(4) производство сварных конструкций

4. ПРОИЗВОДСТВО СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Процесс изготовления сварных конструкций помимо сварки включает такие этапы, как получение заготовок, отвечающих требованиям, необходимым для сварки; подготовка их под сварку; сборка; дополнительная обработка после сварки (термообработка, правка, механообработка); контроль. Без этих этапов сварка не может производиться, и они со сваркой тесно связаны, во многом определяя получение конструкции с заданными свойствами. Этот комплекс работ в целом и рассматривается как сварочное производство, организуемое с учётом особенностей той или иной отрасли машиностроения.
Такое комплексное рассмотрение сварочного производства необходимо при решении вопросов совершенствования как сварных конструкций, так и методов их изготовления. Около 70 % всех сварных конструкций из самого распространённого материала - стали изготавливают с помощью электродуговой сварки, поэтому познакомимся со сварочным производством, использующим этот вид сварки.
Непрерывное усложнение конструкций и повышение уровня требований к их качеству сопровождается возрастанием трудоёмкости их изготовления и себестоимости. Поэтому механизация и автоматизация производства, которые позволяют повысить производительность процесса, улучшить качество соединений и условия труда, являются одной из характерных особенностей развития современного сварочного производства
Под механизацией производства понимается замена в нём руч-ного труда энергией машин и механизмов. При этом функции управления процессом остаются за человеком. Автоматизация - это более высокая стадия механизации, при которой функции управления выполняются автоматическими устройствами. Автоматизация не только механизирует труд, но и управляет им.
4.1. ЗАГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
Заготовки для изготовления сварных конструкций могут быть из проката, литые и кованые. Технологический процесс заготовки деталей из проката может включать такие операции, как правка, разметка, резка, штамповка.
Правка может производиться в холодном или горячем состоянии за счёт создания местной пластической деформации, например на листоправильных вальцах (рис. 4.1, а). Правка достигается в результате изгиба и растяжения путём многократного пропускания листов между верхними и нижними рядами валков. По такому же принципу работают углоправильные вальцы для правки уголков (рис. 4.1, б).
Правка двутавров и швеллеров производится на правильно-гибочных прессах. Прокатный профиль 2 изгибается между опорами 1 и толкателем 3 (рис. 4.1, в).
Разметка индивидуальная - трудоёмкая операция. Более производительная операция - наметка по шаблонам. Однако изготовление специальных наметочных шаблонов целесообразно только для серийного производства или для повторяющихся конструкций единичного производства.
При изготовлении деталей сварных конструкций применяются следующие виды резки: на ножницах, на отрезных станках, термическая, в штампах на прессах.
Процесс резки на ножницах основан на упругопластической деформации и скалывании металла под давлением ножа. Разрезаемый лист 2 заводят между нижним / и верхним 4 ножами ножниц до упора 5 и зажимают под прижимом 3 (рис. 4.2). Под давле нием верхнего ножа вначале происходит вдавливание ножей в металл, а затем его скалывание по поверхности между остриями режущих кромок.
Резать на отрезных станках можно материал большего сечения, чем на ножницах, и качество резки получается более высоким, однако трудоёмкость резки при этом значительно увеличивается. Поэтому отрезные станки применяются для резки профилей, которые невозможно резать на ножницах, например, для резки труб, профилей большого сечения, профилей под углом или в случаях, когда необходимо обеспечить высокую точность резки.
Разделительная термическая резка (кислородная и плазменно-дуговая) находит исключительно широкое применение в заготовительных работах. Ручная и полуавтоматическая резка производится обычно по разметке, а автоматическая - с помощью копирных устройств или компьютерных программ.
Ручная резка имеет ограниченное применение для получения заготовок сварных конструкций, так как она более трудоёмка и не обеспечивает требуемую точность реза. Машинная резка позволяет вырезать детали сложной формы (рис. 4.3) с высокой точностью, исключаются трудоёмкие операции разметки, обеспечивается высокая производительность. Поэтому она является одним из наиболее прогрессивных технологических процессов.
Машины для термической резки подразделяют на универсальные, предназначенные для вырезки разнообразных по размерам и конфигурации деталей из листового металла, и специальные для выполнения какой-либо определённой операции, например для вырезки фланцев, резки труб. Универсальные машины могут быть стационарными и переносными.
На рис. 4.4 приведены схемы термической резки и общий вид универсальной машины термической резки серии «Кристалл-2,5», предназначенной для раскроя листового проката чёрных и цветных металлов методом плазменной или кислородной газопламенной резки по программе. Толщина разрезаемого металла от 1 до 20 мм. Ширина разрезаемого листа до 2,5 м, длина листа не регламентируется.
Резка сортового и фасонного проката может осуществляться с применением ножниц следующих типов: пресс-ножницы комбинированные, ножницы комбинированные, сортовые, для резки уголка, для резки швеллеров и двутавров.
На прессножницах комбинированных можно резать полосу, круг, квадрат, уголок, тавр, швеллер и двутавр. Наряду с этим пресс-нож ницы позволяют резать листовой материал, а также осуществлять операции пробивки отверстий в листах и фасонных заготовках.
При резке фасонного проката так же, как и при резке листового проката на ножницах, основное время составляет наибольшую часть в общей трудоёмкости. Поэтому комплексная механизация резки фасонного проката обеспечивает значительное сокращение трудоёмкости и улучшение условий труда рабочих.
На комплексно-механизированных линиях в автоматическом режиме выполняются следующие операции: подача заготовки под отрезное устройство, отрезка конца заготовки, подача заготовки под штамп пресса, вырубка фигурных отверстий, подача заготовки под отрезное устройство, отрезка детали на заданную длину, подача детали под маркировочный автомат, маркировка детали, сортировка деталей по длине. В линию входят: система программного управления, пресс с подающим, вырубным и отрезным устройствами, насосная станция, клеймильный автомат и отводной рольганг. Для смены штампов применяют быстродействующий блок роторного типа.
Холодная листовая штамповка в производстве сварных конструкций является наиболее прогрессивным технологическим процессом, так как обеспечивает высокую точность и производительность, низкую себестоимость изготовления деталей, сокращение массы сварных конструкций, объёма сборочно-сварочных работ и расхода металла. Основные виды холодной штамповки - вырубка (пробивка), гибка и вытяжка (рис. 4.5).


Рис. 4.З. Заготовки, получаемые термической резкой

















Рис. 4.4. Схемы односопловой (а), многосопловой (б) термической резки и общий вид (е) портальной машины термической резки серии «Кристалл-2,5»
Сварка. Введение в специальность

Рис. 4.5. Схемы холодной штамповки:
а - вырубка, б - одноу гловая гибка, в - двухупповая гибка,
г- вытяжка






4.2. ПОДГОТОВКА ЗАГОТОВОК ПОД СВАРКУ
Существующие способы дуговой сварки без специальной подготовки кромок (без разделки) позволяют сваривать металл ограниченной толщины: при односторонней ручной сварке-до 4 мм, при механизированной под флюсом - до 18 мм. Поэтому при сварке металла большой толщины для доступа дуги в глубь соединения и полного проплавления кромок на всю толщину необходимо их разделывать.
В зависимости от толщины свариваемого металла форма подготовки кромок может быть: с отбортовкой, без скоса, со скосом одной или двух кромок (табл. 4.1).
Форму разделки кромок и их сборку под сварку характеризуют четыре основных конструктивных элемента (рис. 4.6): зазор Ь, притупление с, угол скоса р и угол разделки а.
Угол разделки кромок в зависимости от способа сварки и типа соединения может изменяться в достаточно широких пределах: от 60 до 90°. Тип разделки и угол разделки кромок определяют количество необходимого дополнительного металла для заполнения разделки, а значит, и производительность сварки. Так, при Х-образной разделке кромок по сравнению с V-образной уменьшается объём наплавленного металла в 1,6-1,7 раза; уменьшается время на обработку кромок. Но в этом случае возникает необходимость вести сварку с одной стороны шва в неудобном потолочном положении или кантовать свариваемые изделия.
Притуплением с обеспечивается правильное формирование и предотвращаются прожоги в вершине шва. Зазор b необходим для провара вершины шва.
Отбортовку и гибку кромок под сварку выполняют на зигмашинах. Эти операции осуществляются между двумя вращающимися роликами, имеющими соответствующий профиль (рис. 4.7).
Верхний ролик имеет регулировку по высоте, благодаря которой происходит начальное деформирование заготовки. Для подготовки кромок применяют механизированную термическую резку, резку на гильотинных ножницах и механическую обработку на токарных, карусельных, кромкострогальных станках и переносных агрегатах для снятия фаски (рис. 4.8), на которых обеспечивается скорость обработки до 1,5 м/мин при ширине фаски S до 21 мм и глубине фаски Ндо 15 мм.
При ручной кислородной резке иногда требуется дополнительная зачистка кромок пневматическим зубилом или абразивным инструментом для удаления неровностей и наплывов шлака.
Подготовленные кромки перед сборкой должны быть очищены от ржавчины, масла, краски, влаги и других загрязнений. Наличие их может привести в процессе сварки к образованию пор, шлаковых включений и других дефектов. Очистке подвергаются торцовые кромки свариваемых деталей, а также прилегающие к ним участки металла шириной 2530 мм.
Очистку можно осуществить как механическими способами -вращающимися щётками из стальной проволоки (рис. 4.9), абразивным инструментом, так и газопламенной обработкой. В последнем случае применяют обычные сварочные или специальные многопламенные горелки для газовой сварки. Такой процесс очистки основан на быстром нагреве поверхности детали, при котором окалина отслаивается, ржавчина обезвоживается, краска и масло сгорают, а влага испаряется. Остатки продуктов сгорания удаляют металлической щёткой. Детали посческая зачистка кроле сборки не очищают, так как при очистке в зазор мок под сварку могут попасть различные загрязнения, вызываю пористость шва. Собранные конструкции перед сваркой только обдувают сжатым воздухом или прожигают газовой горелкой.



Рис. 4.8. Агрегат а и схема процесса снятия фаски б





4.3. СБОРОЧНЫЕ РАБОТЫ
Процесс сборки сварного изделия состоит из ряда последовательных операций. Прежде всего требуется подать заготовки, из которых собирают изделие или сварной узел, к месту сборки. Затем необходимо установить эти заготовки в сборочном устройстве в определённом положении. В этом положении детали должны быть закреплены, после чего их сваривают.
При сборке важно выдерживать необходимые зазоры и совмещение кромок. Сборку заготовок под автоматическую сварку выполняют более тщательно, чем под ручную. Глубокий провар, большой объём сварочной ванны, жидкотекучесть расплавленного металла и постоянная скорость сварки приводят к необходимости выдерживания при сборке одинаковых зазоров, углов разделки и притупления кромок, так как в противном случае возможно образование непроваров или прожогов. Особое внимание следует уделять равномерности зазора по всей протяжённости шва, так как в местах с увеличенным зазором швы получаются вогнутыми, а в местах с заниженным зазором не только уменьшается проплавление, но и получается большая выпуклость шва.
Точность сборки проверяют шаблонами, измерительными линейками и различного рода щупами (рис. 4.10).
Детали закрепляют зажимными элементами сборочных приспособлений, а затем при необходимости прихватывают (рис. 4.11). Прихватки ставят с лицевой стороны соединения.
Приспособления и оснастка для сборки могут быть универсальными, предназначенными для большого количества разнообразных изделий, и специальными, применяемыми для одного или нескольких однотипных изделий.
Сборочные приспособления и оборудование можно разделить на следующие основные группы, приведенные ниже.
1. Сборочные кондукторы (рис. 4.12, а) - устройства, состоящие из плоской или пространственной рамы или плиты, на которой размещены установочные и зажимные элементы, обеспечивающие необходимое расположение собираемых заготовок. В кондукторах обычно производится и сварка собранных изделий, поэтому основание кондуктора должно быть жёстким и прочным для восприятия усилий, возникающих в изделиях при сварке.
2. Сборочные стенды и установки (рис. 4.12, б), предназначенные обычно для сборки крупных изделий. Они имеют, как правило, неподвижное основание с размещёнными на нём установочными и зажимными элементами.
3. Сборно-разборные приспособления (рис. 4.12, в, д), составленные из отдельных взаимозаменяемых стандартных элементов, предназначенных для сборки различных изделий широкой номенклатуры. Приспособление состоит из плиты с Т-образными пазами, а также установочными и зажимными элементами, с помощью которых обеспечивается жёсткое закрепление деталей.
4. Переносные сборочные приспособления, например стяжки, струбцины, распорки (рис. 4.12, г), применяемые в единичном производстве, при монтаже и в строительстве.











Рис. 4.12. Схемы (я-г) и общий вид (д) сборочных приспособлений
4.4. СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

К сварочным работам, кроме собственно сварочных операций, относятся некоторые неразрывно связанные с ними вспомогательные операции: установка изделий под сварку или сварочной головки на начало шва; поворот изделий в процессе сварки, обеспечивающий необходимое для сварки положение свариваемого изделия и сварочного инструмента; вращение изделий в процессе сварки; отвод сварочного автомата или перемещение изделия; перемещения сварщика и некоторые другие.
Поэтому комплексную механизацию и автоматизацию сварочных работ в общем случае можно рассматривать как решение двух задач в совокупности:
- автоматизация собственно процесса сварки;
- механизация и автоматизация вспомогательных операций.
4.4.1. Автоматизация дуговой сварки
В общем объёме работ по производству сварных конструкций собственно сварочный процесс составляет 15-20 %. Однако он является технологической операцией производства, определяющей конечные свойства и эксплуатационную надёжность сварных соединений и конструкции в целом. Поэтому автоматизация сварочного процесса, обеспечивающая повышение точности управления его технологическими параметрами и исключающая влияние на него субъективных факторов (мастерства работающего, его утомляемость и т.п.), - необходимое условие повышения качества сварных соединений и стабильности процесса.
Сварка характеризуется относительно большим количеством факторов, влияющих на ее развитие, и высокими скоростями их возможных изменений. Для эффективного управления процессом сварки требуется обработка с большой скоростью информации, что в большинстве случаев оказывается недоступным человеку. Первые автоматические регуляторы дуги были предложены Н. Н. Бенардосом и Н. Г. Славяновым. Н. Г. Славянов указывал, что если электрод плавкий, то невозможно поддерживать непрерывную вольтову дугу без автоматического регулирования. Он считал, что только при наличии регуляторов дуги возможно обеспечить промышленное применение дуговой сварки плавящимся электродом.
Автоматизация процесса сварки предполагает частичный или полный перевод сварочного оборудования на автоматический режим работы, при котором обеспечивается требуемый технологический цикл сварки (сварочный ток, напряжение на дуге, скорость сварки и скорость подачи электродной или присадочной проволоки и др.), а также ориентированное движение рабочего органа - дуги по заданной траектории.
В современном сварочном оборудовании для дуговой сварки применяют автоматические системы регулирования (стабилизации) параметров дуги и геометрических размеров сварочной ванны, системы программного управления, системы ориентации электрода по стыку.
Вопросам автоматизации сварочных процессов посвящены целые учебники и монографии, поэтому в качестве примера рассмотрим только системы автоматического регулирования параметров дуги при сварке плавящимся электродом. В комплекте оборудования для автоматической сварки плавящимся электродом основным рабочим
органом служит сварочная головка, с помощью которой непрерывно подается электродная проволока в зону сварки и осуществляется автоматическое регулирование параметров дуги.
В промышленности получили распространение сварочные головки двух типов, отличающиеся способом регулирования и стабилизации дуги:
-с постоянной, независимой скоростью подачи электродной проволоки:
автоматическое регулирование напряжения (тока) дуги в которых осуществляется путём воздействия на скорость подачи электрода.
В сварочных головках первого типа используется эффект саморегулирования дуги, который реализуется при достаточно высоких плотностях тока (не менее 100 А/мм2). В отечественном оборудовании этот эффект используется в сварочном тракторе ТС-17 и его модификациях, в автоматах серий АДФ-500, А-384, А-616 М, АБС и др., в полуавтоматах А537 Р, ПДГ-500-1, ПШП-16 и др.
Простейшая схема системы стабилизации дуги саморегулирования (рис. 4.13) состоит из механизма подачи Л477, электродной проволоки, дуги Д и источника питания ИП.
Процесс саморегулирования дуги заключается в следующем. Любое отклонение длины дуги вызывает изменение напряжения на дуге Ј/д. В свою очередь изменение U при полого падающей характеристике источника питания приводит к значительному отклонению тока дуги. Это вызывает пропорциональное изменение скорости плавления электрода, в результате чего при постоянной скорости подачи электрода длина дуги достигает заданного значения. Следовательно, при случайном уменьшении длины дуги скорость плавления проволоки возрастает и становится больше скорости подачи, вследствие чего дуговой промежуток увеличивается до тех пор, пока не достигнет заданного значения; при увеличении длины дуги выше заданной скорость плавления понижается и соответственно уменьшается дуговой промежуток до тех пор, пока не будет восстановлена его нормальная величина.
Настройка сварочных головок на заданную скорость подачи электродной проволоки производится плавно или ступенчато путём уменьшения числа оборотов подающих роликов. В первом случае это осуществляется регулированием числа оборотов двигателя Ы механизма подачи, а во втором сменными шестернями редуктора q или коробкой скоростей (см. рис. 4.13). Наиболее просты и надёжны в эксплуатации те головки, в которых скорость подачи настраивается сменными шестернями. Они применяются для крупносерийного и массового производства изделий с однотипными швами, когда не требуется частое изменение режимов сварки. Система бесступенчатого плавного регулирования позволяет легко и быстро изменять режим сварки на ходу. Поэтому эта система целесообразна при единичном и мелкосерийном характере производства.
Сварочные головки второго типа (с зависимой скоростью подачи проволоки) подают электродную проволоку со скоростью, зависящей от напряжения дуги. С увеличением длины дуги повышается её напряжение, в связи с чем электродвигатель, подающий проволоку, увеличивает число оборотов и восстанавливает заданную длину дуги, а следовательно, и её напряжение. При случайном укорочении дуги напряжение падает, вращение двигателя и подача проволоки замедляется, благодаря чему снова восстанавливается нормальная длина дуги и её напряжение.
Известно достаточно много вариантов системы автоматического регулирования напряжения дуги с воздействием на скорость подачи проволоки, отличающиеся по способу сравнения напряжения на дуге с заданным (требуемым) напряжением, по устройству усилителя и исполнительного органа.
Наибольшее распространение получил автомат АДС-1000-2, принципиальная схема которого приведена на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Принципиальная схема системы автоматического регулирования напряжения дуги с воздействием на скорость подачи проволоки





В этой системе происходит сравнение напряжения дуги Uд с заданным напряжением U3 путём сопоставления магнитных потоков Ф1 и Ф2 в обмотках цепи возбуждения w1 и w2 генератора Г. Скорость подачи проволоки Vп определяется напряжением на якоре двигателя М, питаемого от генератора Г Напряжение, вырабатываемое генератором, зависит от разности магнитных потоков Ф1 и Ф2. Поток Ф1 пропорционален Uд; при повышении напряжения на дуге увеличивается Ф2, напряжение, вырабатываемое генератором и, соответственно, скорость подачи проволоки Vп.

4.4.2. Механизация вспомогательных операций

Оборудование для механизации вспомогательных операций при выполнении сварочных работ можно подразделить на две группы:
- для установки и перемещения свариваемых изделий (универсальные вращатели, вращатели горизонтальные, вертикальные и роликовые; кантователи);
-для установки и перемещения сварочных аппаратов (сварочные колонны, порталы) и сварщиков (площадки сварщиков, лифты).
Универсальные сварочные вращатели предназначены для вращения свариваемого изделия со сварочной скоростью при механизированной и ручной дуговой сварке кольцевых швов, а также для установки изделия на маршевой скорости в удобное для сварки положение.
Схема и общий вид универсального сварочного вращателя приведены на рис. 4.15.
Горизонтальные сварочные вращатели выполняют те же функции, что и универсальные, но только при расположении оси вращения в горизонтальной плоскости (рис. 4.16).
Роликовые сварочные вращатели предназначены для вращения цилиндрических изделий со сварочной скоростью при механизированной и автоматизированной сварке кольцевых швов, а также для установки изделий на маршевой скорости в удобное для сварки положение (рис. 4.17).
Секции вращателей изготавливают в следующем исполнении: стационарные и передвижные; приводные и неприводные (холостые); с одинарными и балансирными (самоустанавливающимися) роликами.


Рис. 4.15. Схема (а) и общий вид (б) универсального сварочного вращателя



Рис. 4.16. Схема (а) и общий вид (б) вращателя сварочного горизонтального двухстоечного: 1 - передняя приводная стойка; 2 - задняя поддерживающая стойка

Сварочные кантователи предназначены для поворота свариваемого изделия вокруг горизонтальной оси в удобное для сварки положение. Их применяют также для поворота изделия вокруг горизонтальной оси при сборочных операциях, при зачистке сварных швов и других отделочных операциях, когда требуется периодический поворот изделия на неопределенный угол в благоприятное для обработки положение. Некоторые схемы кантователей привелены на рис. 4.18.
Кантователи различают:
центровые, поворачивающие изделие вокруг оси, которая проходит через изделие (рис. 4.18, о);
рычажные, поворачивающие изделие вокруг оси, которая проходит вне изделия (рис. 4.18, б);
цепные, поворачивающие изделие вокруг оси, проходящей через изделие, с помощью гибкой тяги на которую кладут изделие {рис. 4.18, в);
кольцевые, поворачивающие изделие вокруг оси с помощью разъёмного кольца, охватывающего изделие (рис. 4.18, г).


Рис. 4.19. Сварочные колонны для самоходного (а) и подвесного (6) сварочных автоматов:





Рис. 4.20. Общий вид колонны с универсальным вращателем












Рис. 4.22. Схема (а) и общий вид (б) универсальной установки для дуговой сварки, собранной из унифицированного механизированного оборудования









Колонны для сварочных автоматов предназначены: для установки и перемещения либо самоходных, либо подвесных (несамоходных) сварочных автоматов (рис. 4.19). Первые применяются для сварки кольцевых и прямолинейных продольных швов, вторые - только для кольцевых швов.
Большинство колонн поворотные, что делает возможным отводить сварочный аппарат в сторону и устанавливать свободно изделие каким-либо подъёмным устройством; известны также передвижные (по рельсовому пути) и стационарные колонны.
Колонны могут быть снабжены фильтровентиляционными агрегатами для отсоса вредных веществ из зоны сварки и использованы при работе с универсальными, вертикальными, горизонтальными и роликовыми вращателями (рис. 4.20).
К оборудованию для перемещения сварщика относительно изделия относятся различного рода подъёмные и подъёмно-выдвижные площадки (балконы) с механизированным приводом дистанционного управления (рис. 4.21). При электрошлаковой сварке барабанов, котлов и других крупногабаритных изделий требуется перемещение сварщиков по вертикали на несколько метров. В этих случаях в процессе сварки применяют специальные лифты.
На рис. 4.22 приведена схема установки для дуговой сварки под флюсом, собранной из унифицированного механизированного оборудования. Эта установка с рабочим балконом предназначена для сварки резервуаров внешними продольными и кольцевыми швами. Возможность комбинации этой установки с четырьмя роликовыми вращателями обеспечивает высокую степень её загрузки. При дуговой сварке под флюсом кольцевыми швами на балконе можно устанавливать и перемещать сварочную головку на расстояние 2,5 м с целью точного позиционирования.
Существенное повышение производительности достигается при оснащении установки двумя сварочными головками и системой автоматического слежения за стыком. Установку можно оборудовать видеосистемой наблюдения за процессом сварки, и тогда она будет обслуживаться одним оператором.


4.4.3. Поточные механизированные и автоматизированные линии
Поточной механизированной сборочно-сварочной линией называется комплекс оборудования, расположенного в порядке последовательности технологического процесса и обеспечивающего механизированное выполнение операций изготовления сварного изделия.
Схема поточной механизированной линии изготовления скребков шахтных транспортеров показана на рис. 4.23. Полосовой металл подается со склада на поточную линию к прессу /, на котором полосы режутся на заготовки необходимых размеров. Затем на прессе 2 производится гибка полос, после чего они передаются на правильную плиту 3 и после правки складываются в ящики 4. Выправленные детали собирают в приспособлениях с клиновыми зажимами на двух поворотных столах 5 (на каждом столе имеется по четыре таких приспособления). За каждым поворотным столом работают двое рабочих: один собирает скребок и освобождает его после прихватки, а второй осуществляет прихватку собранных деталей.
Собранный скребок устанавливают в поворотное приспособление для автоматической сварки его под флюсом. На линии имеются два сварочных конвейера. Рабочий-сварщик вручную продвигает тележку к первой сварочной головке 6, где накладывается наружный сварной шов. После этого автосварщик поворачивает приспособление на 180°, ссыпает флюс и передвигает тележку ко второй сварочной головке 7, на которой другой рабочий выполняет внутренний сварной шов, вынимает скребок из приспособления и передает его на плиту 8, где производится зачистка от шлака.
Освободившаяся тележка по наклонному пути под действием собственного веса перекатывается к началу конвейера. Для проверки качества сварки предусмотрен контрольный пункт 9. Дефекты сварных швов устраняют на рабочем месте 10.

Рис. 4.23. Схема поточно-механизированной линии (а) изготовления скребков шахтных транспортёров (б)



Автоматической сборочно-сварочной линией называется комплекс технологического и подъёмно-транспортного оборудования, выполняющего операции подготовки, сборки и сварки без непосредственного участия человека в определённой технологической последовательности и с определённым тактом.

4.4.4. Сварочные роботы
Термин «робот» ввёл чешский писатель Карел Чапек в 1920 г. в своей фантастической пьесе «РУР» («Россумские универсальные роботы»). Этим словом были названы механические рабочие, предназначенные для замены людей на тяжёлых физических работах. Далее многочисленное семейство роботов получило развитие на страницах научно-фантастических романов. Но не прошло и сорока лет, как робот вышел из стен научных лабораторий и начал применяться на производстве.
Согласно ГОСТ 25686-83 промышленный робот - это автоматическая машина, представляющая собой манипулятор с перепрограммируемым устройством управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций, заменяющих аналогичные функции человека при перемещении предметов производства и (или) технологической оснастки.
Промышленный робот для сварки - это манипуляционная система, оснащённая техническими средствами ведения сварочного процесса, с программным управлением координатами сварочного инструмента и изделия и параметрами режима сварки. Робот имеет подвижную руку и шарнирную кисть с захватом, которые обладают свободой пространственных перемещений, в какой-то степени имитируя руку человека. В захвате кисти закрепляют сварочную головку (сварочные клещи при контактной сварке). Большинство сварочных роботов имеют пять движений (степеней свободы): три движения «руки» и два движения «кисти» (рис. 4.24).
При работе сварочных роботов оператор становится в известной степени руководителем специализированного сварочного поста, в обязанности которого входят:
- выполнение несложных заданий по программированию;
- управление и контроль всех процессов в пределах роботизированного сварочного поста;
- контроль качества деталей, сваренных роботом;
- устранение неполадок при незапланированных остановках робота;
- выполнение дополнительных сварочных работ, недоступных для робота;
- заполнение магазинов для заготовок и присадочных материалов;
- очистка и замена изношенных деталей, например, сопел горелок;
- работа в контакте с механиками по обслуживанию и ремонту, а также с мастерами и технологами.
В состав робототехнологического комплекса могут входить, например: сварочный робот (рис. 4.25) со шкафом и пультом управления, а также программирующим устройством; оборудование для установки и перемещения заготовок; сварочное оборудование; технологическая осна стка робота (например, устройство очистки и смазки горелки, защиты её от поломки).
В промышленно развитых странах серьёзные стимулы роста инвестиций в производство и применение промышленных роботов следующие:
непрерывное снижение стоимости промышленных роботов на фоне роста стоимости рабочей силы (так, с 1990 по 1999 г. средняя цена промышленных роботов на рынке США снизилась н 40 %, в то время как стоимость рабочей силы повысилась на 38-39 %);
недостаток квалифицированной рабочей силы;
освобождение работающих на производстве от тяжелого, интенсивного и монотонного труда;
возможность улучшения экологической обстановки на производстве.
Применение роботов для автоматизации процессов дуговой сварки целесообразно при одновременном выполнении следующих условий:
изделие выпускают мелкими и средними партиями;
швы сварных соединений конструкции - сложной формы либо короткие и различным образом ориентированы в пространстве;
к швам сварных соединений предъявляют повышенные требования стабильности качества (от изделия к изделию) с минимальным влиянием «человеческого фактора»;
разработка, изготовление и обслуживание специального сварочного автомата дороже применения серийно выпускаемого промышленного робота;
высокая культура заготовительного и сварочного производства, наличие на предприятии соответствующих технических служб по наладке и ремонту робототехнологических комплексов;
создание на предприятии благоприятных условий (как моральных, так и материальных) для обслуживающего робот персонала, стимулирующих бесперебойность работы комплекса.





Рис. 4.24. Схемы роботов с перемещением руки в сферической (а) и прямоугольной (б) системе координат







Рис. 4.25. Роботизированная сварочная система серии ARC MATE










4.5. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СВАРЕННЫХ УЗЛОВ
Как указывалось в гл.1 в процессе изготовления сварных конструкций в них возникают сварочные напряжения и деформации. Поэтому для устранения деформаций после сварки и снижения остаточных напряжений конструкции подвергаются дополнительной
правке, прокатке, термической и вибрационной обработке. Кроме того, в ряде случаев требуется зачистка сварных швов.

4.5.1, Устранение деформаций после сварки
Для крупногабаритных сварных узлов применяют гидравлические правильные прессы и специализированные правильные машины. Так. грибовидность сварных двутавровых балок - деформацию полок, образующуюся вследствие усадки сварных швов, выправляют на специализированной машине по схеме, приведенной на рис. 4.27
Широко применяемая для устранения деформаций термическая правка - это концентрированный и быстрый нагрев небольших участков конструкции с целью создания в них пластических деформаций сжатия. Быстро нагретый участок, когда вокруг него металл остаётся сравнительно холодным, стремится расшириться во все стороны и из-за сопротивления расширению со стороны окружающего его холодного металла получает пластические деформации укорочения. В результате площадь прогретого участка после охлаждения уменьшается. Термическую правку применяют в основном для устранения деформаций коробления листовых конструкций и ликвидации изгиба балочных конструкций.
На рис. 4.26 изображена искривлённая балка таврового сечения, и тёмными пятнами показаны возможные формы и расположение прогретых участков для выправления балки.
Для механической правки в холодном состоянии крупнога баритных сварных узлов применяют гидравлические правильные прессы и специализированные правильные машины. Так. грибовид-ность сварных двутавровых балок - деформацию полок, образующуюся вследствие усадки сварных швов, выправляют на специализированной машине по схеме, приведенной на рис. 4.27, а. Ролики 1 и 3 служат для подачи балки в процессе правки, нажимной ролик 2 совершает возвратно-поступательное движение, передаваемое ему от электродвигателя через червячный редуктор и зубчатую передачу.
Сварные цилиндрические оболочки правят на трёх- и четырёх-валковых листогибочных машинах (рис. 4.27, б).
Термомеханическая правка заключается в сочетании местного нагрева с приложением статической нагрузки, изгибающей исправляемый элемент конструкции в нужном направлении. Эта нагрузка может создаваться домкратами, прессами или другими устройствами. Применение дополнительного нагрева способствует снижению усилий, необходимых для устранения деформаций. Такой способ правки обычно применяют для жёстких сварных узлов.
Для исправления сварочных деформаций и пластического деформирования усиления сварных швов с целью улучшения свойств сварных соединений тонкостенных сосудов применяют специализированные станки для прокатки и проковки швов. Прокатка осуществляется роликами, а проковка - высокоскоростным ударным пневматическим устройством. При прокатке и проковке металл осаживается по толщине, в результате чего происходит его раздача в продольном и поперечном направлениях. Это приводит к небольшому устранению поперечной усадки и существенному или полном устранению продольных деформаций укорочения зоны сварки.
В некоторых случаях, особенно если изделие сварено из высокопрочного материала, избавиться от деформаций очень трудно. Единственно эффективным способом борьбы с деформациями может стать отжиг конструкции в зажимном приспособлении (термофиксация). Приспособление изготавливается очень жёстким, а сварная конструкция зажимается таким образом, чтобы за счёт упругого деформирования ликвидировалась остаточная деформация или появилась деформация обратного знака, например обратный выгиб. В результате, когда конструкция вместе с зажимным приспособлением, обладающим большей жёсткостью, чем конструкция, нагревается в печи, упругая деформация переходит в пластическую, и после отпуска проектная форма восстанавливается. Попытки исправить конструкции из высокопрочных материалов вручную или под прессом часто приводят к её разрушению.


Рис. 4.26. Места прогрева (темные) сварной балки для её выправления





Рис. 4.27. Схемы механической правки сварных двутавровых балок (а) и цилиндрических оболочек (б)




4..5.2. Снижение остаточных напряжений
Наибольшее применение в промышленности нашёл способ снижения остаточных напряжений в процессе отпуска (отжига) сварных конструкций без зажимных приспособлений. Кроме снижения напряжений отпуск способствует выравниванию структуры металла в различных зонах сварного соединения и восстановлению пластических свойств. Отпуск целесообразен, когда изготовление сварной конструкции связано с последующей обработкой резанием, повышенными требованиями к точности, стабильности формы и геометрических размеров при эксплуатационных нагружениях, а также в тех случаях, когда необходимо повысить сопротивляемость хрупким разрушениям при низких температурах. Бывают случаи, когда отпуск нецелесообразен. Прежде всего это относится к конструкциям, изготовленным из разнородных материалов, когда в результате отпуска снижения остаточных напряжений не происходит. Неэффективен отпуск и в тех случаях, когда жёсткость частей конструкции сильно отличается.
Различают отпуск высокий,
средний и низкий. Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей этому соответствуют три диапазона температур: 550-680, 350-500 и 250-300 °С.
Кривая изменения температуры в процессе отпуска изображена на рис. 4.28. В начальный момент идёт быстрое повышение температуры, затем следует стадия выдержки и последний этап – охлаждение. Пунктирной линией нение остаточных напряжений (а) на температурной кривой изображена стадия выравнивания температуры по толщине металла. На температурный график наложена кривая снижения остаточных напряжений. Как видно на рисунке, на стадии нагрева остаточные напряжения в конструкции снижаются очень быстро, на стадии выдержки при постоянной температуре это снижение резко замедляется и, наконец, на стадии охлаждения происходит некоторое возрастание остаточных напряжений.


Рис. 4.29. Общий вид установки для локальной термообработки труб: а - источник питания и аппаратура для управления; б - муфты для отжига; в -последовательность операций работы на установке
В связи с тем, что отпуск требует больших затрат тепловой энергии, экономически целесообразно, чтобы время выдержки не было слишком большим (как правило, не более 3 ч).
Для отжига сварных изделий применяют электрические камерные печи или нагревательные устройства. В первом случае изделие полностью помещается в печь, а во втором - нагрев осуществляется локально.
На рис. 4.29 в качестве примера приведена установка с программным управлением для локальной обработки сварных соединений труб, разработанная компанией Weldotherm. Система полностью автоматизирована, что обеспечивает точность параметров термообработки. Для снижения остаточных напряжений используются также рассмотренные ранее прокатка и проковка металла, а также сопутствующий подогрев.
Эффективным и недорогим является вибрационный метод снижения остаточных напряжений. Виброобработке подвергают металлоконструкции из углеродистых сталей, чугунов, алюминиевых и титановых сплавов. Сущность метода заключается в том, что металлоконструкция 1 (рис. 4.30) установлена на виброизолирующих опорах 2. К ней прикреплен струбцинами или болтами вибровозбуди тель 3 с регулируемой частотой колебаний. На пульте управления виброустановки 4 расположены приборы, регистрирующие частоту и амплитуду колебаний с помощью датчика 5, прикрепленного к сварной конструкции. При плавном изменении частоты колебаний от минимальной до максимальной регистрируют резонансные частоты системы «сварная конструкция вибровозбудитель». Затем производят виброобработку на выбранных резонансных частотах.
Основные параметры вибрационной обработки - амплитуда и время (длительность) вибронагружения. Чем выше амплитуда переменных напряжений, тем интенсивнее происходит релаксация остаточных напряжений. Резонансными обычно бывают частоты в диапазоне 10-120 Гц, а длительность обработки, необходимая для снятия напряжений, составляет несколько минут.
Зачистка сварных швов от шлака, грата и окалины, снятие усиления швов, удаление наплывов производятся механизированнно-руч-ными электрическими и пневматическими машинками, которые подразделяются по назначению на шлифовальные зачистные, фрезерные и рубильные.
Рис. 4.30. Схема вибрационной обработки сварных конструкций






4.6. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
По ГОСТ 15467-79 качество продукции определяется как совокупность свойств продукции, обуславливающих её пригодность удовлетворять определённые потребности в соответствии с назначением. Качество сварного соединения в зависимости от назначения изделия должно отвечать требованиям по таким показателям, как, например, прочность и надёжность; макро- и микрогеометрия соединения и шва; дефектность соединения; структура и химический состав металла шва.
Согласно требованиям Международной системы менеджмента качества, по ГОСТ Р ИСО 9000-2001, сварка относится к специальным процессам производства, т. е. к таким процессам, результаты которых нельзя в полной степени проверить последующим контролем, испытанием продукции или, например, когда дефекты могут быть выявлены только в процессе использования продукции.
От качества соединений во многом зависит работоспособность сварных изделий и конструкций, а следовательно, и их безопасность в процессе эксплуатации. В сварочном производстве доля исправления сварных швов (доля брака) достаточно высока. На монтажных работах она может достигать 15-25 %, а в заводских условиях - 3-5 %. При неудовлетворительном качестве сварки затраты на ликвидацию последствий брака из-за отказов и аварий сварных изделий в большинстве случаев существенно превышают производственные затраты на технологические операции; иногда же последствия брака могут быть катастрофическими. Поэтому роль контроля качества в процессе производства сварных конструкций трудно переоценить.
Качество сварных изделий зависит от целого ряда факторов: соответствия материала техническим условиям, состояния оборудования и оснастки, состояния нормативно-технической документации, соблюдения технологической дисциплины, квалификации работающих.
Сварные конструкции контролируют на всех этапах их изготовления. После заготовительных работ детали подвергают чаще всего наружному осмотру, например проверяют внешний вид детали, качество поверхности, наличие заусенцев, трещин, забоин, а также измеряют универсальными и специальными инструментами, шаблонами, с помощью контрольных приспособлений.
Особенно тщательно контролируют участки, подвергающиеся сварке. Профиль кромок, подготовленных под сварку, проверяют специальными шаблонами, а качество поверхности - с помощью оптических приборов или специальными микрометрами. Во время сборки и прихватки проверяют расположение деталей друг относительно друга, величину зазоров, расположение и размер прихваток, отсутствие трещин, прожогов и других дефектов в местах прихваток. Качество сборки и прихватки определяют в основном наружным осмотром и обмером.
Наиболее ответственным является текущий контроль выполнения сварки. Организация контроля сварочных работ может производиться в двух направлениях: контролируют сами процессы сварки либо полученные детали. Контроль процессов позволяет предотвратить появление систематических дефектов, он особенно эффективен при автоматизированной сварке. Контроль сварочных процессов можно осуществлять по образцам технологических проб или по регистрации параметров режима сварки. Контроль изделий производят пооперационно или после окончания изготовления.
При контроле качества выполнения сварки обычно регламентируются: допустимые виды, форма, размеры и количество дефектов; виды и объёмы контроля (разрушающих и неразрушающих испытаний).

4.6.1. Влияние дефектов на работоспособность сварных соединений
Дефектами сварных соединений называют различные отклонения от установленных норм и технических требований, возникающие в металле шва и зоне термического влияния в процессе образования сварных соединений и приводящие к снижению эксплуатационной надёжности сварных конструкций, ухудшению их работоспособности и внешнего вида.
В табл. 4.2 приведены основные виды дефектов сварных швов и причины их образования.
Дефекты сварных соединений можно различать по месту их расположения на наружные и внутренние. К наружным относятся кратеры, наплывы, свищи, подрезы, прожоги, неравномерность формы
шва; к внутренним относятся, например, поры, включения шлака, непровары, несплавления, трещины, недопустимые структурные изменения металла - перегрев, пережог.
Наличие тех или иных дефектов в сварных соединениях ещё не определяет потерю работоспособности этих соединений. Опасность дефектов наряду с влиянием их собственных характеристик (типы, виды, размеры, формы и т. п.) зависит от множества конструктивных и эксплуатационных факторов. Изучение этого вопроса представляет большие трудности как с практической, так и с теоретической стороны.
В большинстве случаев степень влияния того или иного вида дефектов на работоспособность конструкций устанавливается испытанием образцов с дефектами. Так, установлено, что усиление шва не снижает статической прочности, однако существенно влияет на усталостную прочность. Чем больше усиление шва и, следовательно, меньше угол перехода от основного металла к наплавленному, тем сильнее оно снижает предел выносливости.
Опасным дефектом является подрез. Считаются допустимыми подрезы небольшой протяжённости, ослабляющие сечение шва не более чем на 5%, в конструкциях, работающих под действием статических нагрузок.
Наплывы, резко изменяя очертания швов, образуют концентраторы напряжений, что может приводить к снижению выносливости конструкции. Наплывы, имеющие большую протяжённость, считают недопустимыми дефектами, так как они кроме того, что вызывают концентрацию напряжений, нередко сопровождаются непроварами.
Кратеры, как и прожоги, являются недопустимыми дефектами и подлежат исправлению.
Исследования показали, что при статических нагрузках и пластических материалах потеря прочности примерно пропорциональна общей площади дефектов включений и непроваров. Причём если общая площадь дефектов меньше 5-10 % (а иногда и 20-25 %), то эти дефекты мало влияют на несущую способность стыков, особенно при швах с усилением. В то же время при малопластичных материалах и динамической или вибрационной нагрузке сравнительно небольшие дефекты существенно влияют на работоспособность соединения. Остаточные напряжения могут повышать отрицательное влияние дефектов.
Для оценки опасности сварочных дефектов их целесообразно подразделить на две группы: объёмные (поры, шлаки, включения, непровары без подреза) и трещиноподобные. Объёмные дефекты не оказывают значительного влияния на работоспособность соединений. Эти дефекты можно нормировать по размерам или площади ослабления сечения шва. Трещиноподобные дефекты, в том числе трещины, весьма опасны и резко снижают эксплуатационные свойства соединений.
Все дефекты по их значимости можно условно распределить по трём группам: малозначительные, значительные и критические. К малозначительным относят отдельные дефекты - включения и непровары, к значительным - протяжённые дефекты и к критическим -трещиноподобные. Поэтому в сварных швах допускается содержание объёмных дефектов до определённых размеров и количеств. Трещиноподобные дефекты, как правило, считаются недопустимыми независимо от их размеров.
Поэтому для получения сварных соединений высокого качества требование бездефектности и нормирования допустимых дефектов следует понимать как требование отсутствия недопустимых дефектов, а не их полного отсутствия.
4.6.2. Методы неразрушающего контроля

При неразрушающих методах контроля, осуществляемых обычно на изделиях, оценивают физические свойства, лишь косвенно характеризующие качество, прочность или надёжность соединения.
К неразрушающим методам контроля качества сварных соединений относят: визуальный и измерительный контроль, контроль на непроницаемость (герметичность) конструкций, контроль для обнаружения внутренних дефектов.
Визуальные и измерительные методы контроля сварных швов -наиболее простые и широко распространённые. Обычно внешним осмотром контролируют все сварные изделия независимо от применения других видов контроля. Внешний осмотр во многих случаях достаточно информативен и наиболее дешев и оперативен. Внешним осмотром невооружённым глазом или с помощью лупы выявляют прежде всего дефекты швов в виде трещин, подрезов, пор, свищей, прожогов, наплывов, непроваров в нижней части швов:
Сварные швы часто сравнивают по внешнему виду со специальными эталонами. Геометрические параметры швов измеряют с помощью шаблонов или измерительных инструментов (рис. 4.31). Эти
параметры должны соответствовать техническим условиям (ТУ) или стандартам (ОСТ, ГОСТ).
Для дистанционного визуального контроля поверхностей в труднодоступных местах (например, корень шва трубопровода) применяют переносные видеоэндоскопы (рис. 4.32). Комплект видеоэндоскопа составляют зонд (катушка с зондом), источник света, блок пневматического управления гибким зондом, обеспечивающий изгиб (артикуляцию) зонда в широком диапазоне.
Несмотря на то, что внешний осмотр и обмер сварных швов высокоэффективные средства обнаружения дефектов, они не дают возможности окончательно судить о качестве сварки, так как определяют только внешние дефекты шва и позволяют установить сомнительного качества его участки, которые могут быть проверены другими методами.
Непроницаемость сварных швов - это одно из требований, предъявляемых к изделиям замкнутого типа (сосудам, трубопроводам). Контроль на непроницаемость (герметичность) контролируют капиллярным, компрессионным и вакуумными методами.
Капиллярные методы контроля основаны на явлении капиллярного проникновения жидкости, обладающей высокой смачивающей способностью, в сквозные дефекты. При контроле на одну поверхность изделия, предварительно очищенную от загрязнений, обильно наносят проникающую жидкость, например, керосин, а на другую - адсорбирующее покрытие в виде меловой обмазки, содержащей 350-480 г молотого мела (или каолина) в 1 л воды. После определённой выдержки контролируемое соединение осматривают, выявляя сквозные дефекты по жёлтым пятнам керосина на меловой обмазке. Метод керосиновой пробы позволяет выявить сквозные дефекты с эффективным диаметром более 0,1 мм.
Другие капиллярные методы течеискания основаны на использовании пенетрантов- красок (цветной метод) или люминофоров (люминесцентный метод). Этими методами пользуются для выявления поверхностных дефектов, например, трещин, имеющих раскрытие более 1 мкм, а по протяжённости - соизмеримых со средним размером зерна сплава.
При проведении люминесцентного контроля на поверхность контролируемого изделия распылением или погружением









Рис. 4.32. Применение эндоскопов для контроля качества продукции:
а - оптическая система эндоскопа; б - общий вид эндоскопа с гибким световодом (флексоскопа); в - головка флексоскопа; г - диагностирование авиационного двигателя







наносят индикаторный пенетрант, способный проникать в дефекты / (рис. 4.33, а). В простейшем случае это, например, смесь 15 % трансформаторного масла и 85 % керосина, которая светится под действием ультрафиолетовых лучей. Для улучшения пропитки полостей пенетрантом иногда применяют дополнительный нагрев, ультразвук, повышенное или пониженное давление (воздуха или инертного газа).
После некоторой выдержки избытки пенетранта удаляют с контролируемой поверхности изделия. Поверхностные и сквозные дефекты при этом остаются заполненными пенетрантом 2 (рис. 4.33, б). Затем на контролируемую поверхность наносят проявитель 3 (рис. 4.33, е) в виде порошка или суспензии. Проявитель (порошок талька или углекислого магния) «вытягивает» оставшийся в поверхностном дефекте пенетрант. Пенетрант при этом несколько расплывается над дефектным участком, образуя так называемый «индикаторный след». Извлечение и локализация пенетранта у кромок дефекта достигается диффузионными и сорбционными силами проявителя. Осмотр поверхности осуществляется при ультрафиолетовом облучении 4 (рис. 4.33, г). Люминесценция индикаторного раствора даёт чёткую контрастную картину поверхностных дефектов,
В самопроявляющемся варианте после пропитки деталь нагревают, и сама индикаторная жидкость, выходя из полостей, затвердевает, образуя следы дефектных полостей.
Цветной контроль или метод красок проводят примерно по той же технологии. На очищенную предварительно поверхность детали наносят слой подкрашенной проникающей жидкости. Затем следуют выдержка, промывка, сушка. Проявление осуществляют порошком или суспензией (например, 300-500 г каолина в 1 л воды или спирта). При просушивании краска (например, «Судан») окрашивает каолин в красный цвет. Дефекты хорошо видны при осмотре поверхности шва простым глазом или через лупу, а мелкие - в микроскоп.
Компрессионные методы контроля основаны на создании в испытуемом изделии (замкнутой системе) избыточного давления пробного вещества (жидкости или газа) и регистрации на наружной поверхности изделия мест течи этого вещества. В зависимости от типа пробного вещества различают жидкостные и газовые методы течеискания.
Жидкостный (гидравлический) метод течеискания применяется при проверке прочности и плотности различных сосудов, котлов, паро-, водо-, газопроводов и других сварных конструкций, работающих под избыточным давлением. Перед испытанием сварное изделие герметизируют водонепроницаемыми заглушками. Сварные швы с наружной стороны тщательно обтирают или обдувают сжатым воздухом до получения сухой поверхности. После заполнения изделия водой насосом или гидравлическим прессом создают испытательное (обычно в 1,5 раза больше рабочего) давление. Дефектные места определяют по появлению течи, просачиванию воды в виде капель или запотеванию наружной поверхности шва или вблизи него. Такой метод контроля позволяет выявлять течи диаметром около 10~3 мм.
Разновидностью контроля гидравлическим давлением является люминесцентно-гидравлический метод,отличающийся тем, что в состав пробного вещества добавляют люминофор и осмотр наружной поверхности изделия проводят в ультрафиолетовом свете.
Иногда для лучшей выявляемости дефектов при гидравлическом методе контроля на наружную поверхность изделия наносят индикаторное покрытие, в состав которого входит вещество (например, ди-натриевая соль флуоресцина), люминесцирующее при попадании на него воды, или сорбент (например, крахмал), удерживающий воду в течение длительного времени.
Газовые методы течеискания - более чувствительны, чем жидкостные, поскольку пробные вещества- газы значительно легче проходят через мелкие сквозные дефекты. Газовые методы контроля применяют для испытания замкнутых объёмов. К основным газо вым методам течеискания относятся: пузырьковый, химический, манометрический, газоаналитический.
Пузырьковый метод заключается в том, что сварные изделия погружают в ванну с водой с таким расчётом, чтобы над изделием был слой воды в 20-40 мм. После этого в изделие от воздушной сети или из баллона подают сжатый газ (воздух, азот, инертные газы) под давлением, на 10-20 % превышающим рабочее. Место течи регистрируют по появлению пузырьков (рис. 4.34). Если размеры изделия велики, и в ванну его не поместить, то наружную поверхность изделия покрывают пенообразующим веществом (мыльным раствором) и место течи фиксируют по мыльным пузырькам.
Химический метод основан на изменении окраски некоторых индикаторов (водного раствора азотнокислой ртути или спиртоводного раствора фенолфталеина) под воздействием щелочей. В качестве щёлочи применяется газ аммиак. В процессе испытаний наружную поверхность шва испытуемого изделия покрывают бумажной лентой или светлой тканью, смоченными 5%-ным раствором азотнокислой ртути или раствором фенолфталеина. Затем в изделие подают смесь воздуха с 1-10 % аммиака. Бумагу (ткань) выдерживают 115 мин. Аммиак, проникая через сквозные дефекты, оставляет на бумаге в местах течи чёрные или фиолетовые пятна.
Манометрический метод заключается в регистрации изменения давления внутри сосуда, происходящего в случае его негерметичности, с помощью манометров за определённый период времени. Метод даёт приближённую оценку герметичности, но зато может применяться для периодической проверки эксплуатируемого оборудования, работающего под давлением без каких-либо дополнительных операций.

Рис. 4.34. Схема контроля пузырьковым методом: 1 - редакционный клапан; 2 - манометр; 3 - клапан; 4 - предохранительный клапан; 5 - бак; 6 - жидкость; 7-контролируемое изделие; 8 - вентиль сброса давления




Газоаналитические методы контроля применяют для испытаний ответственных сварных конструкций, так как такие течеискатели достаточно сложны и дорогостоящи. В этих методах в качестве пробных используют газы фреон, гелий, водород и другие, обладающие малой молекулярной массой и, следовательно, высокой проникающей способностью. При контроле, проходя сквозь мельчайшие неплотности сварных швов, газы регистрируются течеискателями, которые по принципу действия бывают галогенными, катарометричес-кими и масс-спектром етрическими.
Действие галогенных течеискателей основано на явлении резкого увеличения эмиссии ионов с платинового анода, нагретого до 800 900 °С, в присутствии галогенов (например, фреона).
Катарометрический метод основан на измерении электрического сопротивления нагретой проволоки, изменяющегося в присутствии пробного газа, например гелия или водорода, относительная теплопроводность которых по отношению к воздуху составляет 6 и 7 единиц соответственно.
Масс-спектрометрические, обычно гелиевые, течеискатели - наиболее чувствительные аппараты контроля герметичности. Индикация газа в них осуществляется с помощью масс-спектрометра. Молекулы гелия, попадая в масс-спектрометр, ионизируются и под действием магнитного поля приобретают круговую траекторию движения. Диафрагмы, расположенные на пути движения ионов, пропускают только ионы гелия, которые, попадая на коллектор, приводят к усилению ионного тока.
Схема установки для контроля гелиевым течеискателем приведена на рис. 4.35. В процессе контроля внутренний объём изделия заполняют гелием. Проникающий через неплотность в сварном шве пробный газ улавливается специальным щупом, передвигающимся по поверхности шва, и анализируется в течеискателе. По результатам анализа формируются электрический и звуковой сигналы. Сирена сигнализирует о появлении гелия в течеискателе, а по отклонению стрелки миллиамперметра судят о величине неплотности.
Вакуумным методом пользуются для контроля сварных швов, которые невозможно испытать керосином, воздухом или водой и доступ к которым возможен только с одной стороны. Его широко применяют при проверке сварных швов днищ резервуаров, газгольдеров и других листовых конструкций.
Вакуумный метод течеискания основан на регистрации падения вакуума в замкнутом объёме или на фиксации молекул пробного газа, появившихся в этом объёме.
Наибольшее распространение получил контроль с использованием вакуумных присосок. В этом случае изделие заполняют воздухом (или гелием) с небольшим избыточным давлением, а на его наружную поверхность, предварительно смоченную, например, мыльным
раствором, накладывают вакуумную камеру, в полости которой создают разрежение (рис. 4.36). Контроль ведётся либо по изменению давления в камере, которое отражается на показаниях вакуумметра, либо по появлению в камере гелия, фиксируемого с помощью гелиевого течеискателя.
Для обнаружения внутренних дефектов применяют в основном радиационные, ультразвуковые и магнитные методы контроля.
Радиационные методы контроля являются надежными и широко распространенными методами. Они основаны на способности рентгеновского и гамма-излучения неодинаково проникать через различные материалы и поглощаться в них в зависимости от толщины, вида материалов и энергии излучения.
Рентгеновское излучение возникает в рентгеновской электронной трубке и состоит из тормозного и характеристического излучения. Рентгеновская трубка представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух (рис. 4.37) и куда впаяны два электрода: анод и катод. Катод, изготовленный из вольфрамовой проволоки в виде спирали, нагревается источником тока до высокой температуры и испускает электроны. Чтобы электроны приобрели необходимую кинетическую энергию, к электродам прикладывают высокое напряжение (> 10 кВ). Электроны, попадающие на вольфрамовый (молибденовый) анод, тормозятся в нем. При этом кинетическая энергия электронов частично превращается в энергию тормозного излучения, а большая её часть (-97 %) переходит в тепловую.
Характеристическое излучение возникает при изменении энергетического состояния атомов в результате их взаимодействия с электронами или тормозным рентгеновским излучением.






Рис. 4.35. Схема установки для контроля сварного шва на непроницаемость гелиевым течеискателем:
1 - гелиевый течеискатель; 2 - щуп-улавливатель; 3 - контролируемый сварной сосуд; 4~ вакуумметр; 5 -вентильные краны; б-газовый редуктор; 7 баллон с гелием; 8 - вакуумный насос








Рис. 4.36. Схема контроля герметичности с помощью вакуумной камеры: 1- вакуумметр; 2 - трёхходовой кран (в двух положениях); 3 - оргстекло; 4 -металлическая рамка; 5 губчатая резина-уплотнитель; б-контролируемое сварное соединение; 7 - плёнка пенообразующего вещества



Рис. 4.37. Схема (а) и общий вид (б) рентгеновской трубки к установке MG 103/4.5




Рис. 4.38. Схема радиационного просвечивания швов:
а - рентгеновским; б- гамма-излучением; 1 - источник излучения; 2 - изделие; 3 – детектор


Гамма-излучение образуется в результате распада ядер радиоактивных элементов (изотопов). Процесс распада объясняется тем, что внутриядерные силы притяжения между протонами и нейтронами не обеспечивают достаточной устойчивости ядра. В результате наблюдается самопроизвольная перестройка ядер в более устойчивые. Этот процесс называется естественным радиоактивным распадом, сопровождающим ся испусканием положительно заряженных альфа-частиц (а), отрицательно заряженных бета-частиц ф) и электромагнитного гамма-излучения (у).
Для дефектоскопии металлоконструкций используют главным образом у-излучение, проникающая способность которого весьма велика (до 500 мм).
Естественными радиоактивными веществами являются, например, радий, уран, торий, искусственными - изотопы, например кобальта, цезия, туллия, иридия.
При радиационных методах контроля для выявления дефектов в сварных швах с одной стороны изделия устанавливают источник излучения (рентгеновскую трубку или изотоп), с другой - детектор, регистрирующий информацию о дефекте (рис. 4.38). Излучение от источника, пройдя через сварное соединение, имеющее внутренний дефект, в дефектном и бездефектном месте будут поглощаться по-разному и приходить на детектор с различной интенсивностью. Интенсивность излучения при прохождении через дефектные места, заполненные воздухом, газом или неметаллическими включениями, ослабляется меньше, чем в сплошном металле.
Методы радиационного контроля различают по способу отражения дефектоскопической информации (по виду детектора): радиография - с фиксацией изображения на рентгеновской плёнке; радиоскопия - с наблюдением его на экране видеомонитора; радиометрия - с регистрацией электрических сигналов с помощью счётчиков (рис. 4.39). Общий вид нового поколения промышленных рентгеновских аппаратов импортного и отечественного производства приведен на рис. 4.40.
Ультразвуковой контроль основан на свойстве ультразвуковых волн (частота колебаний 0,5- 10 МГц) направленно распространяться в средах и отражаться от границ сред или нарушений сплошности (дефектов), обладающих другим акустическим сопротивлением. В качестве излучателей и приемников ультразвука служат пьезопластины из пьезоэлектрической керамики или пьезокварца. Излучатели и приемники ультразвуковых волн называют пьезопреобразователями. При подаче на пьезопластину электрического напряжения она изменяет толщину. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт с этими изменениями, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель. И, наоборот, если пьезоэлектрическая пластина воспринимает импульс давления (отраженная ультразвуковая волна), то на ее обкладках вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются электрические заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пьезопластина работает как приемник.
Электроакустические преобразователи, применяемые для возбуждения и приема ультразвуковых колебаний, по конструкции подразделяют на совмещенные, у которых один пьезоэлемент служит излучателем и приемником, и раздельно-совмещенные, имеющие два пьезоэлемента в одном общем корпусе (рис. 4.41).
В практике контроля качества сварных соединений применяют эхо-импульсный метод.
Он заключается в озвучивании изделия короткими импульсами / ультразвука и регистрации сигнала 2, отражённого от противоположной (донной) поверхности изделия (рис. 4.42, а). Признаком дефекта является появление эхо-сигнала (импульса) 3 на экране дефектоскопа и уменьшение сигнала 2 (рис. 4. 42, б),
В некоторых случаях ультразвуковой контроль целесообразно осуществлять теневым методом (рис. 4. 42, в). При этом методе признаком дефекта является уменьшение амплитуды сигнала 4, прошедшего от излучателя к приёмнику (рис. 4.42, г). Теневой метод позволяет использовать не импульсное, а непрерывное излучение.
Аппаратура для ультразвукового контроля состоит из электронного блока (собственно дефектоскопа), набора электроакустических преобразователей и различных вспомогательных устройств. Электронный блок предназначен для генерирования зондирующих импульсов высокочастотного напряжения, усиления и преобразования эхо-сигналов, отражённых от дефекта, и наглядного отображения амплитудно-временных характеристик эхо-сигналов на экране электронно-лучевой трубки. Общий вид дефектоскопов приведен на рис. 4.43.
Магнитные методы контроля основаны на обнаружении магнитных потоков рассеяния, возникающих при наличии различных дефектов в намагниченных изделиях из ферромагнитных материалов. Магнитный поток, распространяясь на изделии и встречая на своём пути дефект, огибает его вследствие того, что магнитная проницаемость дефекта значительно ниже (в 1000 раз) магнитной проницаемости основного металла. В результате этого часть магнитосиловых линий вытесняется дефектом на поверхность, образуя местный магнитный поток рассеяния (рис. 4.44).
Возмущение потока происходит тем сильнее, чем большее препятствие представляет собой дефект. Так, если дефект расположен вдоль направления магнитных силовых линий, то возмущение магнитного потока невелико, в то время как тот же дефект, расположенный перпендикулярно или наклонно по отношению к направлению магнитного потока, создаёт значительный поток рассеяния.
В зависимости от способа регистрации магнитного потока рассеяния магнитные методы контроля подразделяют на магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый и магнитополупроводниковый. Для контроля сварных соединений пользуются двумя первыми методами. По первому потоки рассеяния выявляются с помощью магнитного порошка, по второму - регистрируются на магнитную ленту.
Сущность магнитопорошкового метода заключается в том, что на очищенную от загрязнений, окалины, следов шлака после сварки поверхность намагниченной детали наносят ферромагнитный порошок в виде суспензии с керосином, маслом, мыльным раствором («мокрый» метод). Под действием магнитных полей рассеяния частицы порошка перемещаются по поверхности детали и скапливаются в виде валиков над дефектами. Форма этих скоплений соответствует очертаниям выявляемых дефектов.
Примеры установок для реализации данного метода показаны на
рис. 4.45.
Метод характеризуется достаточно высокой чувствительностью к тонким и мелким трещинам, простотой выполнения, оперативностью и наглядностью результатов. С помощью магнитного порошка выявляют трещины, не видимые невооружённым глазом, внутренние трещины на глубине не более 15 мм, расслоение металла, а также крупные поры, раковины и шлаковые включения на глубине не более 3-5 мм.
Этот метод широко применяется для контроля продольных сварных швов изделий, выполненных из магнитных материалов. Чувствительность контроля возрастает, если усиление швов перед испытанием удаляется.
При магнитографическом методе поле рассеяния фиксируется на эластичной магнитной ленте, плотно прижатой к поверхности шва (рис. 4.46).
В дальнейшем полученная информация считывается с ленты специальными устройствами магнитографических дефектоскопов. Простейшая блок-схема магнитографического дефектоскопа изображена на рис. 4.47.
Дефектоскоп имеет электродвигатель, приводящий во вращение барабан с несколькими магнитными головками. Головки перемещаются поперёк магнитной ленты. Электрические сигналы с головки поступают в усилитель, усиливаются в нём и подаются на электронно-лучевую трубку.
Магнитографией наиболее уверенно выявляются плоские дефекты (трещины, непровары, несплавления), когда их вертикальный размер составляет 8-10 % толщины сварного шва. При снятом усилении шва чувствительность контроля к указанным дефектам достигает 5 %. Этим методом значительно хуже выявляются округлые дефекты (поры, шлаковые включения), их размеры по высоте должны быть не менее 20 % толщины шва.




Рис. 4.39. Схема рентгеновской установки:
1,5- высоковольтные генераторы; 2 - блок питания; 3 - охладитель; 4 -рентгеновская трубка; б - устройство управления MGC 30; 7 - видеомонитор; 8-интегратор; 9-система обработки изображения; 10-видеокамера; 11 - видеоусилитель; 12 - рентгеновская пленка; 13 - изделие







Рис. 4.40. Общий вид рентгеновских аппаратов нового поколения: а, б - серии PHILIPS; в - отечественный портативный импульсный серии АРИНА; г- рентгенографический КРОУЛЕР серии МЕ24 (автономный самоходный рентгеновский комплекс для контроля сварных трубопроводов); р.т - рентгеновская трубка







Рис. 4.41. Ультразвуковые преобразователи:
а - прямой; б - наклонный (призматический); в - раздельно-совмещённый; / корпус; 2 - демпфер; 3 - пьезопластина; 4 - защитное донышко (протектор); 5 - призма; 6 - токоподвод; 7 - акустический экран





.

Рис 4.42. Схема ультразвукового контроля эхо-импульсным (а, 6) и теневым (в, г) методами при отсутствии (а, в) и наличии (б, г) дефекта


ис. 4.43. Общий вид ультразвуковых дефектоскопов: а - универсальный УД-11УА; б - портативный «Пеленг» УД-103










Рис. 4.44. Распределение магнитного потока по сечению доброкачественного сварного шва (а) и дефектного (б)





Рис. 4.45. Стационарная установка для магнитопорошкового контроля серии MAG




Рис. 4.46, Схема магнитографического контроля:
1 - намагничивающее устройство; 2 -сварной шов; 3 - дефект; 4 - магнитная лента





Рис. 4.47. Блок-схема магнитографического дефектоскопа:
1 - электродвигатель; 2 - блок головок; 5 - магнитная лента; 4 - усилитель; 5 - генератор развёртки; б-электронно-лучевая трубка







4.6.3. Методы разрушающего контроля
К разрушающим испытаниям сварных соединений принято относить: механические, металлографические, коррозионные, химические. Особо следует выделить так называемые «безобразцовые» испытания механических свойств металла. Например, на стыках труб действующих энергоблоков периодически в зоне сварного шва металл зачищают и замеряют твёрдость, производят металлографические, рентгеноструктурные и другие испытания. При этом нарушают целостность материала, но не изделия в целом.
Механические испытания сварных соединений регламентированы ГОСТ 6996-66, который устанавливает порядок и основные методы определения механических свойств сварного соединения и его отдельных зон.
В сварных конструкциях ответственного назначения, работающих при отрицательных температурах, вибрационных нагрузках, изготовленных из высокопрочных материалов, сварные соединения дополнительно испытывают на стойкость против хрупкого разрушения и усталостную прочность.
Основная задача механических испытаний - определение прочностных и пластических характеристик сварного соединения, без которых нельзя выполнить прочностной расчёт сварной конструкции. Эти данные позволяют правильно выбрать материал для конструкции и определить вид и условия сварки.
Механические испытания могут быть статические и динамические.
К статическим относятся испытания на растяжение, на изгиб, на твёрдость (микротвёрдость), на стойкость против хрупкого разрушения. Испытания на одноосное растяжение являются наиболее распространёнными. По их результатам определяют сразу несколько простейших механических характеристик материала: предел текучести (от), временное сопротивление (aj, относительное удлинение (S) и относительное сужение (г|)).
Физическим пределом текучести (от) называется наименьшее напряжение, при котором образец деформируется («течёт») без заметного увеличения растягивающего усилия Р:
·=Pт/Fo,
Р - усилие, соответствующее пределу текучести; Fo исходная расчётная площадь сечения образца.
Условным пределом текучести (
·0.2) называется напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,2 % от его начальной длины:
·0.2=P0,2/F0 где Р0 - усилие, соответствующее пределу текучести.
Временным сопротивлением пределом прочности (ав) называется напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Ртах, предшествующей разрушению образца




Рис. 4.48. Гагаринский образец для испытаний на растяжение: а - до испытания; б - после испытания





Рис. 4.49. Универсальная электромеханическая испытательная машина серии RSA фирмы SCHENCK:
общий вид установки (а), оснастка для испытания на разрыв (б) и угол загиба (в)

Все эти характеристики (от, о0д, 5, -ф) можно получить при растяжении, например, цилиндрического образца (рис. 4.48) на испытательной машине (рис. 4.49) с одновременной записью растягивающего усилия Р, приложенного к образцу, и деформации образца
·/.
Типичная диаграмма растяжения для стали в координатах Р-А1 приведена на рис. 4.50. Прямолинейный участок диаграммы отражает прямую пропорциональную зависимость между усилием растяжения и упругой деформацией. Далее развивается пластическая деформация стали, и максимум на кривой в точке D соответствует наибольшей нагрузке Р , предшествующей разрушению образца.
В точке Е происходит разрушение. Если провести прямую, параллельную АВ, из любой точки диаграммы в области пластической деформации, то на оси абсцисс получим величину остаточной деформации образца
·/*.
Для исследования свойств металла сварного соединения из него вырезают образцы (рис. 4.51): гагаринские (см. рис. 4.48, а); образцы для определения относительной прочности шва в сравнении с основным металлом без снятия усиления шва (рис. 4.52, а); образцы для определения абсолютного значения ав со снятым усилением и со специальной выточкой шва, предопределяющей место разрушения (рис. 4.52, б).

При испытании на изгиб (рис. 4.53) определяют угол загиба при образовании первой трещины в растянутой
зоне образца, который даёт представление о пластических свойствах соединения в целом. Испытания на угол загиба можно проводить на универсальной испытательной машине со специальным приспособлением (см. рис. 4.49, в).
В основе испытания на твёрдость (микротвёрдость) лежит свойство металла оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Измерение твёрдости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без нарушения целостности изделия судить о свойствах металла получило достаточно широкое применение.
Твёрдость определяют по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.
Сущность метода определения твёрдости по Бринеллю (ИВ) заключается во вдавливании стального шарика диаметром D в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диаметра отпечатка d после снятия испытательной нагрузки (рис. 4.54, а). Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твёрдость металла.
Сущность метода определения твёрдости по Роквеллу заключается во вдавливании наконечника (индентора) с алмазным конусом с углом у вершины 120° либо стального закалённого шарика диаметром 1,588 мм (рис.4.54, б). Алмазный конус применяют для испытания твёрдых металлов, а шарик-для мягких. Под нагрузкой PQ ин-дентор прибора вдавливается в образец на глубину Ао. Затем на испытуемый образец подаётся нагрузка Р = Ро + Р}, и глубина погружения наконечника возрастает. После снятия основной нагрузки Р. прибор показывает число твёрдости по Роквеллу ЯЛ, которое определяется по осевому перемещению индентора.







Рис. 4.54. Схемы определения твердости по Бри-нсллю (а), Роквеллу {б), Виккерсу (в) и общий вид прибора для измерения твердости фирмы Tarnotest (г)


Твёрдость по Виккерсу (HV) заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырёхгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки (рис. 4,54, в).
Определение микротвёрдости (твёрдость в микроскопически малых величинах) применяют для исследования отдельных структурных составляющих сплава. Прибор для определения микротвёрдости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамидки под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. Твёрдость определяется по диагонали отпечатка алмазной пирамидки.
Испытанием на хрупкость определяют хрупкое разрушение, при котором пластические деформации малы по сравнению с упругими. Хрупкое разрушение характерно для условий работы, при которых тормозится процесс развития пластической деформации из-за наличия острых концентраторов, отрицательных температур и некоторых других факторов. Такой характер разрушения опасен тем, что при сравнительно невысоких напряжениях может происходить лавинообразное распространение трещины через всё сечение конструкции. Стойкость против хрупкого разрушения зависит от сопротивления металла отрыву, и её оценивают по критерию вязкости разрушения К,. Этот показатель определяют путём испытания статическим изгибом образца с надрезом (рис. 4.55); в вершине образца имеется искусственная усталостная трещина. Образец нагружают до момента нестабильного развития трещины. Затем по величине нагрузки и длине трещины рассчитывают коэффициент интенсивности напряжений К[с, являющийся одним из главных критериев вязкости (хрупкости) разрушения


Рис. 4.56. Общий вид (а) и схема (б) маятникового копра и схема испытания на ударный изгиб образца с концентратором (в): I - маятник; 2 - образец; 3 - шкала; 4 - стрелка шкалы; 5 - тормоз



К динамическим относятся испытания на ударный изгиб и усталость. Испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению в заданной зоне соединения. Метод основан на разрушении образца с концентратором (рис. 4.56, в) ударом маятникового копра (рис. 4.56, а, б). По шкале копра определяют полную работу К, затраченную при ударе (работа удара): К= Ph1(cos
· - cos
·).
Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесённую к начальной площади поперечного сечения SQ образца в месте концентратора: КС = K/So.
Усталостные испытания по числу циклов до разрушения образца подразделяют на малоцикловые (обычно N = 100 - 5 104) и многоцикловые (как правило, N*l О6). Определяют способность соединений сопротивляться действию переменных нагрузок (рис. 4.57, а) при изгибе, растяжении и кручении. Форма образцов зависит от этих нагрузок и вида соединений. При испытании возможно определение предела выносливости ог - наибольшего напряжения, при котором образец выстаивает без разрушения заданное число циклов - базу испытания (рис. 4.57, б).
Металлографический анализ проводят для определения структуры сварного соединения и выявления реальных размеров дефектов сварного шва. Полный металлографический анализ сварного со единения должен состоять из исследования макро- и микроструктуры металла шва, зоны термического влияния и основного металла. При макроанализе исследуют макроструктуру (строение) металла, видимую без увеличения или при небольшом увеличении (с помощью лупы). Для этого из сварного соединения вырезают образцы (темплеты) в определённом месте и определённой плоскости.

Поверхность образца шлифуют и подвергают травлению специальными реактивами (в большинстве случаев растворами кислот высокой концентрации). Действие травителей заключается в том, что они по-разному растворяют составляющие структуры, что и позволяет выявить, например, сварной шов, его дендритное строение и геометрические размеры (рис. 4.58, о). Дефекты, нарушающие сплошность металла, выявляются потому, что реактивы растравливают трещины, поры, раковины и прочие дефекты.
Микроскопический анализ применяют для:
- определения формы и размеров зёрен, из которых состоит сплав;
- обнаружения изменений внутреннего строения сплава, происходящих под влиянием термического цикла сварки;
- выявления дефектов сварного соединения (микропор, микротрещин и т. п.);
- обнаружения неметаллических включений (например, сульфидов, оксидов).
Для микроанализа из исследуемого сварного соединения вырезают образец; исследуемую поверхность подвергают шлифованию, полированию (механическому, электролитическому), травлению. Подготовленная поверхность называется микрошлифом.
Для исследования структуры металлов и сплавов на микрошлифах применяют металлографические микроскопы (рис. 4.59). По оптической схеме микроскоп состоит из двух основных раздельных оптических систем: окуляра, располагающегося в непосредственной близости к глазу, и объектива, обращенного к объекту исследования
- микрошлифу. Объектив даёт действительное увеличение промежуточного изображения объекта, которое увеличивается окуляром. Таким образом, изображение увеличивается дважды. Общее увеличение представляет собой произведение увеличения объектива на увеличение окуляра. Оптические микроскопы дают увеличение до 1500 раз.
Микроструктуры сварного соединения из ферритно-перлитной стали приведены на рис. 4.58,6-е. Из анализа фотографий видно, что структура металла вверху и внизу (рис. 4.58, б) состоит из лучистых кристаллов верхнего бейнита, округлённых полосами феррита и перлита. При переходе от основного металла ко шву (рис. 4.58, в) слева виден крупнозернистый бейнит зоны перегрева, справа - бейнит металла шва.
На рис. 4.58, г приведена структура участка перегрева, расположенного рядом со швом; она содержит до 80 % крупнозернистого бейнита, а также около 10 % феррита и 10 % перлита. Структура участка, где металл нагревался выше температуры Ас2 (рис. 4.58, д), состоит из феррита и перлита. Основной металл, не подвергавшийся термическому влиянию сварки, имеет строчечную ферритно-перлитную структуру (рис. 4.58, е).
При необходимости большего увеличения пользуются электронными микроскопами (рис. 4.60), которые обеспечивают увеличение до 200000 раз. Эти микроскопы работают по схеме проходящих электронных лучей. Вместо стеклянных линз в электронном микроскопе установлены электромагнитные линзы, преломляющие электронные лучи. Источником электронов служит раскалённая вольфрамовая нить.
Электронный микроскоп предназначен для исследования объектов в проходящих электронных лучах, и предмет исследования должен быть очень тонким. Поэтому при исследовании используются не сами образцы, а тонкие плёнки - реплики, воспроизводящие рельеф поверхности микрошлифа.
Структуру можно анализировать и на изломах сварного соединения с помощью сканирующих растровых электронных микроскопов, предназначенных для исследования объектов в отражённых от поверхности электронных лучах. Данный метод называют ф р а к т о -графическим.


Рис. 4.60. Схема (а) и общий вид (б) электронного микроскопа просвечивающего типа;
1 - источник электронов; 2 - кондедсорная линза; 3 - объект; 4 - объективная линза; 5 - промежуточное изображение; б - проекционная линза; 7 -конечное изображение



Изломы сварных соединений исследуют после механических испытаний образцов (см. рис. 4.48), а также после разрушения сварных конструкций. По излому можно определить характер разрушения - пластическое или хрупкое, а также выявить дефекты - поры, трещины, неметаллические включения и др.
Если металл пластичен, то его разрушение под воздействием растягивающих усилий будет происходить в результате зарождения, развития и слияния микропор. Поверхность разрушения в этом случае характеризуется наличием типичного ямочного (чашечного) рельефа (рис. 4.61). При этом чем больше размеры ямок, чем глубже они, тем металл обладает большим запасом пластичности. При хрупком разрушении в изломе присутствуют фасетки скола (рис. 4.62).
Испытания на коррозию проводят для определения коррозионной стойкости сварного соединения или отдельных его зон при работе в различных средах. Различают испытания на общую и местную коррозию.
Общая коррозия является результатом растворения металла в агрессивной среде. По характеру общая коррозия может быть: равномерной, при которой с одинаковой скоростью разрушается основ-иой металл и металл шва; неравномерной, при которой быстрее разрушается металл шва или же в определенных местах основной металл и металл по линии сплавления.
Эта коррозия характерна для углеродистых и низколегированных сталей. Основные методы оценки коррозионной стойкости металла следующие (ГОСТ 13819-68): гравиметрический, профилографический, электрохимический; механические испытания на растяжение и изгиб.
Гравиметрический метод заключается в том, что сваривают две пластины, а затем разрезают на полосы шириной до 15 мм каждая. Образцы очищают от окалины, заусенцев, взвешивают и погружают в сосуд с кислотой (азотной, серной или соляной) различной концентрации. По истечении определённого времени (6-48 ч. в зависимости от материала и концентрации кислоты) образцы вынимают и повторно взвешивают. О развитии процесса коррозии судят по потере массы образцов.
Профилографический метод заключается в том, что степень коррозии сварных соединений определяют по профилограммам, которые строят для каждого образца на основании измерения профиля поверхности стрелочным индикатором до и после воздействия на металл агрессивной среды с последующим сравнением результатов измерения. Электрохимический метод определения коррозионной стойкости заключается в установлении разницы потенциалов между отдельными зонами сварного шва в той или иной коррозионной среде.
Метод механических испытаний на растяжение и изгиб заключается в сравнении прочностных и пластических свойств образцов до и после коррозионных испытаний.
Местная коррозия может развиваться в зоне термического влияния основного металла на некотором удалении от шва (по линии сплавления основного металла с металлом шва) и в металле шва. Местная коррозия возникает в результате нагрева металла отдельных зон сварного соединения до определённых температур. Этому виду коррозии подвержены аустенитные и аустенитно-ферритные стали. Существует несколько методов оценки местной коррозии, регламентированных ГОСТ 6032-75.
Химический анализ служит для отбраковки материалов по составу, а также для установления причин появления дефектов в сварном соединении. При исследовании сварных соединений обычно проводят химический анализ основного, присадочного (электродного и проволоки) и наплавленного металла шва.
При химическом анализе металла шва устанавливают, находится ли содержание углерода, кремния, марганца и других легирующих элементов в пределах, которые регламентированы технической документацией (например, ГОСТами, ОСТами). Кроме того, важно установить, что содержание вредных элементов (примесей - серы, фосфора и др.) в стали не превышает допустимых пределов. В некоторых случаях, особенно при разработке нового состава покрытия или технологии сварки, проводят также анализ шва на содержание азота, кислорода и водорода.
Химический анализ металла может быть проведен спектральным методом, при котором на поверхности образца зажигают дугу. Пары металла, попадающие в дугу, дают свой, присущий им спектр, который разлагают на аналитические линии. Сравнивая эти линии с эталонными, находят количественный и качественный состав элементов в сплаве.



Рис. 4.61. Топография поверхности разрушения образца из основного металла: а ~ х20; б - х500; в - Х2000; г - х 10000












Рис. 4.62





4.7. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Сварка как один из основных технологических процессов современного машиностроения не осталась в стороне от широкого применения новых информационных технологий и САПР (систем автоматизированного проектирования).
САПР объединяет технические средства, математическое и программное обеспечение. Под автоматизацией проектирования понимается такой способ выполнения процесса разработки проекта, при котором проектные процедуры и операции осуществляются разработчиком изделия при тесном взаимодействии с ЭВМ, Автоматизация проектирования предполагает систематическое использование средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и при обоснованном выборе методов машинного решения задач. Рациональное распределение функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен, в основном, решать задачи творческого характера, а ЭВМ -задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма, что позволяет достичь большей эффективности по сравнению с традиционным ручным способом.
Существенное преимущество машинных методов проектирования состоит в возможности проводить на ЭВМ эксперименты на математических моделях объектов проектирования, отказавшись или значительно сократив дорогостоящее физическое моделирование. Компьютеризация охватывает практически все сферы научно-технической и инженерной деятельности в сварочном производстве. Схема основных направлений использования в сварке САПР на основе компьютерных средств представлена на рис. 4.63
Важным направлением САПР является моделирование на основе численных методов и метода конечных элементов.
Компьютерное моделирование широко применяется для описания физических процессов, протекающих в условиях ускоренного нагрева и охлаждения металла при сварке. В качестве математической основы для современных вычислительных комплексов инженерного анализа в последнее время успешно применяется метод конечных элементов (МКЭ). Пример компьютерного разбиения детали на конечные элементы представлен на рис. 4.64.
Такие вычислительные комплексы оформлены в отдельное направление развития компьютерных технологий, получившее название САЕ-системы (САЕ-технологии). В сфере сварки, например, разработан мощный программный комплекс MscMarc.
На начальной стадии применения МКЭ решали задачи нестационарной теплопроводности (рис. 4.65), что позволяло делать вывод об изменении свойств металла зоны термического влияния (ЗТВ) в зависимости от режимов сварки или резки. При этом рассчитывались и размеры участков ЗТВ с различны-' ми структурами.
Развитие компьютерного моделирования в настоящее время связана во многом с изучением сварочных деформаций








Рис. 4.64
твердотельная время связано во многом с модель детали, разбитой на конечные элементы.









Рис. 4.65. Изображение на компьютере нестационарного температурного поля, характерного для процесса сварки







Рис. 4.66. Компьютерный расчёт остаточных сварочных деформаций
и напряжений (рис. 4.66). Для решения этих задач требуется проведение совместного термического и механического анализов.
Новейшие разработки в моделировании процессов сварки позволяют решать вопросы надёжности и долговечности сварных конструкций, прогнозировать процесс образования и развития усталостных трещин.
Компьютерное моделирование с успехом применяется и для анализа процессов, сопутствующих сварке. Например, в настоящее время предъявляются жесткие требования к уровню предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочего помещения, где выполняется сварка. При сварке широко применяют установки местной вытяжки в районе сварочного поста. Компьютерная программа, разработанная на базе соответствующей модели, позволяет выполнять расчет необходимых вытяжных устройств, обеспечивающих требования по ПДК.






Рис. 4.67. Вид экрана после ввода исходных данных (а) и построения графика (б) при работе программы расчета малогабаритных вытяжных устройств для рабочего места сварщика (в)

Современные технические и программные средства создают широкие возможности для информационной поддержки, необходимой при проектировании технологических процессов сварки и родственных технологий.
В ИЭС им. Е. О. Патона, например, разработана экспертная компьютерная система «Наплавка», объединяющая в рамках единой компьютерной системы базы данных и предназначенная для проектирования технологий механизированной электродуговой наплавки деталей машин и механизмов. Структура экспертной системы «Наплавка» представлена на рис. 4.68.
Основным структурным элементом системы является блок «Проектирование технологии наплавки», который выполняет функции базы данных и осуществляет управление базами данных системы. В
базе данных «Наплавочные материалы» сосредоточена информация, необходимая для выбора наплавочных материалов в зависимости от условий работы и видов изнашивания детали. Выбор наплавочных материалов ведётся в режиме диалога с пользователем. Завершающим этапом работы экспертной системы является формирование выходного документа (технологической карты), в котором отражаются результаты совместной работы компьютера и пользователя над выбором наплавочных материалов, технологии и техники наплавки
(рис. 4.69).
Эффективно решать проблемы сокращения сроков выполнения раскроя металла, снижения расхода материала за счет оптимального размещения деталей на листе, что в конечном итоге решающим образом влияет на себестоимость продукции, можно с помощью программного средства «Раскрой листового материала» системы Тех-тран (рис. 4.70).
Задача заключается в том, чтобы по заданию на раскрой, состоящему из номенклатуры отобранных деталей и их количества по каждому наименованию, оперативно, учитывая складские запасы, оптимально разместить на листах детали (рис. 4.71) и получить управляющие программы их резки. Листы делового отхода, остающиеся после работы, должны быть учтены в базе данных системы для дальнейшего использования.
В последние годы созданы оригинальные модели, алгоритмы и программные средства автоматизированного конструирования сбо-рочно-сварочных приспособлений (ССП). В качестве примера использования компьютерных технологий в проектировании ССП можно привести программную систему ИНСВАР, функционирующую в операционной среде «Windows» и поддерживаемую графической системой AutoCAD. Формируемая компьютером чертежная документация выводится на принтер либо плоттер.
Укрупненная схема построения системы ИНСВАР показана на рис. 4.72. Блок «Изделие» обеспечивает ввод исходной геометричес кой информации о деталях. Из блока «Технология» используется информация о технологических узлах конструкции, положении узлов и деталей при сборке-сварке, режимах выполнения сварки.
Блок «Техническое задание» предоставляет возможность инженеру-технологу выразить свои требования к разрабатываемому приспособлению:
- тип ССП (стационарное, поворотное и пр.);
- тип привода силовых устройств (пневматический, гидравлический и пр.);
- тип корпуса ССП (плита, рама и пр.);
- требования к доступности сварных швов (хорошая, удовлетворительная);
- необходимость анализа напряженно-деформированного состояния сварных сборочных единиц в ССП.
В блок «Среда функционирования приспособлений» вводится информация о типах используемых кантователей, вращателей и других устройств, с которыми стыкуется разрабатываемое приспособление. На рис. 4.73 показан пример конструкции ССП, спроектированной системой ИНСВАР.
При компьютерном проектировании технологических приспособлений и стендов существенно сокращаются сроки разработок и улучшается качество документации.










. 4.71. Результат размещения деталей на листе с помощью программы «Раскрой листового материала»





Рис. 4.73. Пример конструкции ССП, сформированной программной системой ИНСВАР:
а - элементы конструкции, подлежащие сварке; б - ССП в сборке с деталями, подготовленными к сварке

Помимо трех вышеназванных направлений использования компьютерных технологий в сварке (САЕ, САМ и CAD), всё возрастающее значение приобретает компьютеризация современных методов исследований и контроля качества сварных соединений. Одним из таких методов является металлография, широко используемая для периодического контроля качества сварных соединений, а также для исследования и выявления причин разрушения сварных металлоконструкций.
Для данных целей в настоящее время разработаны специальные компьютерные системы анализа изображений например, отечественная система Thixomet (рис. 4.74). Высокочувствительные видеокамеры установлены вместо окуляров в микроскоп и микротвердомер. Еще одна видеокамера применяется для съёмки внешнего вида детали и макросъёмки. Всё оборудование компактно размещено на стандартном столе микроскопа.
Изображение вводится с видеокамер в компьютер с помощью специального устройства захвата кадров (фреймграббера). Результаты контроля распечатываются на принтере, что позволяет избежать трудоёмких операций «мокрой» обработки фотоматериалов.









Рис. 4.74. Компьютерная система анализа изображений Thixomet









Рис. 4.75. Изображение микроструктуры в рабочем окне программы Thixomet
Пример изображения, получаемого на системе Thixomet, дан на рис. 4.75.
С помощью программы Thixomet можно производить оценку параметров микроструктуры, выполнять автоматизированный контроль металлургических дефектов. В программе реализован метод ЭИ-реконструкции, что позволяет восстанавливать объёмное изображение структуры или дефекта и оценивать его параметры. Это делает возможным определение механизма образования дефектов (например, квалифицирование трещин - металлургические, усталостные, коррозионные и др.), что важно при анализе причин разрушения.
К числу важнейших методов контроля ответственных сварных соединений принадлежат рентгеновский и гаммаграфический методы (PIT). Дефектоскопист визуально анализирует снимки и идентифицирует обнаруженные дефекты. Качество расшифровки снимков всегда носит достаточно субъективный характер, так как в той или иной мере сказывается «человеческий фактор»уровень подготовки дефектоскоп иста, его самочувствие. Один из перспективных способов решения данной проблемы - реализация компьютерных технологий в области РГТ. На основании накопленного опыта разрабо ток компьютерной расшифровки РГТ снимков определилась следующая технология распознавания и анализа дефектов:
- ввод изображения РГТ снимка и сопроводительной информации в компьютер;
- создание блока программ предварительного анализа изображения и его пригодности к возможной дальнейшей компьютерной обработке;
- создание блока программ поиска и выделения контуров дефектов, идентификации их типов и определения их геометрических характеристик;
- создание расчётно-аналитического блока для получения заключения о дефектности сварного соединения;
- статистическая обработка получаемых результатов;
- создание вспомогательных сервисных функций.
Сравнение предварительных результатов независимого тестирования компьютерной системы с результатами оценки снимков дефектоскопистами показали, что машина переоценивает размеры дефектов примерно на 15-20 %, человек недооценивает размер на 10-15 %, особенно на дефектах малой площади. Программу можно подправить, особенно если она «перестраховалась». А как быть с ошибкой дефектоскописта? Недооценка может привести к серьёзным последствиям, а «подправить» данные специалиста нельзя. Однозначного ответа на этот вопрос нет. Ясно, однако, что использование компьютерных технологий должно помочь уменьшить влияние человеческого фактора при расшифровке РГТ снимков.

15

Приложенные файлы

  • doc 14757444
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий