СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

ГАЗОПРЕССОВАЯ СВАРКА

Несомненным крупным достижением сварочной техники является новый способ, нашедший промышленное применение в конце второй мировой войны и получивший название газопрессовой сварки. Нор­мальной сварочной ацетилено-кислородной горелкой 'можно не плавить металла, а лишь нагреть его до пластического состояния и выполнить сварку давлением, применив прессование или проковку разогретого металла. Подобный процесс до недавнего времени счи­тался нерациональным, экономически невыгодным и на практике не применялся.

Нагрев для сварки давлением осуществлялся дешёвыми про­мышленными газами, сжигаемыми не в технически чистом кисло­роде, а в воздухе. Получаемое низкотемпературное пламя позво­ляло нагревать металл медленно и равномерно, без опасности мест­ного расплавления, и в сочетании с проковкой осуществлять сварку удовлетворительного качества (например, сварку водяным газом). Подобный способ сварки сложен, дорог, малопроизводителен, требует громоздкого оборудования, поэтому хотя и давно известен, но получил ограниченное применение на немногих крупных заводах и з настоящее время почти совершенно вышел из употребления.

В новом способе газопрессовой сварки металл нагревается сва­рочным ацетилено-кислородным пламенем. Для создания интенсив­ного быстрого нагрева, необходимого для успешной высокопроиз­водительной сварки, нужно мощное нагревательное пламя. Для того чтобы это пламя не вызывало значительного расплавления металла, как при обычной сварке плавлением, нагрев рассредоточивается и вместо одного мощного пламени применяется большое количество малых огней, распределённых по значительной поверхности. Для этой цели строятся специальные многопламенные горелки с десят­ками и сотнями огней, имеющие малый диаметр выходных каналов (0,5—0,8 мм) и незначительный часовой расход ацетилена

Горелка весьма интенсивно греет стык соединяемых труб и в ко­роткий срок доводит металл стыка до сварочного жара и перехода в пластическое состояние, позволяющее производить осадку.

Время нагрева стыка не зависит от диаметра трубы, а лишь от толщины её стенки, это объясняется тем, что с изменением диа­метра трубы соответственно меняется и диаметр горелки и число мундштуков, так что на каждый мундштук приходится всегда опре­делённый участок поверхности металла трубы, поэтому и время прогрева стыка зависит только от толщины стенки трубы. Это имеет большую практическую ценность и даёт возможность выпол­нения газопрессовой сварки стыков труб значительного диаметра с исключительной скоростью, не достижимой ни при одном из дру­гих способов сварки.

Примерный расход газов на 1 см2 свариваемого сечения равен для ацетилена 8—10 л и для кислорода 9—10 л.

Для газопрессовой сварки стальных труб чистое время нагрева в секундах может быть определено по эмпирической формуле:

t='ks,

где t — время нагрева в секундах;

k — коэффициент, имеющий значение от 8 до 12; х — толщина стенки трубы в мм.

Таким образом, чистое время нагрева трубы с толщиной стенки 6 мм будет равно около 1 мин. независимо от диаметра трубы. Большим техническим преимуществом газопрессовой сварки труб­ных стыков является отсутствие необходимости поворачивать тру­бы в процессе сварки.

При хорошей организации работы и точной калибровке и обрез­ке концов труб полное время сварки трубного стыка может быть доведено до 3—5 мин., что вместе с высоким качеством и проч­ностью стыка, выполненного газопрессовой сваркой, делает этот ме­тод весьма выгодным при сооружении больших трубопроводов для газа, нефтепродуктов и других назначений.

Устройство для газопрессовой сварки стыков трубопроводов имеет вид сложного механизированного и автоматизированного са­моходного агрегата •—• комбайна, самостоятельно перемещающегося вдоль трубопровода и выполняющего за рабочую 8-часовую смену сварку стыков на протяжении до 2 км трубопровода. Все необхо­димое оборудование размещается на мощном гусеничном тракторе с повышенной проходимостью. Для выполнения грузоподъёмных операций трактор снабжён боковой стрелой. В периоды остановок мотор трактора приводит в действие все необходимые механизмы, в том числе подъёмный кран и масляный насос, питающий меха­низм зажатия и осадки сварочной машины. На прицепе к трактору помещаются мощный ацетиленовый генератор высокого давления и батарея кислородных баллонов.

Трубы под газопрессовую сварку должны иметь хорошо кали­брованные концы с достаточно постоянной толщиной стенок, пра­вильным торцевым срезом, лежащим в плоскости, перпендикуляр­ной оси трубы. На концах труб делается небольшой скос кромок, образующий при сборке угол раскрытия, равный в зависимости от толщины стенки 12—25°. Перед сваркой стыкуемые кромки зачи­щаются до металлического блеска.

Работу по сварке труб выполняют две бригады, работающие совместно и согласованно: сборочно-центровочная и сварочная. Сва­рочная бригада, пользуясь всеми механизмами сварочного агрегата — комбайна, в особенности же сварочной машиной или сварочной го­ловкой, выполняет наиболее ответственную операцию сварки стыка.

Сварочная головка подвешена на троссе и перемещается подъём­ной стрелой трактора. Головка состоит из гидравлического свароч­ного пресса и сварочной горелки.

Гидравлический пресс состоит из двух прочных стальных колец, каждое из которых, в свою очередь, состоит из двух полуколец, соединённых шарнирно четырьмя стальными стержнями, являющи­мися штоками горизонтальных гидравлических цилиндров, произ­водящих перемещение колец в осевом направлении, т. е. осадку. Кроме того, каждое кольцо имеет вертикальный гидравлический цилиндр, производящий выдвижение из тела кольца радиальных рифлёных кулачков, производящих зажатие трубы. Между коль­цами пресса помещается кольцевая многопламенная сварочная го­релка. Общий вид газопрессовой установки для сварки труб пока­зан на фиг. 145.

Когда концы труб сомкнуты и сцентрованы центровочной брига­дой, на стык надевается сварочная головка и закрепляется так, чтобы средняя плоскость горелки совпала со средней плоскостью стыка. После того как достигнута правильная установка горелки, сварщик подаёт сигнал трактористу о подаче масла в цилиндры
зажатия пресса, которые плотно зажимают стык труб радиальными стальными кулачками с рифлёной поверхностью, выдвигающшмися из тела кольца.

После подачи масла низкого давления в цилиндры осадки, тру­бы, смещаясь в осевом направлении, сжимаются в стыке с усилием

порядка 1 кг/мм2 сечения металла трубы. Общая величина осадочно­го давления равна 7—12 т для труб средних размеров. Затем за­жигается и окончательно центри­руется по стыку горелка. Канавка стыка по мере нагрева начинает заплывать (фиг. 146), металл вы­давливается наружу, образуя усиление. Горелка остаётся всё время неподвижной, что форсирует нагрев и защищает металл стыка от окисления.

После заполнения металлом разделки кромок, разогревают ме­талл по обе стороны стыка, для чего сообщают посредством управ­ляющего рычага горелке от руки колебания на 10 мм от оси стыка в обе стороны. Через несколько се­кунд достигается достаточный про­грев стыка и прилегающей зоны, и тракторист по сигналу сварщика подаёт масло высокого давления (до 30—50 атм) в цилиндры осадки пресса, вследствие чего осадочное давление на стыке возрастает до

3— 3,5 кг/мм2 сечения металла трубы, в результате чего происходит значительная пластическая деформация металла и осадка стыка, примерно на 10 мм.

Процесс осадки длится около 5 сек., сварщик в это время про­должает разогрев металла колебательными движениями горелки. По окончании осадки горелка отводится в сторону и тушится. Для некоторого охлаждения стыка и увеличения его механической проч­ности сваренный стык выдерживается 5—10 сек., в прессе под дав­лением. На этом процесс сварки заканчивается, тракторист при­останавливает подачу масла, прекращается давление, сварочная головка снимается со сваренного стыка и переносится трактором к новому месту сварки.

Газопрессовая сварка применялась в строительстве газопровода Саратов — Москва и особенно широко и успешно для сварки труб диаметром 20" (508 мм) на строительстве газопровода Дашава — Киев.

Возможной крупной областью применения газопрессовых машин является газопрессовая сварка рельсового стыка, представляющая значительные дополнительные трудности по сравнению со сваркой труб. Ввиду того, что рельс имеет сложный профиль сечения с рез­
ко различной толщиной металла в отдельных частях (головка, шей­ка, подошва), за короткое время трудно получить равномерный про­грев металла по всему сечению, что важно для получения качест­венной сварки.

В связи с разработкой способа сварки рельсового стыка, автор книги предложил видоизменённый способ газопрессовой сварки. В обычном способе газопрессовой сварки производится нагрев боковой поверхности металла, а сваривае­мое сечение не под­вергается действию газового пламени. В предлагаемом спосо­бе нагревающее газо­вое пламя действует непосредственно на поверхность свари­ваемого сечения. Схе­ма этого способа по­казана на фиг. 147.

Если обычный способ назвать «боковой га­зопрессовой свар­кой», то новый способ может быть назван «торцевой газопрес­совой сваркой». При торцевой сварке от­верстия для горючей смеси и огни пламени распределяются рав­номерно по всему сечению сварки, і орелка для газопрессовои сварки изготовляется двусторонней.

Новый способ вносит существенное изменение в процесс газо­прессовой сварки, так как непосредственное действие пламени на торцевую поверхность стыка вызывает оплавление металла. Жид­кий металл должен быть удалён из стыка выдавливанием в процессе осадки, а в непосредственное соприкосновение входят п свариваются слои металла, нагретые лишь до пластического со­стояния.

В нормальном стыке, выполненном торцевой газопрессовой свар­кой, металлографическое исследование не обнаруживает структуры литого металла. По своим технологическим особенностям торцевая газопрессовая сварка во многом напоминает контактную электро­сварку оплавлением, и по аналогии может быть названа газопрес­совой сваркой оплавлением. Торцевая газопрессовая сварка в ряде случаев представляет существенные преимущества перед методом
боковой газопрессовой сварки. Основные преимущества сводятся к следующему:

1. Боковая газопрессовая сварка требует пригонки и весьма тщательной зачистки соединяемых поверхностей. Загрязнения и окислы, имевшиеся на соединяемых поверхностях, как правило, не удаляются в процессе сварки и остаются в сварном соединении, снижая его прочность. Торцевая сварка не требует точной пригонки соединяемых поверхностей, поскольку они оплавляются в процессе сварки, поэтому для сварки пригодны поверхности, полученные не­посредственно после аккуратной газокислородной резки без какой-

либо последующей обработки. При осадке оплавленный металл вы­давливается в наружный грат вместе с поверхностными загрязне­ниями, поэтому не требуется особо тщательной очистки соединяе­мых поверхностей. Отсутствие необходимости в точной пригонке и тщательной очистке соединяемых поверхностей часто является ре­шающим преимуществом торцевой газопрессовой сварки.

2. При сварке больших толщин и сложных профилей иногда затруднительно обеспечить достаточно равномерный одновременный прогрев всей площади сечения. Примером может служить сечение железнодорожного рельса. В подобных случаях торцевой способ даёт лучшие результаты, поскольку огни горелки распределяются по всей площади сечения и обеспечивают достаточно равномерный его нагрев независимо от площади сечения и конфигурации.

3. При торцевом способе металл оплавляется, поэтому практи­чески можно сваривать почти все стали и некоторые цветные металлы.

На фиг. 148 показана горелка для торцевой газопрессовой свар­ки. При небольших толщинах металла возможна газопрессовая сварка оплавлением с направлением пламени приблизительно па­раллельно поверхности стыка, такой метод может быть назван ком­бинированной или боковой газопрессовой сваркой оплавлением. Комбинированная газопрессовая сварка даёт хорошие результаты, например, при сварке встык стальных листов толщиной от 1,5 до

8 мм. На фиг. 149 схематически изображены три разновидности газопрессовой сварки. Имеются основания ожидать дальнейшего быстрого развития применения газопрессовой сварки.

Ацетилено-кислородное пламя, вследствие своей высокой темпе­ратуры, позволяющей быстро нагревать металл, обладает ценными технологическими свойствами и находит промышленное применение, кроме сварки металлов, в кислородной резке стали, твёрдой пайке. Кроме того, ацетилено-кислородное пламя широко используется для металлизации распылением металла. Успехи в конструировании многопламенных горелок позволили широко использовать ацети­лено-кислородное пламя для поверхностной термообработки, глав­ным образом закалки стали и чугуна. Многопламенные горелки успешно применяются для очистки поверхности металла от ржав­чины, краски и других загрязнений. Объём книги не позволяет остановиться на специальных применениях ацетилено-кислородного пламени.