случае сварные конструкции изготовляют методом постепенного наращивания, и сборка превращается в простую и относительно легко выполняемую операцию.
   При массовом производстве сварных конструкций наиболее целесообразно использовать подвесные толкающие конвейеры для обслуживания автоматических линий и агрегатов в заготовительных, сборочно-сварочных и отделочных отделениях. Применение подвесных конвейеров и автоматических линий и агрегатов в сочетании с управлением ими с помощью ЭВМ позволит в сварочном производстве перейти к созданию комплексных автоматизированных предприятий и заводов-автоматов.
   Образцом комплексной механизации и автоматизации сварочного производства в крупносерийном производстве может служить изготовление узлов легкового автомобиля на ВАЗе. Сборку и сварку узлов автомобиля ведут на комплексно-механизированных и автоматизированных линиях. Крупные детали подаются на линии системой конвейеров, мелкие – в контейнерах автопогрузчиками. Узлы с одной позиции на другую передаются автоматическими транспортерами. В конце каждой автоматической линии имеются посты перегрузки, с которых с помощью подвесного конвейера узел передают на следующую автоматическую линию или на место складирования межоперационных заделов. Высокая производительность труда достигнута за счет применения быстродействующих машин и механизмов, безотказной работы всего оборудования и четкой организации обслуживания. Сварочные машины имеют быстродействующие разъемы для снабжения их электроэнергией, сжатым воздухом, водой. Переналадку, ремонт, замену оснастки ведут в нерабочее время или с минимальными потерями рабочего времени. Почти 40% от общего числа сварных точек автомобиля на этом заводе выполняется на многоэлектродных машинах. Сборку и сварку основных узлов кузова (крыши, боковин, пола, передних крыльев и дверей) ведут на комплексно-механизированных и автоматизированных линиях, состоящих из многоэлектродных машин.
   Основной тип многоэлектродных машин – прессы со съемными сварочными штампами. Сварочные штампы для части переналаживаемых машин располагаются на запасной позиции загрузочных направляющих и их можно установить в рабочее положение за несколько минут. Универсальные сварочные машины укомплектованы быстросъемными легкодоступными устройствами.
   Дуговой полуавтоматической и автоматической сваркой на ВАЗе выполняется 75% всех швов. Устройство автоматических дуговых сварочных установок также предусматривает быструю смену отдельных частей.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

   Промышленным роботом называют автоматический манипулятор с программным управлением, который может быстро переналаживаться для выполнения различных операций, выполняемых обычно вручную. Основное отличие этого нового типа автоматической машины от других автоматов – применение принципов ручного труда и универсальность, что делает его использование выгодным и в крупносерийном производстве и особенно в условиях частой смены видов продукции, т. е. в серийном и мелкосерийном производстве.
   Промышленный робот имеет механическую "руку" и "кисть", обеспечивающие несколько независимых перемещений инструмента (продольных, поперечных, вращательных, угловых) в любую точку пространства в пределах его рабочей зоны по команде встроенной системы управления, которая содержит запоминающее устройство для хранения заданной программы.
   В настоящее время в промышленности в основном используются роботы первого поколения с жесткой программой действия и отсутствием обратной связи с окружающей средой. Вторым поколением являются роботы с нежесткой программой и датчиками обратной связи. Третье поколение роботов – роботы с искусственным интеллектом, способные полностью заменить человека в области квалифицированного труда.
   Робот может заменить рабочего, особенно на однообразных операциях, – он не утомляется, не совершает ошибок, способен развивать большие усилия, может работать во вредных условиях. Применение роботов повышает однородность качества изделий, делает возможным переход производства на непрерывную круглосуточную работу.
   В сварочном производстве роботы нашли преимущественное применение при контактной точечной сварке в следующих случаях:
   – разгрузке и загрузке специализированной сварочной машины, рассчитанной на определенный тип изделия. Здесь робот устанавливает заготовку в машину, а после сварки вынимает и заменяет следующей;
   – обслуживании стационарной сварочной машины, которое состоит в том, что робот подает очередную деталь, устанавливает ее, включает машину, перемещает деталь и убирает ее;
   – сварки с помощью автоматически работающих клещей, укрепленных на конце руки робота.
   В первом случае используется позиционный транспортирующий робот обычного типа, во втором и третьем случаях – специальный сварочный робот.
   Робот используется в качестве носителя сварочных клещей для контактной сварки в автомобильной промышленности. Перед работой в запоминающее устройство робота вводится программа его действия. Для этого опытный сварщик на первом узле последовательно перемещает инструмент от одного рабочего положения к другому, вводя координаты каждой из этих точек в запоминающее устройство нажатием кнопки "Память". Если на пути между соседними свариваемыми точками оказывается препятствие, например элементы зажимного припособления, то в память робота вводят координаты дополнительных точек, определяющих траекторию движения инструмента в обход препятствия. Выполнение программы начинается после того, как собираемый или свариваемый узел займет требуемое исходное положение и сигнал об этом поступит в запоминающее устройство, после чего робот в соответствии с заложенной программой производит необходимые действия.
   В отличие от точечной сварки, когда промышленный робот берет на себя чисто физический труд по перемещению сварочных клещей, при дуговой сварке его движения определяются самим технологическим процессом сварки. Роботы, предназначенные для дуговой сварки, должны осуществлять непрерывное движение электрода при регулируемых величинах перемещения. Это усложняет его конструкцию и требует значительно большего объема памяти программирующих устройств.
   Существенным недостатком роботов первого поколения является требование высокой точности сборки свариваемых деталей и их расположение в рабочем пространстве робота. В настоящее время создаются сварочные роботы второго поколения с системами обратной связи, с помощью которых рабочая программа и манипуляции робота будут автоматически корректироваться при изменении положения изделия или его отдельных элементов. Такие роботы, оборудованные специальными датчиками, смогут, например, обеспечить автоматический обход встречающихся на пути элементов зажимных приспособлений. Наряду с совершенствованием обычных промышленных роботов создаются роботы, действующие в экстремальных (сложных, труднодоступных, опасных для человека) условиях – в агрессивных средах, под водой, в космосе, при действии радиации.
   Основная перспектива современного производства полная автоматизация технологических процессов при возможности частого изменения номенклатуры производимых изделий. Для процессов сварки эти требования удовлетворяются с помощью сварочных робототехнических комплексов. Робототехнический комплекс включает в себя технические средства – датчики, дающие необходимую информацию, и системы ввода их сигналов в ЭВМ, программные средства – алгоритмы и реализующие их программы, позволяющие вычислять необходимые траекторию сварочной горелки и режимы сварки.
   В качестве ЭВМ робототехнических комплексов целесообразно использовать микропроцессорные системы. Подобные системы, имея небольшую стоимость, позволят осуществить сварку изделий разных размеров, конфигураций из различных материалов, причем автоматически выбирать режимы, которые являются наилучшими для реальных параметров свариваемого соединения.
   Микропроцессорные системы или микро-ЭВМ строят из микропроцессоров. Микропроцессор – это универсальный программирующий элемент, представляющий большую интегральную схему, содержащий несколько тысяч транзисторов, со структурой, аналогичной структуре ЭВМ. Благодаря малым размерам и стоимости микропроцессорные системы могут встраиваться непосредственно в аппаратуру, что резко расширяет ее возможности.
   Микропроцессор со вспомогательными схемами образует процессорный модуль, к которому с помощью системных шин подключают периферийные модули. Системные шины – набор соединительных проводников-линий, объединяющих выводы всех периферийных модулей.
   Системные шины делятся на три группы: шину данных, шину адресов и шину управления. Периферийными модулями могут быть запоминающие устройства, дисплеи, датчики и исполнительные механизмы.
   Работа микропроцессора заключается в обработке исходных данных по заданному алгоритму. Алгоритм – набор последовательно выполняемых команд по обработке исходных данных с целью получения требуемого результата.
   Каждый микропроцессор характеризуется определенной системой команд. Система команд – полный перечень элементарных действий, которые способен производить микропроцессор.
   Составляя программу из таких команд, можно запрограммировать выполнение алгоритма любой сложности при выполнении сварочных и других работ.

Илья Мельников Cварка чугуна