Способы сварки металлоконструкций

новые технологии и сварочные аппараты. Проходящая в германском городе Эссене каждые четыре года Международная выставка по сварке в очередной раз подтвердила свой статус Всемирной сварочной Олимпиады — самого представительного в мире отраслевого смотра достижений.

Из 1052 фирм-участниц больше половины прибыли из-за границы, что необычайно много даже для выставки такого масштаба. Наиболее заметным было присутствие итальянских (133), а также китайских (71), американских (52), французских (34) и британских (тоже 34) фирм.

Впервые в истории выставки были организованы два китайских и два американских совместных стенда. Олимпийская сварочная сборная России в составе 14 фирм по количеству участников вышла на почетное восьмое место, а не занимала скромную строчку в конце списка, как это обычно бывает на большинстве международных выставок. Наряду с главной темой — сварка различных металлов и неметаллов -выставка охватила широкий круг отраслевых проблем, представив заинтересованному вниманию посетивших ее специалистов новые технологии в области резки, наплавки и нетермические методы соединения материалов. Практически незаметная в экспозициях прошлых лет тема склейки приобрела настолько большое значение, что организаторы выставки впервые выделили для нее целый раздел.

Сварочная отрасль в экономике Германии

Сварка относится к наиболее успешно развивающимся секторам мирового рынка, и Германия как один из крупнейших экспортеров сварочного оборудования сохраняет на нем лидирующее положение. В 2004 г. торговый оборот в мире вырос на 9%, причем главным мотором промышленного развития продолжал оставаться Китай, обеспечивающий 10% устойчивого прироста ВНП.

Высоких темпов промышленного развития достигли страны Восточной Азии и Латинской Америки (по 6%), вышли из кризисной полосы США (около 4%) и только Европа с ее менее чем 2% прироста ВНП тормозит мировую конъюнктуру. В первую очередь это относится к Германии, замыкающей список европейских стран с 1,6% прироста ВНП. На фоне этих бледных показателей успехи немецкого экспорта сварочной техники не могут не впечатлять. Конъюнктура в отрасли в том же 2004 г. выросла на 9%, экспорт сварочного оборудования увеличился на 7% и достиг 1,4 млрд евро, из которых 60% приходятся на сварочные аппараты, 27% — на детали и 13% — на присадки. В географии германского экспорта на первом месте стоят Китай и США (по 9%), за ними следуют Франция, Италия, Великобритания. Седьмое место с объемом поставок в 55 млн евро занимает Россия.

Немецкие специалисты внимательно следят за растущими импортными возможностями России, занявшей в 2004 г. второе место в мире после Китая по приросту ВНП (7%). Однако российский рынок считается менее стабильным, чем китайский, поскольку его возможности очень сильно зависят от колебаний цен на нефть. В немецком импорте сварочного оборудования на первом месте с объемом в 100 млн евро стоит главный конкурент Германии — Швейцария (21%). Это единственная страна, торгуя с которой Германия вывозит меньше сварочного оборудования, чем покупает.

Технологии сварки с использованием компьютера

Один из основных путей совершенствования технологии сварки связан с переходом на компьютерное регулирование сварочного процесса. Там, где раньше для сварки приходилось использовать самые разнообразные методы и аппараты, сегодня достаточно одного аппарата, оснащенного периферийными дополнительными устройствами и компьютерным управлением — электронным регулированием показателей электрического импульса и характера электрической дуги (Waveform Control Technology). Испанская фирма Lincoln Electric Europa является одним из инициаторов этого направления. Ею разработаны восемь методов и 80 вариантов их применения, включающие весь комплекс от программ по управлению дугой до механических устройств, роботизации и аппаратов для полуавтоматической сварки. Метод сварки пульсирующей дугой MIG/MAG-Puls предусматривает работу в трехступенчатом режиме, включающем этап быстрого увеличения тока до предельных значений, этап кратковременного выдерживания сильного тока с образованием капли на электроде и глубоким прогревом зоны шва и заключительный третий этап сброса тока до базового значения, необходимого для поддержания дуги. Дополнительно в процессе варьируется частота тока: увеличение частоты служит для сужения конуса электрической дуги, уменьшение частоты — для расширения конуса дуги. Заключительный оплавляющий импульс заостряет конец электрода и улучшает условия запуска дуги для следующего процесса. Метод пульсирующей дуги служит для сварки стали, алюминия, нержавеющей стали, никелевых сплавов. Особенно выгодно его применять для тонколистовых материалов.

Несколько иная последовательность импульсов положена в основу метода Puls-on-puls, представляющего собой комбинацию высоких и низких импульсов тока. Высокоэнергетический импульс очищает и плавит материал, низкоэнергетический импульс остужает расплав и ведет к образованию плотного волнистого шва. Регулируемый поток тепла дает возможность сваривать даже тонкие алюминиевые листы и получать аккуратный качественный шов при средней квалификации сварщика. Метод быстрой дуги RapidArc представляет собой процесс с более сложным регулированием импульса. Он состоит из четырех этапов. На первом этапе обеспечивается рост тока и напряжения до предельных значений с образованием капли расплава, на втором происходит резкий сброс тока и частичное снижение напряжения с развитием плазменного эффекта, на третьем — резкий сброс напряжения при минимальном токе с обрывом дуги и стеканием капли в шов, на четвертом — подача нового импульса тока и напряжения с восстановлением дуги после паузы. При этом поток плазмы сдвигает расплав, отделяет электрод от расплава и охлаждает его.

Метод RapidArc позволяет при той же скорости подачи электрода увеличить на 30% скорость сварки, уменьшить разбрызгивание и обгорание металла. Это достигается за счет снижения напряжения в дуге и уменьшения теплопередачи благодаря обрыву дуги. Метод RapidArc особенно перспективен для автоматической и полуавтоматической сварки материалов толщиной 1,5-4 мм. Например, при сварке нелегированной стали методом RapidArc при токе 300 А, напряжении 28 В и скорости подачи сварочной проволоки 10 м/мин. была достигнута скорость сварки 62 см/мин. при теплозатратах 0,82 кДж/мм, в то время как в обычном MAG-процессе с постоянным напряжением и скоростью подачи проволоки 13 м/мин. скорость сварки была 44 см/мин., а теплозатраты — 1,13 кДж/мм.

Размеры и вес имеют значение

Совершенствование сварочной техники идет в том числе и по пути создания компактных и легких сварочных аппаратов. Финская фирма Kemрpi показала на выставке оригинальные переносные сварочные аппараты MinarcMig типа MIG/MAG, предназначенные для механизированной дуговой сварки листового и профильного металла в среде инертных и активных защитных газов.

Стандартный режим работы, горелка и механизм подачи у них рассчитаны на сварочную проволоку диаметром 0,6-1 мм, оптимально -диаметром 0,8 мм. Номинальный сварочный ток — 180 А, продолжительность нагрузки — 35%. Аппарат можно использовать для сварки алюминиевой сварочной проволокой или массивной проволокой из нержавеющей стали в защитной атмосфере из чистой углекислоты или из ее смеси с 82% аргона. Возможна также работа открытой дугой с порошковыми самозащищаемыми проволоками. MinarcMig поставляется полностью укомплектованным (включая кабель и горелку). Вес комплекта — 9,8 кг. Аппарат полностью готов к запуску, нужно только вставить в него бобину со сварочной проволокой и подсоединить к газовому баллону соединительный шланг с редуктором.

Для автоматической подачи проволоки фирмой разработан оригинальный механизм, вес которого меньше на 35%, энергетическая эффективность выше на 50%, а динамический резонанс быстрее на 200% по сравнению с ранее применявшимися устройствами. MinarcMig отличается исключительной простотой управления. Работать с ним может не только профессионал, но и начинающий сварщик и даже любитель. На приборном щитке аппарата установлен дисплей и кнопка настройки. Примененная в аппарате система настройки позволяет заранее установить исходные показатели, от которых зависят параметры сварочного процесса: диаметр проволоки, вид защитного газа, скорость сварки. В процессе сварки аппарат анализирует дугу и выбирает оптимальное соотношение между напряжением, силой тока и скоростью подачи проволоки.

Сварочная горелка новой конструкции

Работая над совершенствованием оборудования для газовой сварки, фирма Messer сумела создать высокоэффективную сварочную горелку Konstantherm, которая сохраняет ровный, без хлопков и вспышек, режим факела даже в случае длительной работы при высоких температурах. Таким образом исключаются перерывы в работе, остывание сварки, повторный поджог факела. Стабильность процесса достигается благодаря специальной конструкции горелки, поддерживающей постоянное эквимолярное соотношение ацетилена и кислорода 1:1. Горелка Konstantherm дает возможность проваривать швы неограниченной длины при неблагоприятных условиях сварки, прогревать крупные детали, например, трубы при вытягивании. Хорошие результаты горелка показывает на термически сложных участках, таких как углы, пересечения, внутренние поверхности труб, а также при работе одновременно двумя горелками, при устройстве наплавок, при стыковой сварке рельсов.

Постоянство соотношения кислорода и ацетилена имеет первостепенное значение при сварке таких материалов как медь и ее сплавы или легированные стали включая аустениты, для которых опасен как избыток ацетилена, ведущий к выделению водорода и образованию пор, так и избыток кислорода, вызывающий выгорание составляющих сплава и образование оксидов. Наряду с газовыми горелками фирма Messer предлагает многосопловые комплексные газовые установки для сварки и гнутья металлических труб среднего и большого диаметра. Линейные и круговые комплексные газовые горелки представляют собой ряд, а иногда и несколько рядов сблокированных сопел или отверстий. Горелки выпускаются под определенный вид газа (ацетилен, пропан), с величиной теплоотдачи, соответствующей конкретной цели применения. Например, линейные горелки могут иметь ширину пламени от 50 мм до нескольких метров.

При необходимости горелки дополняются охлаждающими устройствами. В систему циркуляции для охлаждения вводятся датчики скорости и давления, отключающие горелки при недостатке воды. В установках для кратковременного нагрева до температуры не выше 500°С охлаждение не требуется. Гибридная лазерная сварка стальных конструкций В центре внимания посетителей выставки оказался ряд перспективных разработок ведущих немецких исследовательских центров. Дрезденский научно-исследовательский институт IWS провел работу по применению так называемой «гибридной» лазерной сварки тонких стальных конструкций, подвергающихся колебательным воздействиям. Речь идет об очень перспективной работе по созданию облегченных строительных конструкций на основе тонкого стального проката из высокопрочных мелкозернистых строительных сталей типа S1100QL с расчетным сопротивлением 1100 МПа.

С нетерпением ожидаемое строительной практикой внедрение тонкостенного стального профиля столкнулось с необходимостью создания такого сварного шва, прочность которого была бы не меньше прочности соединяемого металла. И поскольку тонкостенные конструкции имеют меньшую жесткость, то в них под действием нагрузки часто возникают значительные собственные колебания, которые тоже должны восприниматься сварным швом. Решение проблемы было найдено в виде гибридной сварки, основанной на синергетическом эффекте комплексного воздействия на шов лазерного луча и плазменной электрической дуги. По сравнению с чисто лазерной гибридная сварка позволяет увеличить ширину шва, повысить вязкость расплава и получить более стабильный процесс, а по сравнению с дуговой плазменной сваркой повышается прочность сварного шва и увеличивается производительность сварки. Способ апробирован в соединениях таких ответственных деталей как стрела мобильного крана и стрела бетононасоса. Сварку вели за один проход без предварительного прогрева кромок. Шов получался качественный, плотный, без трещин. Ширина стыка достигала 1 мм при толщине свариваемого металла от 3 до 8 мм. Дальнейшее развитие гибридный способ получил при устройстве порошковых покрытий на металле. Комбинация двух методов сварки увеличила скорость процесса на 300%, повысила энергетические показатели, улучшила использование порошка. Поверхность покрытия стала менее пористой, более замкнутой и гладкой.

Сварка способом холодного переноса материала

Электронное управление процессом сварки в сочетании с высокодинамичным возвратно-поступательным движением сварочной проволоки лежат в основе способа холодного переноса материала (СМТ), разработанного австрийской фирмой Fronius. На выставке были представлены сварочные комплексы, в которых метод СМТ применялся для термического соединения стали с алюминием, что до недавнего времени считалось невозможным. Отличительная особенность нового метода заключается в том, что в процессе сварки электрод на мгновение подается вперед и после возникновения короткого замыкания вновь возвращается назад — и так до 70 раз в секунду! В результате оптимизируются условия отделения расплавленной капли, исключается разбрызгивание и получается равномерный плотный шов. Процесс идет с гораздо меньшими затратами тепла, и именно это делает возможной электродуговую сварку алюминия и стали.

Однако одним лишь соединением стали с алюминием область применения способа СМТ не ограничивается. Она включает также пайку листового металла с нанесенными на него покрытиями, сварку тонколистового алюминия и магниевых сплавов. Автоматизированная промышленная установка для сварки методом СМТ состоит из инверторного источника тока на 320/400/500 А с электронным управлением и интегрированным пакетом программ для поддержания процесса СМТ, пульта дистанционного управления процессом сварки, блока водяного охлаждения, механизма подачи сварочной проволоки с электронным управлением, роботизированной сварочной горелки, оборудованной высокодинамичным сервомотором с электронным управлением и с точным выдерживанием контактного давления и скорости подачи проволоки. Установка дополняется накопителем проволоки, устанавливаемым на третьей оси робота, и устройствами для обслуживания системы подачи проволоки.

Плазменный резак на жидком горючем

На выставке в Эссене фирма Fronius показала еще одну новинку — переносной аппарат для плазменной резки металла TransCut 300. Аппарат основан на принципе, предусматривающем использование не газообразного, как при кислородной резке, а жидкого горючего. Переход на жидкое топливо позволил создать компактный переносной аппарат, который так же удобен в работе, как ручной электроинструмент. Для работы TransCut 300 не требуется ни стационарная магистраль сжатого воздуха, ни специальный компрессор. Все, что нужно, — это электропитание 220 В. Аппарат имеет встроенный бак на 1,5 л горючего, заправляемый картушами. Жидкое горючее подается в резак, где оно нагревается и в парообразном ионизированном состоянии служит медиумом для получения плазмы. В стволе резака вокруг катода расположен кольцевой нагревательный элемент, отделенный от катода кольцевым каналом, куда поступает горючее.

По мере продвижения по кольцевому каналу жидкость нагревается и испаряется. К соплу горелки подходит уже газ, который ионизируется и в виде плазменного факела используется для резки. По сравнению с резаками, работающими на газе, TransCut 300 обладает двумя важными преимуществами. Во-первых, теплотворная способность жидкого горючего позволяет аппарату с небольшим встроенным баком работать автономно, а во-вторых, при переходе жидкости в газообразное состояние развивается необходимое давление и отпадает потребность в специальных средствах для создания давления. К существенным преимуществам плазменного резака относится снижение концентрации вредных газовых выбросов, за что TransCut 300 получил название «зеленого», т. е. экологически чистого резака. Повышение качества соединения достигается благодаря отсутствию азотирования с сокращением количества пор и уменьшенному оксидированию металла на поверхности реза

Аппарат TransCut 300 можно применять для резки стали, алюминия, хромоникелевых сплавов толщиной до 12 мм. При весе менее 14 кг он является самым легким плазменным резательным аппаратом в мире, по скорости и чистоте резки может конкурировать с лучшими мировыми образцами резаков. Разработчики считают, что благодаря своей экологичности, производительности и мобильности плазменные резаки на жидком горючем получат широкое применение в строительстве, например, при проведении ремонтных сантехнических работ, монтаже систем вентиляции и кондиционирования.

Точечная сварка листов трением

К принципиально новым разработкам в области сварочного производства относится разработанный и запатентованный немецкой фирмой Riftec способ точечной сварки листов трением (RPS). Этот способ применяют для точечного соединения двух или более листов. Структурно он напоминает соединение клепкой, отличаясь от него тем, что не требует для скрепления никаких дополнительных материалов. Рабочий орган RPS представляет собой зажимной патрон, внутри которого во встречных направлениях вращаются вокруг вертикальной оси цилиндрический стержень и соприкасающаяся с ним гильза. Возникающее при трении стержня о гильзу тепло используется для плавления соединяемых материалов.

Процесс начинается с зажатия листов в патроне в точке сварки с одновременным включением вращения и плавлением материала. Разогретый цилиндр плавит под собой материал и постепенно вдавливается в свариваемый материал первого, а затем и второго слоя. Одновременно с погружением цилиндра под давлением вытесняемого им расплава синхронно поднимается обойма, открывая кольцевую полость, в которую вытесняется расплав. После достижения заданной глубины сварки цилиндр, не прекращая вращения, извлекается, а расплав из кольцевого зазора отжимается синхронно опускающейся обоймой. Цилиндр и обойма возвращаются в исходное положение, вращение отключается и патрон разжимается. Внутри листа остается сформированный столбик из застывшего расплава, при этом свободная поверхность нижнего листа сохраняет первоначальный вид. Предложение уже реализовано на практике.

Создан инструмент для соединения двух и более металлических листов толщиной 1-5 мм. До сих пор сварку RPS применяли для соединения листов алюминия и магнезии, однако диапазон соединяемых материалов может быть расширен. Этот способ позволяет получить прочное сплошное внутреннее скрепление листов без применения каких-либо дополнительных материалов или устройств. Преимущества соединения RPS заключаются в высокой энергетической эффективности метода, сокращении количества операций по сравнению, например, с заклепочным соединением, а также в экологичности технологии, которая не предусматривает никаких излучений, выделений вредных веществ, брызг, искр, шума.

Сварка RPS позволяет получить довольно чистую верхнюю поверхность, требующую лишь незначительной доводки, а нижняя поверхность листа остается без изменений. Выпущенная фирмой рабочая головка для соединения по технологии RPS сваривает листы толщиной до 5 мм в точках диаметром 10 мм со скоростью 1 мм толщины сварки в секунду. Максимальная скорость вращения пары «цилиндр-обойма» — 3000 об/мин., вращающий момент — 21 Н?м, мощность двигателя — 15 кВт. Размер рабочей головки — 320_250_700 мм, вес — 65 кг. Способ RPS прост, надежен, не требует квалифицированного персонала, легко поддается автоматизации, а главное — высокопроизводителен. Он может составить конкуренцию клепанным и болтовым соединениям в тех областях техники, где соединяются листы из легкого металла, например, в автомобиле-, самолето- и вагоностроении.

Склейка вместо сварки

Активную поддержку организаторов выставки получила тенденция к расширению применения для соединения материалов склейки, в т. ч. вместо сварки. Перед сваркой и механическими способами соединения материалов склейка имеет целый ряд преимуществ. Она не связана с нагревом, не изменяет структуру и не нарушает сплошность материала в соединяемых кромках, позволяет получить более мягкий и виброустойчивый шов. Таким образом, шов перестает быть слабым местом конструкции, поскольку для склейки можно применить материал даже более прочный и устойчивый, чем соединяемая пара. Оптические, электрические и реологические свойства склейки могут быть выражены более ярко, а получаемый комплексный материал нередко даже качественно отличается от соединяемых сваркой или механически. Под руководством немецкого института IFAM, который считается главным в Европе исследовательским центром по клеевым соединениям, 11 фирм — изготовителей клеящих материалов и устройств для склеивания показали на коллективном стенде Structural Bonding International (SBI) образцы применения клеевых соединений в электронике, автомобилестроении, судостроении, самолетостроении и других областях. Выделение раздела SBI было инициировано главным объединением предприятий отрасли — Германским союзом по сварке и сопутствующим материалам. Поводом для выделения раздела послужил проведенный по поручению Союза сбор данных об объемах рынка структурного склеивания.

Анализ показал, что объем производства аппаратов и машин для склейки составляет 152 млн евро, а выпуск клеящих материалов достигает 226 млн евро. Таким образом, уже сейчас связанные со склейкой объемы продукции превысили 10% суммарного объема всех соединительных технологий и могут быть выделены в отдельный сегмент. Специалисты предсказывают сектору склейки устойчивый долгосрочный рост с темпом не менее 3% в год. Болтовые соединения Традиционные болтовые соединения тоже сохранили потенциал для совершенствования. Фирма Arnold&Shinjo (Германия) разработала и запатентовала оригинальный способ предварительной запрессовки гаек или болтов в детали, изготовленные из металлического листа, позволяющий намного ускорить и удешевить болтовое соединение.

Для запрессовки используются специальные квадратные гайки под резьбу М5-М12, имеющие на нижней поверхности кольцевую канавку трапецеидального сечения. Перед началом операции гайка вставляется в захват пуансона раззенковкой и канавкой вниз, а металлический лист укладывается на матрицу, в которой имеется соответствующее гайке отверстие и кольцевой бортик. При движении пуансона вниз гайка пробивает в листе отверстие под болт, находящееся над отверстием в матрице. Одновременно материал листа вдавливается бортиком матрицы снизу в кольцевую канавку гайки, заполняет ее и удерживает гайку при возвращении пуансона в исходное положение. Запрессовка выполняется за один цикл, гайка прочно фиксируется в листе и готова к завинчиванию болта. Класс прочности соединения — от 8 до 10. Прочность соединения контролируется специальным устройством.

Гайки можно запрессовывать в лист толщиной от 0,6 до 2,5 мм. Возможна установка в захвате пуансона сразу несколько гаек. Модульная конструкция захвата позволяет быстро изменять количество и расположение гаек в зависимости от вида обрабатываемой детали. Скорость штамповки — до 100 циклов в минуту. Для подачи гаек разработан специальный мультираспределительный механизм, подающий одновременно до восьми гаек. Та же идея запрессовки положена в основу установки невыпадающих болтов в детали из металлического листа. Болты снабжены кольцевой канавкой в верхней части и имеют особую форму нижней поверхности головки. Отверстия под болты делаются в листе заранее. Болт закрепляется в зажиме пуансона и вводится в отверстие листа с запрессовкой головки. При запрессовке лист обжимается головкой болта и матрицей пресса. Металл заполняет кольцевую канавку болта и неровности на его головке.

Кольцевая канавка фиксирует болт от выдергивания, а неровности на головке исключают прокручивание болта. Класс прочности соединения — 8-10. Для запрессовки служат болты М4-М10, толщина листа — 0,7-5 мм. За один цикл работы пресса можно запрессовывать сразу несколько болтов. Скорость работы пресса — до 40 циклов в минуту. Мультираспределительный механизм в состоянии одновременно подавать до четырех болтов. Операции по запрессовке гаек и болтов легко поддаются автоматизации и могут выполняться роботизированными комплексами.