Теория сварочных напряжений и деформаций

Сварка корпусных конструкций

Значительно сложнее обстоит дело с целыми конструкциями. Для определения сварочных деформаций в них и для выбора технологии сварки все конструкции удобнее разбить на группы, в зависимости от конфигурации, соотношения главных размеров и степени сложности изготовления. Основной технологической единицей для сборки корпуса на стапеле служит узел (секция), который собирается из сборочных звеньев. Звеньями являются: балки, рамки, полотнища и различные простейшие пространственные конструкции, имеющие во всех трех направлениях приблизительно соизмеримую протяженность. Звенья в свою очередь изготовляют из листовых и профильных деталей.

Сварка звеньев корпуса

Наиболее распространенные звенья корпусных конструкций - это балки, рамки и полотнища. Сварка балок. Особенностями составных балок судового корпуca является относительно малая толщина стенок при значительном моменте инерции сечения балки. Одним пояском балки обычно служит часть обшивки соответствующего перекрытия (днища, борта, палубы и т. д. ). Второй поясок изготовляется из полосы ограниченной ширины; для увеличения момента сопротивления его выполняют более утолщенным, чем стенка. Предварительно собирается и сваривается стенка с меньшим внутренним пояском. Определение ожидаемых деформаций тавровых балок (изгиба в плоскости стенки и укорочения) производится по формулам. Формулы справедливы лишь в предположении, что стенка свариваемого элемента заранее собрана на жестких прихватках с пояском и собранный элемент подвергается сварке. Если же при сварке поясок не скреплен со стенкой, то этот случай можно упрощенно рассматривать как наплавку на кромку стенки, причем погонную энергию следует принимать лишь частичную, пропорциональную соотношению свариваемых толщин или определяемую соответствующим коэффициентом. Пои сварке тавровых балок при одном и том же сечении деформации будут тем больше, чем дальше расположены швы от центра тяжести составного сечения. В последующем, когда балка будет собрана с полотнищем, сварка по противоположной кромке уже не сможет полностью устранить первоначального прогиба. Момент сопротивления готовой тавровой балки значительно выше момента сопротивления полосы, которая изгибалась при наложении первого шва. Кроме того, оставшиеся на второй кромке растягивающие напряжения от сварки первой кромки будут снижать пластические деформации сжатия в свариваемой второй кромке. В результате стягивающее действие второго шва еще больше ослабляется. Существует несколько способов предотвращения продольных деформаций тавровых балок. 1. Создание упругого обратного выгиба. Если балку до сварки упруго выгнуть в обратную сторону специальным нажимным приспособлением, обычно конструктивно совмещаемым со сборочным кондуктором, то в зоне, подлежащей сварке, появятся растягивающие напряжения. Пластические деформации сжатия при сварке будут меньше. Соответственно вследствие уменьшения пластических деформаций сжатия будет уменьшен и общий прогиб готовой балки, когда ее после сварки освободят от нажимного приспособления. 2. Использование предварительной остаточной деформации обратного знака. Деформацию заготовки можно создать или вырезая ее с искажением, или предварительно выгибая. Полосы легко выгибаются холодной проковкой кромки. Очевидно, что при данном методе особенно большое значение приобретает предварительное расчетное определение ожидаемых деформаций после сварки, что дает возможность их учесть при изготовлении балки. 3. Закрепление балок перед сваркой. Этим приемом нельзя полностью устранить остаточный прогиб, но зато за счет повышенной пластической деформации в зоне швов можно довести его величину до пределов, допускающих возможность оставлять балки без исправлений. Балки перед сваркой можно жестко прикреплять к плите (к кондуктору) или же временно соединять попарно свободными кромками на прихватках. Абсолютно прямую и ровную двутавровую балку можно получить, если только шов по второй полке будет создавать большее стягивающее усилие, чем по первой. Для этого (если применяется ручная сварка) первый шов сначала сваривают не по всей длине, а прерывистыми участками. Затем по всей длине сваривают шов по второй полке, после чего заполняют оставшиеся промежутки первого шва. При сварке автоматом первый шов целесообразно сваривать на повышенной скорости, накладывая валик уменьшенного сечения. В дальнейшем этот валик снова перекрывается с образованием полного сечения. Сварка рамок. Рамки представляют соединения нескольких прямолинейных или криволинейных балок или пластин. Соединяющие их швы обычно имеют небольшую протяженность и поэтому не вызывают значительных деформаций. Исключение составляют замкнутые рамки из листового материала, внутрь выреза которых по контуру привариваются обделочные полосы. При изготовлении этих рамок вследствие продольного сокращения швов по контуру выреза происходит стягивание полотна, сопровождаемое потерей устойчивости и появлением волн на полотне рамки. Иногда вся рамка скручивается. Действие швов в этом случае может быть уподоблено действию нагретого пятна в тонком листе, также вызывающего выпучины и потерю устойчивости. Деформации подобных рамок устраняют, главным образом растяжением зоны шва. Частично этого можно достигнуть, прикрепляя изделия при сварке к жесткой плите. Для полного устранения деформаций целесообразно «раздать» активную зону в процессе охлаждения или в остывшем состоянии: например, проковкой зоны шва пневматическим молотком. Сварка полотнищ. Применяемые в судостроении полотнища весьма разнообразны по своим толщинам, габаритам и конфигурации. Стыки отдельных поясов в листовых полотнищах и оболочках следует совмещать по прямой линии, а не разносить, как это делали раньше в клепаных конструкциях. Расположение стыков внутри секции и между секциями по одной прямой линии дает возможность широкого применения автоматической сварки. При совмещенных стыках секций представляется возможность строить корпус судна одновременно в нескольких смежных районах по длине, с последующим завершением сварки совмещенных стыков между этими районами. Упрощается также технология установки секций, так как одновременно пригоняется не две кромки (вертикальный стык и часть горизонтального паза), а только одна (стык) в каждой секции. При сварке совмещенного стыка весь материал, попадающий в одно поперечное сечение корпуса, получает одинаковые пластические деформации от сокращения шва. Кроме того, при действии внешней нагрузки поперечная упругая деформация материала будет происходить более равномерно, чем при разнесенных стыках, так как в последнем случае в одно и то же сечение корпуса попадают сварной стык, испытавший при охлаждении пластическую деформацию, и целый свободный лист, не подвергавшийся сварке. Неравномерность поперечного сокращения может обусловить также и появление местных деформаций из плоскости на целом листе, в месте окончания стыка. Прочность же совмещенного стыкового шва превышает прочность целого листа, что объясняется, с одной стороны, подбором электродного материала, соответствующего марке стали, а с другой, - повышенной жесткостью зоны шва. При изготовлении сварных полотнищ имеют место укорочение плоскости вдоль и поперек швов, местные деформации из плоскости, так называемые «завалы» швов, или «домики», и волнистость по полю листов. Расчетное определение продольного и поперечного укорочения полотнища представляет важную задачу, так как дает возможность оставить соответствующие припуски на деталях и устранить контуровку и подгонку готового полотнища. Общие продольные и поперечные деформации определяются путем суммирования укорочения от отдельных швов. При этом удобно пользоваться общим количеством тепла, введенным в каждый шов. Это укорочение считается средним на данной ширине полосы. Если обратиться от полосы к полотнищу с несколькими швами, то продольное укорочение только полотнища определится суммой укорочений, вызываемых отдельными швами. Такое суммарное укорочение является усредненным, так как в зонах вблизи швов кромка листа теряет прямолинейность и как бы затягивается. Расчет местных деформаций полотнищ (волнистости) можно выполнить с помощью формул, зная продольные и поперечные укорочения. Для предупреждения образования волнистости рекомендуется прижимать полотнища при сварке к плите передвижными грузами, тягами или магнитными прижимами. Однако такое прижатие хотя и уменьшает, но полностью не исключает появления волнистости, так как после освобождения от закрепления упругие деформации все-таки проявляются. Для предотвращения выпучивания полотнищ малой толщины (4 мм и тоньше) может быть рекомендован способ прикрепления их прихватками по контуру к плите. Такое закрепление создает жесткий контур, и под влиянием сокращения швов все полотнище при сварке натягивается; все неровности и бухтины при этом исчезают. После охлаждения полотнища и приварки набора прихватки срубают. Сварка пространственных звеньев. К пространственным звеньям корпуса относятся различные цистерны, фундаменты, барабаны и т. д. Благодаря значительной жесткости пространственных звеньев сварка их не вызывает особенно больших деформаций, однако это во многом зависит от конструкции элемента. Следует стремиться к тому, чтобы от поперечного сокращения швов не происходило изгиба или выпучивания конструкции. С этой точки зрения целесообразно располагать шов по возможности на всем поперечном сечении балки или фундамента, а не на части его. Наиболее вероятной деформацией всего фундамента при сварке является изгиб от асимметричного расположения швов относительно центра тяжести сечения. Самым действенным средством для предотвращения такого изгиба будет соответствующее чередование сварки поясных швов и пересечений стенки с ребрами. Швы между стенкой и ребрами для увеличения их деформационной способности должны свариваться напроход, начиная от пояска и по направлению к нижним кромкам. При сварке напроход в конце шва создаются высокие растягивающие напряжения. Поэтому и целесообразно устанавливать такой порядок сварки, чтобы эта зона растягивающих напряжений располагалась возможно дальше от нейтральной оси и компенсировала начальные деформации. Расчет деформаций пространственных звеньев можно производить по формулам. Цилиндрические барабаны, входящие в состав корпусных конструкций (например, большие цистерны), обычно свариваются на стендах с роликами и двумя автоматами тракторного типа соответственно для выполнения внутреннего и наружного швов. Барабаны малых диаметров обычно сваривают по окружности вручную, а по образующей - автоматом тракторного типа. Чтобы избежать общей деформации оболочек, целесообразно до сварки поставить внутрь барабана распоры. Угловую деформацию можно предотвратить проковкой шва после остывания или придавая кромкам при сборке обратную деформацию наружу, за теоретический круговой обвод. Искривление по образующей особенно сказывается при сварке, например, длинных труб, мачт, стрел и т. д. Подобные конструкции лучше сваривать из готовых элементов, чтобы не суммировать деформаций от сварки каждого элемента.

Сварка корпуса на построечном месте

Сварной корпус судна может собираться на построечном месте из отдельных секций или из готовых блоков (иногда блоки даже отделывают внутри и насыщают механизмами и оборудованием). Корпус крупного судна собирается из значительного количества секций. Сборка секций может производиться от киля к палубе. Первыми устанавливают и сваривают днищевые секции, на них - поперечные и продольные переборки, потом нижнюю часть бортов, нижние палубы, второй ярус бортовых секций и т. д. Если секции каждого горизонта последовательно устанавливают и приваривают на большом протяжении по длине корпуса, то такой метод сборки «по горизонтам», называют ленточным, или «слоистым». При такой последовательности сборки и сварки корпус под действием продольного и поперечного укорочения от сварки секций каждого горизонта будет изгибаться, а нос и корма могут подняться с кильблоков. Очевидно, что для уменьшения стягивающих усилий нецелесообразно до окончания сварки внутри каждого горизонта делать много креплений по линии соединения деталей верхнего горизонта с нижним. Кроме того, по этой линии соединений рекомендуется устанавливать гибкие эластичные крепления в виде планок, обеспечивающих свободу продольного перемещения деталей в процессе сварки. Объем монтажной сварки в каждом горизонте должен быть возможно меньше (большинство швов должно выполняться на секционной сборке). Следует отметить, что снижению общего прогиба будет способствовать уменьшение момента стягивающих сил. С этой точки зрения сварку монтажных швов выгоднее вести так, чтобы активные связи располагались возможно ближе к центру тяжести оформленного сечения корпуса или симметрично относительно него. Например, приварку платформ и переборок к бортам и сварку других участков швов посредине высоты корпуса целесообразнее производить после установки и сварки днища и палубы. Наконец, желательно, чтобы участок сваренного корпуса, на который устанавливаются следующие очередные секции, был возможно короче. Это приводит к выводу, что корпус целесообразно собирать короткими участками или даже целыми блоками, проходящими от киля до палубы. В настоящее время «слоистый» способ сборки корпуса, характерный для клепаного судостроения, не применяется. Способ «пирамидальной» сборки является его развитием применительно к постройке крупных сварных судов, где неприменим блочный способ. Пирамидальное формирование корпуса заключается в установке секций вверх к палубе; по длине корабля продвижение работ ограничивается на каждом этапе сравнительно небольшими участками. В дальнейшем сборка и сварка идут уступами в нос и в корму. Следовательно, действие продольного сокращения швов проявляется постепенно, на небольшой длине и без значительного подъема концевых секций. Реактивные напряжения, которые теоретически должны возникать в нижних слоях при сварке верхних, не могут накапливаться, так как длина каждого действующего шва относительно невелика, а жесткость сечения очень значительна. При сборке слоями сварочные работы на первых этапах производятся на участках днища большой протяженности и небольшой высоты, тогда как при пирамидальном способе те же работы выполняются на участках меньшей длины, но с более жестким сечением. Это соблюдается и при сварке всех последующих этапов. Пирамидальный способ облегчает регулирование деформаций корпуса, возникающих при постройке. Во-первых, при установке очередных секций, расположенных в нос и в корму от сваренной пирамиды, может производиться их прирубка. Этим можно компенсировать образовавшийся ранее подъем концевых секций. Во-вторых, можно менять последовательность сварки ранее оформленной пирамиды с установленными секциями. Если сварку монтажных швов вести от верхних горизонтов к нижним можно добиться деформации концов пирамиды в одну сторону. При обратном порядке деформации будут направлены в другую сторону. Пирамидальный метод формирования применим как к корпусу с разнесенными стыками отдельных секций, так и к корпусу со стыками, совмещенными в одной поперечной плоскости. В последнем случае более целесообразно вести сборочные и сварочные работы в пределах блоков. Последовательность наложения швов показана римскими цифрами, а номера одновременно работающих сварщиков - арабскими. Блочный способ постройки является оптимальным с точки зрения уменьшения общих, деформаций корпуса. При блочном методе постройки корпус собирается в каждом районе только по вертикали. Секции последовательно устанавливают одна на другую, начиная от киля, и сваривают с нижележащими. Если по длине блока в конструкции предусмотрены и промежуточные стыки, то они свариваются при установке секций до выполнения сварки паза. Что касается стыков между блоками, то они выполняются в последнюю очередь после оформления сборки и сварки целого блока. Указанный порядок может быть применен как при сборке блоков на построечном месте (для больших судов), так и при сборке блоков в другом цехе или на площадке с последующей транспортировкой их на построечное место (для средних и малых судов). Выполнение сварки монтажных кольцевых стыков между блоками вызывает известные затруднения. Благодаря неодновременности сварки по длине стыка между блоками в нем могут возникнуть значительные местные напряжения. Для сглаживания эпюры напряжений кольцевые стыки корпуса сваривают обычно несколько сварщиков одновременно. Для этого кольцевой стык разделяется на несколько одинаковых участков симметрично относительно диаметральной плоскости. Каждый участок выполняется отдельным сварщиком. Такая последовательность сварки как бы приближается к теоретически наивыгоднейшей, т. е. к одновременному нагреву и созданию равномерной усадки по всему стыку. При этом устраняются перекосы и расхождения еще незаваренных участков стыков и предотвращается деформация корпуса.

Автоматическая сварка стыковых соединений с принудительным формированием обратного валика

Автоматическая сварка под слоем флюса стыковых и угловых соединений на заводе „Красное Сормово" впервые была применена в 1941 году. Этот способ сварки нашел широкое применение при постройке судов, изготовлении резервуаров и емкостей, оборудования для химической промышленности, труб газопровода. Общий процент автоматической сварки по отдельным видам продукции составляет: сухогрузный теплоход грузоподъемностью 2000 тонн--60%, воздушные ресиверы--75%. Широкое применение нашла двухсторонняя сварка стыковых соединений без разделки кромок. Особенно успешно этот способ применяется при соединении изделий толщиной от 5 до 32 мм. Однако и этот способ автоматической сварки стыковых соединений имеет ряд недостатков, которые сдерживают рост производительности труда, увеличивают стоимость выпускаемой продукции. К ним относятся: необходимость перекантовки изделия для сварки шва с обратной стороны, увеличенный расход электроэнергии и сварочных материалов (проволоки и флюса). На заводе нашел применение метод автоматической сварки стыковых соединений с принудительным формированием валика сварного шва с обратной стороны. Этот метод лишен недостатков, указанных выше, и заключается в следующем. Стыковые соединения собираются без разделки кромок стыкуемых деталей с обязательным зазором и свариваются за один проход. При этом производится полный провар стыкуемых кромок на всю их толщину и принудительное формирование валика сварного шва со стороны, противоположной стороне сварочной дуги. Автоматическая сварка с принудительным формированием валика сварного шва с обратной стороны выполняется на стыковых соединениях деталей толщиной от 5 до 12 мм: при этом на, заводе нашли применение два способа сварки: сварка с принудительным формированием шва на скользящем красно-медном ползуне автоматом ТС-30 или ТС-32 и сварка с принудительным формированием шва на флюсовой подушке магнитного стенда. Сварка автоматом ТС-30 или ТС-32. Автоматами ТС-30 и ТС-32 свариваются стыковые соединения полотнищ ресиверов, поперечных гофрированных переборок сухогрузного теплохода при толщине деталей от 3 до 10 мм. Сварочный трактор выполняет следующие операции: 1) совмещение свариваемых кромок в одной плоскости,2) поджатие и перемещение скользящей медной подкладки-ползуна,3) подачу электродной проволоки,4) перемещение дуги вдоль свариваемого соединения,5) подачу флюса в зону сварки. Стыковое соединение собирают с обязательным зазором в стыке от 2,5 до 4,5 мм. Кромки обрабатывают либо полуавтоматической газовой резкой, либо строжкой на станках. Кромки стыкуемых деталей должны быть чистыми (от окалины, ржавчины и других загрязнений) и не должны иметь заусенцев. Соединения собирают на гребенках, которые в процессе сварки стыка по мере продвижения автомата сварщик удаляет специальной вилкой-захватом. Гребенки прихватывают к деталям угловым швом калибром в 3-- 4 мм и длиной в 40--50 мм. Расстояние между гребенками устанавливается для плоских деталей в 1200--1500 мм, для гофрированных в 800-- 1000 мм. Сборка под сварку значительно упрощается тем, что совпадение плоскостей стыкуемых деталей в данном случае не обязательно, так как конструкция автомата обеспечивает при движении его в процессе сварки устранение возможной „разностенности" листов. С обратной стороны валик сварного шва формируется красномедным охлаждаемым ползуном. Ширина и высота сварного шва обусловлены толщиной свариваемых деталей и обеспечиваются наличием на медном ползуне канавки соответствующего профиля. Сила прижатия медного ползуна к плоскости стыка регулируется натяжением пружины прижимного устройства. Сварка автоматами ТС-30 и ТС-32 может производиться как на постоянном токе, так и на переменном, однако при сварке на переменном токе формирование сварного шва происходит несколько хуже и имеют место „примерзания" ползуна. Опыт внедрения и производственного применения сварки с принудительным формированием обратного валика на красномедном ползуне позволил убедиться в безотказной работе автоматов и высоком качестве сварных швов при сварке неперекрещивающихся стыковых соединений. При сварке перекрещивающихся соединений в местах пересечений, как правило, происходит вынужденная остановка автомата и, как следствие, прожоги и „примерзания" ползуна. Сварка может производиться электродной проволокой диаметром от 2 до 5 мм на токах от 200 до 900 а. На заводе „Красное Сормово" сварка производится электродной проволокой Св-08А диаметром 4 мм под слоем флюса ОСЦ-45. Изменение скорости подачи электродной проволоки и скорости сварки ступенчатое и производится при помощи восьмиступенчатой коробки скоростей. Сварка стыковых соединений полотнищ секций сухогрузного теплохода производится на флюсовых подушках магнитного стенда. При этом используются два варианта: двухсторонняя сварка с повышенным зазором в стыке и сварка с принудительным формированием обратного валика на флюсовой подушке магнитного стенда. Электромагнитный стенд с магнитно-флюсовой системой является специальной технологической оснасткой. Магнитный стенд состоит из трех продольных балок (с магнитно-флюсовой системой) длиной в 11 м каждая и одной поперечной балки длиной в 5,5 м, смонтированных стационарно. Расстояние между центрами продольных балок равно 1300 мм и соответствует ширине свариваемых листов полотнищ секций. В промежутках между флюсомагнитными балками расположены балки, не имеющие флюсомагнитной системы и служащие только как опоры. Настил балок и зеркало (верхняя поверхность всех электромагнитов) выдержаны в горизонтальной плоскости; при этом плоскость зеркала электромагнитов выше настила на 2--3 мм. Флюсовая подушка имеет два прорезиненных шланга и систему штоков. Верхний шланг предназначен для подъема флюсового лотка с целью поджатия флюса к спариваемым кромкам, нижний шланг служит для принудительного опускания лотка с флюсом. Ширина флюсового лотка составляет 80 мм. Электромагниты стенда имеют Ш-образное сечение и размер 500Х75ХПО. Для обмотки использован провод из красной меди диаметром в 1,92 мм с хлопчатобумажной изоляцией, пропитанной лаком. Марка провода ПЭЛБО. Магнитный ручей (балка) набирается из нескольких таких электромагнитов, которые включаются последовательно в группы по 4 штуки.

Питание электромагнитов стенда осуществляется постоянным током от машины ПС-500, через распределительный щит. Электромагниты обеспечивают надежное прижатие (притяжение) листов к зеркалу электромагнитов. Воздух для флюсовых подушек подводится через водомаслоотделитель от цеховой воздушной магистрали. Сварка выполняется автоматами ТС-17МУ. Детали, поступающие для сборки и сварки на магнитном стенде, могут вырезаться как газовой резкой, так и механическими способами. При сборке допускается смещение кромок листов по высоте для полотнищ толщиной в 5 мм не более 0,5 мм, для полотнищ большей толщины--не свыше 1 мм. Прихватка по стыкам выполняется электродами УОНИ-13/45. Расстояние между прихватками 500-- 700 мм, длина прихваток 20--35 мм. Прихватки под одностороннюю сварку имеют размер по высоте не более 2 мм. В начале и в конце соединений на собранных полотнищах устанавливаются выводные планки для вывода кратеров швов. При односторонней сварке с принудительным формированием обратного валика выводные планки должны быть не прихвачены, а приварены к кромкам листов, в противном случае по концам сварных швов появляются трещины. Сварка осуществляется на „проход" с последовательным переходом от одного соединения к другому. Поперечный стык (паз) заваривается в последнюю очередь. В качестве сварочных материалов используется сварочная проволока СВ-08А и флюс ОСЦ-45. При однопроходной сварке с принудительным формированием обратного валика в случае применения флюса нормальной грануляции шов со стороны флюсовой подушки по высоте неравномерный (имеет гребешки). При использовании флюсовой пыли шов с обратной стороны имеет ослабление, доходящее до 2 мм. Для засыпки флюсового лотка применяется смесь флюса ОСЦ-45П нормальной грануляции (30%) и флюсовой пыли (70%). Однако и в этом случае вследствие неравномерности перемешивания флюсовой пыли с флюсом нормальной грануляции сварной шов ослаблен, хотя эти ослабления не превышают 0,5--1 мм и их протяженность не велика. Технологическая последовательность сборки и сварки полотнищ секций на магнитном стенде такова: укладка листов и их стыкование между собой, включение электромагнитов, поджатие флюса, сварка, опускание флюса, выключение электромагнитов и снятие сваренного полотнища. Последовательность включения электромагнитов зависит от последовательности сборки полотнища. После включения электромагнитов и поджатия флюса производится легкое простукивание ручником вдоль стыка. Это простукивание обеспечивает более равномерное прижатие флюса по всему стыку. Электромагниты выключаются через 25--30 минут после окончания сварки, что резко снижает коробление. Применение электромагнитных стендов с флюсовыми подушками позволило резко улучшить качество сварных швов и сваренных полотнищ в целом (нет коробления), сократить трудовые затраты по сварке и сборке.

Сварка секций и блоков корпуса

Узлы (секции) корпуса разнообразны по своим габаритам, отношению размеров и конфигурации. С точки зрения особенностей изготовления секции удобно разделить на следующие три группы: 1) плоские с относительно малой высотой набора: например, переборки, палубы, платформы, прямые участки бортов и т. д. Они характеризуются небольшой жесткостью в направлении, перпендикулярном обшивке. При сварке их почти не происходит изгиба, так как швы расположены примерно в одной плоскости; 2) плоские с высоким набором: например, секции двойного или одинарного дна с флорами и стрингерами. Швы, соединяющие элементы набора между собой, удалены от обшивки и могут вызвать общий и местный изгиб секции; 3) объемные, размеры которых по всем трем осям соизмеримы. К таким секциям относятся бортовые с большой кривизной, секции оконечностей, крупные фундаменты, шахты в сборе, секции туннеля гребного вала и др. Как правило, объемные секции обладают значительной жесткостью, что облегчает возможность избежания общих деформаций. Обычно секции изготовляют из готовых элементов - полотнищ, балок и рамок набора и небольшого числа деталей, идущих «россыпью». Сборку секций, ограниченных плоскостью, производят на горизонтальных сборочно-сварочных плитах. Секции с криволинейной поверхностью собираются в опорных приспособлениях - «постелях», имеющих форму, обратную той, которая характерна для секции. Постели могут быть индивидуальными (отдельные для изготовления каждой секции) или со съемными лекалами, что позволяет путем несложных перестановок приспособлять одну и ту же постель для сборки нескольких подобных секций с разными обводами. Большинство сварных швов на секциях - угловые, соединяющие полотнища с набором и соединяющие элементы набора между собой. Первая группа этих швов - особенно большой протяженности, поэтому имеется возможность применения автоматической сварки. Если в состав секции входит и продольный и поперечный набор, то рекомендуется сначала ставить и приваривать автоматом балки того направления, протяженность швов которого больше. Затем между приваренными балками одного направления вставляют элементы набора противоположного направления, приварка которых ведется уже полуавтоматами или вручную. Такая последовательность носит название раздельного метода сборки и сварки. Если собирается целая секция, то сборку и сварку соответствующих элементов целесообразно вести в таком порядке, чтобы сокращение отдельных швов происходило бы изолированно и не влияло на общую деформацию. Например, при изготовлении секций двойного дна сначала следует сваривать балки поперечного и продольного набора между собой в общую «решетку», не скрепляя набор с обшивкой или настилом двойного дна. Закончив сварку решетки в данном районе, приваривают ее к полотнищам. Для возможности свободного сокращения устанавливаемые элементы набора секции скрепляют с полотнищами не прихватками, а гибкими временными планками. Такая технология, однако, требует чередования сборочных и сварочных работ, что создает известные неудобства. Поэтому часто используется другой порядок сборки и сварки секций. Набор ставят на прихватки, не сваривая заранее в решетку. При сварке происходит более значительная общая деформация секции, но она учитывается соответствующим предварительным выгибом сборочной постели в обратную сторону. В тех секциях, где имеется часто поставленный набор обоих направлений или значительная кривизна обводов, что затрудняет использование автоматической сварки, рекомендуется применять последовательно-ячейковый способ, предложенный В. П. Вологдиным. Отдельные клетки, или «ячейки», конструкции, состоящие из обшивки и набора обоих направлений, сваривают поочередно от миделя к носу и корме и от диаметральной плоскости к обоим бортам. Во всех ячейках соблюдается одинаковая последовательность сварки, а именно: сваривают швы по одной стенке, затем проходят оба продольных шва, приваривают вторую стенку и переходят к следующей ячейке. Преимущество этого способа состоит в том, что свариваемый участок впереди не закреплен, и поэтому связи могут свободно сокращаться в поперечном и продольном направлениях, не вызывая общего изгиба. Рассмотрим схемы определения деформаций, возникающих при изготовлении секций. Секции (вследствие значительного количества швов), во-первых, сокращаются в поперечном и продольном направлениях, а во-вторых, происходит их общий изгиб, если сварные швы располагаются несимметрично относительно центра тяжести поперечного сечения секции. У плоских секций с малой высотой набора наиболее существенным является первый вид деформации. У секций с высоким набором проявляются оба вида деформаций: и укорочение, и изгиб. Для того, чтобы избежать пригонки секций при сборке корпуса и исключить припуски на контуровку, необходимо рассчитать ожидаемое укорочение секции от сварки в продольном и поперечном направлениях. Следует указать, что абсолютные величины деформаций, вычисленные по приближенным формулам, не всегда точно совпадают с фактически наблюдаемыми. Поэтому главное значение приведенных расчетных методов состоит в возможности сравнения различных вариантов технологических процессов сборки и сварки, путем которого выбирают оптимальный процесс, дающий наименьшие деформации. Готовые секции и узлы корпуса передают или на стапель или же на сборку блоков. Блоки корпуса - это большие пространственные конструкции, ограниченные поверхностями обвода судового корпуса. С точки зрения сварочных деформаций, сборка блоков из нескольких крупных, а не мелких секций или деталей имеет то преимущество, что на общую деформацию блока оказывает влияние лишь небольшое число замыкающих швов. Сокращение всех ранее сваренных в секциях швов на деформации собираемого из секций блока не сказывается. Блок обычно представляет достаточно жесткую конструкцию и общее искривление блоков в практике не имеет места.

Сварочное оборудование

Сварочное оборудование (сварка разных видов) включает широкий ассортимент машин, установок, автоматов, полуавтоматов, а также готовых автоматических линий. Кроме того, для сварки необходимы источники питания, средства защиты, аксессуары и дополнительное сварочное оборудование. Сварка насчитывает несколько десятков видов, поэтому оборудование различается по своим характеристикам. Сварочное оборудование для сварки контактной: Клещи для точечной сварки производства фирмы Telwin из Италии, серии Modular и Spotter - для применения во время проведения ремонтных работ, надежны в условиях частичной загрузки. Клещи для точечной сварки производства фирмы Dalex из Германии - хорошо зарекомендовали себя при посменной работе производства в условиях полной загрузки. Переносные аппараты от фирмы HELVI линейки SPOTLIGHT - это сварочное оборудование (сварка точечная) отличаются простотой применения, легкостью, высоким уровнем безопасности, есть модели с таймером. Однофазные цифровые многофункциональные сварочные аппараты с микропроцессорным контролем модельного ряда SPOTCAR DIGIT - сварочное оборудование (сварка контактная) от фирмы HELVI идеальны для кузовного ремонта автомашин. Переносные сварочные полуавтоматы - сварочное оборудование (сварка дуговая) модельного ряда Bimax и Telmig (Италия) работают как с присадочной проволокой сплошного сечения, так и с порошковой само защитной проволокой. Передвижные сварочные полуавтоматы марок Supermig (Италия), Wega (Германия), ПДГ (Россия) - сварочное оборудование (сварка дуговая) снабжены подающим механизмом. Характеристики аппаратов позволяют проводить качественную сварку алюминиевых сплавов. Это простое в работе сварочное оборудование, сварка возможна в любых пространственных положениях свариваемых деталей. Популярные аппараты модельных рядов Picotig и Triton (Германия), Technology и Superior (Италия) - сварочное оборудование (сварка неплавящимся электродом) работают при большом диапазоне колебаний питающего напряжения и успешно используются в нестабильных электрических сетях. Аппараты серии Tetrix (Германия) - сварочное оборудование (сварка неплавящимся электродом) применяются для включения в параллель для одновременной, двухсторонней сварки. Плазменная сварка универсальна и позволяет переходить от сварки металла одного вида к другому виду, только изменив режим аппарата поворотом ручки. Сварочное оборудование - сварка плазменная - уникально тем, что обеспечивает минимальную ширину сварочного шва по сравнению с другими технологиями сварки металлов. Российская компания "Мультиплаз", имеющая ряд запатентованных в России и во всем мире изобретений из области сварочное оборудование (сварка плазменная). Среди них Мультиплаз-2500М, Мультиплаз-7500, Мультиплаз-15000. Это сварочное оборудование (сварка воздушно-плазменная) отличается высочайшей скоростью сварки и резки. Мультиплаз-2500М имеет минимальный вес и потребление энергии, при этом не требует компрессоров и трансформаторов. Сварочное оборудование (сварка орбитальная) Liburdi Dimetrics (США) представляет собой готовые сварочные установки с источником программного обеспечения, кольцевым устройством направления и сварочной головкой, оснащенные дистанционным управлением комплектом кабелей. Марка ORBIMIG 450 соответствует современному дизайну и новейшим стандартам на оборудование для автоматической сварки. Это сварочное оборудование - сварка с микропроцессорным управлением - идеально для сварки труб, сосудов большого диаметра, для приваривания днища.

Процессы при сварке

Металлургические процессы при сварке плавлением должны обеспечивать получение металла шва такого химического состава, при котором были бы получены заданные свойства: равнопрочность шва с основным (свариваемым) металлом, особые физико-химические свойства и др. Этого можно достигнуть путем легирования металла шва. Для обеспечения равнопрочности при сварке конструкционных сталей литой металл шва должен иметь химический состав, отличающийся от состава свариваемой прокатной стали. Только в отдельных случаях, когда необходимо получить швы, обладающие особыми свойствами, добиваются совпадения химического состава металла шва с основным. Металлургические процессы при сварке протекают в период плавления и переноса электродного металла, т. е. на конце электрода, в дуге и непосредственно в сварочной ванне. Поэтому наряду с общей характеристикой металлургических процессов рассматриваются особенности их протекания в процессе плавления, переноса и в сварочной ванне. Физико-химические процессы, протекающие при сварке, отличаются от аналогичных процессов, характерных для выплавки стали, скоростями и направлением реакций, что связано с высокой температурой в зоне сварки, небольшим объемом жидкого металла в сварочной ванне и кратковременностью существования металла в расплавленном состоянии. Большое значение имеет также энергичное непрерывное физическое и химическое взаимодействие расплавленного металла в дуге и в сварочной - с окружающей средой: газовой атмосферой, шлаками, основным металлом. Для уяснения указанных обстоятельств рассмотрим случай дуговой сварки голым электродом. В этом случае окружающей средой является атмосферный воздух и происходит насыщение металла шва кислородом и азотом, а при наличии влаги - и водородом. Как видно, сварка вызвала выгорание основных примесей (за исключением серы и фосфора, содержание которых не изменилось). Кроме того, металл шва резко обогатился кислородом и азотом. При этом возможно также образование высших окислов Fe2O3 и Fe3O4, но в железе растворима только закись FeO и поэтому она оказывает наибольшее влияние на свойства окисленного металла. Концентрация растворенной закиси железа в расплавленном чистом железе при высоких температурах может достигать больших значений (до 0,5%). При температуре плавления чистое железо растворяет до 0,22% кислорода. С повышением содержания в железе углерода растворимость закиси железа в нем падает. Во время охлаждения твердого металла закись частично выделяется из раствора и при температуре 572°С распадается на закись-окись и твердый раствор кислорода в а-железе, т. е. феррит, насыщенный кислородом и называемый оксоферритом. Оксоферрит содержит 0,035% кислорода. Если содержание кислорода превышает 0,035%, он в виде закиси-окиси располагается в охлажденном металле между зернами (отдельными включениями - глобулями различной величины и формы) или, окаймляя зерна феррита оболочками, ухудшает механические свойства. Кислород, растворенный в стали, может вступать в соединение не только с железом, но и с другими примесями, имеющимися в стали (например, с марганцем и кремнием). Общее содержание кислорода в металле шва может достигать 0,2%. Азот воздуха, попадая в столб дуги, разогревается и частично диссоциирует, переходя в атомарное состояние, в котором он активно реагирует с жидким металлом; вследствие высокой скорости охлаждения металла шва в нем остается значительная часть азота в виде нитридов. В структуре металла нитриды находятся в виде твердого раствора в а-железе (нитроферрит) и иглообразных включений нитридов FeN4, залегающих в основной массе нитроферрита. Насыщение металла азотом при быстром охлаждении способствует задержке избыточного азота в а-железе. В результате решетка железа искажается и приобретает свойства, аналогичные свойствам мартенсита (высокая твердость, хрупкость, склонность к трещинообразованию); следовательно, азот способствует закалке металла шва. Сварка голыми электродами, не обеспечивающая получения металла шва с высокой физической сплошностью, дает металл с пониженными механическими свойствами. Водород может попасть в зону сварки из влаги, находящейся на основном или электродном металле, в покрытии или флюсе, из ржавчины, а при газовой сварке - из пламени. В дуге благодаря высокой температуре свободный водород диссоциирует и легко растворяется в жидком металле. Попадая в жидкий металл в атомарном состоянии, атомы водорода диффундируют по всему объему жидкого металла и могут задерживаться в отдельных местах (например, между ветвями дендритов), соединяются там в молекулы и образуют пузырь, в который продолжают диффундировать атомы водорода. Скопление водорода вызывает повышение давления и увеличение объема пузыря. Такие пузыри, преодолевая действие веса жидкого металла и сил поверхностного натяжения, частично удаляются из сварочной ванны, но как только металл закристаллизуется, молекулярный водород из металла выделиться не сможет. Если такие пузыри не успевают выделиться из металла, они образуют в нем газовые поры и раковины. Кроме того, поскольку атомарный водород диффундирует в полости, заполненные газом, и после затвердевания металла шва, он соединяется там в молекулы, остается в этих полостях и вызывает повышение давления молекулярного водорода. В результате в металле создается напряженное состояние, что может способствовать возникновению микроскопических трещин, так называемых флокенов. Наличие на поверхности электродов слоя ионизирующего (обычно мелового) покрытия не изменяет характера процессов, идущих в дуге и сварочной ванне. Ионизирующее покрытие, которое наносится на поверхность электрода тонким слоем (вес покрытия 1,5- 2% от веса стержня), содержит легко ионизируемые вещества, назначение которых обеспечить высокую степень ионизации столба дуги, чтобы сделать горение дуги устойчивым. В качестве ионизирующих веществ используются соединения элементов щелочной и щелочно-земельной группы: мел, поташ, полевой шпат и т. д. Никакого влияния на протекание металлургических процессов в дуге и сварочной ванне эти вещества не оказывают в силу их малого количества. Небольшой объем сварочной ванны и кратковременность протекания реакций в процессе сварки приводят к тому, что не все начавшиеся реакции заканчиваются. Это не только затрудняет расчеты химического состава шва, но и приводит к его неоднородности, так как исключается возможность выравнивания химического состава за счет диффузии. Кроме того, это препятствует достаточно полному очищению металла сварочной ванны от различных окислов, неметаллических включений и газов. Неоднородность металла шва легко обнаруживается при послойном химическом анализе металла шва. При сварке электродами с толстым покрытием такая неравномерность химического состава возрастает. Добиться полной однородности химического состава металла шва практически не удается из-за малого объема сварочной ванны и кратковременности ее существования. Отмеченные выше неблагоприятные особенности металлургических процессов при сварке могут быть частично устранены применением специальных веществ (покрытий, флюсов, защитных газов), которые надежно защищают зону сварки от вредного действия воздуха и одновременно могут способствовать регулированию и улучшению химического состава и механических свойств металла шва.

Источники тепла при сварке

При сварке плавлением в качестве источников нагрева используется тепло электрической дуги или ацетилено-кислородного пламени. Оба источника характеризуются высокой концентрацией выделяемой теплоты, что обусловливает местный крайне неравномерный нагрев свариваемых изделий. Использование источников тепла, дающих местный неравномерный нагрев изделия, неизбежно вызывает ряд сопутствующих сварке специфических явлений, таких как, например, возникновение сварочных напряжений и деформаций или образование в основном металле вблизи шва зоны с измененной структурой. В связи с этим определенный интерес представляет вопрос о характере и степени нагрева изделия при сварке. В настоящее время благодаря теории, разработанной Н. Н. Рыкалиным, имеется возможность расчетного определения процессов распространения тепла при сварке. Электрическая дуга как источник тепла обеспечивает превращение электрической энергии в тепловую с резкой концентрацией тепла в небольшом объеме столба дуги. Центральный столб дуги окружен факелом газов, нагретых до более низких температур. В изделие тепло дуги вводится в пределах определенной ограниченной площади, называемой пятном нагрева. Наибольшая часть тепла вводится через еще меньшую площадь, через так называемые дуговые пятна, располагающиеся под центральным столбом дуги. С достаточной для практики точностью можно считать, что вся электрическая энергия дуги превращается в тепловую. Эффективная тепловая мощность дуги, т. е. часть тепла, идущая на нагрев изделия, меньше полной тепловой мощности дуги. Газо-кислородное пламя имеет свои особенности: нагрев изделия осуществляется теплом омывающих газов, поэтому пятно нагрева значительно больше, чем при нагреве дугой (при одинаковой эффективной тепловой мощности). Вследствие растекания газового потока пламя нагревает значительную по размерам область поверхности изделия (благодаря вынужденному конвективному и лучистому теплообмену). При этом в начале процесса, когда металл холодный, теплосодержание изделия нарастает наиболее быстро. По мере повышения температуры нагреваемой поверхности нарастание теплосодержания замедляется и стремится к некоторому пределу. Процесс теплообмена между пламенем и нагреваемой поверхностью тела стремится к предельному состоянию равновесия, при котором температура в любой точке тела постоянна. Концентрированность нагрева изделия в пределах пятна нагрева при использовании электрической дуги и ацетилено-кислородного пламени совершенно различна.

Принцип расчета процессов распространения тепла при сварке

В связи с тем, что основное практическое значение в условиях судостроения имеет дуговая сварка металлическим электродом, вопросы распространения тепла по теории Н. Н. Рыкалина излагаются применительно к этому источнику. Допустим, что известно, какое количество тепла поступает в металл. Необходимо установить, как это тепло распространяется в нем. Эта задача решается на основе использования методов теории теплопередачи. Теплопередача в твердом теле осуществляется за счет теплопроводности, определяемой законом Фурье, который гласит: «Тепловой поток через данную площадку пропорционален градиенту температуры по нормали к этой площадке». Знак минус относится к градиенту и означает, что через площадку прибывает тепло, так как поток тепла всегда направлен в сторону убывающей температуры, т. е. совпадает по направлению с отрицательным градиентом. Таким образом, закон Фурье связывает удельный тепловой поток, характеризующий перемещение тепла, с распределением температуры в теле. Если выделить в теле элементарный объем и определять количество тепла, протекающее через его грани, можно получить известное уравнение теплопроводности в дифференциальной форме. Уравнение теплопроводности по своему физическому существу связывает скорость изменения температуры в данной точке с распределением температуры в ее окрестностях. Оператор Лапласа выражает отклонение температуры данной точки от средних температур окружающих точек. Очевидно, что процессы распространения тепла при сварке должны удовлетворять дифференциальному уравнению теплопроводности и краевым условиям, т. е. начальному распределению температуры и условиям теплообмена на границах тела. При отыскании решения этого дифференциального уравнения теплопроводности, применительно к сварочному нагреву, необходимо учитывать условия, в которых происходит процесс распространения тепла при сварке. На процессы распространения тепла в изделии влияют следующие основные факторы: 1) размеры и форма свариваемых изделий; 2) теплофизические свойства металла; 3) условия теплообмена изделий с окружающей средой; 4) эффективная тепловая мощность, распределение теплового потока по поверхности металла и характер перемещения по изделию источника нагрева. Теплофизические свойства металла - коэффициент теплопроводности, коэффициент теплоемкости, коэффициент температуропроводности - значительно изменяются с изменением температуры. Если принимать их переменными, дифференциальное уравнение будет нелинейным и практически решить его будет трудно. Чтобы это уравнение было линейным и решаемым известным методом, делается допущение, что указанные коэффициенты постоянны. Однако, чтобы расчетные температуры лучше соответствовали действительным температурам, вызванным распространением тепла, величина коэффициентов принимается не для начальной температуры, а для температурного интервала 400-500° С. Кроме указанных условий, при создании расчетной схемы считается, что тепловой источник может быть мгновенно действующим или непрерывно действующим, а также неподвижным, подвижным и быстродвижущимся; в двух последних случаях считается, что источник движется равномерно. Расчетные схемы, построенные на указанных допущениях, позволяют с достаточной для практики точностью вести расчеты распространения тепла при сварке для области, лежащей вне шва.

Распространение тепла при действии мгновенных и подвижных сосредоточенных источников постоянной мощности

Если предположить, что тепло сосредоточено в элементарном объеме тела и приложено мгновенно, процесс распространения тепла во всем изделии, за исключением этого элементарного объема, может быть представлен в виде главного решения теории теплопроводности, в котором значение коэффициента подбирается из условия, что теплосодержание тела, нагретого мгновенным сосредоточенным источником, в любой момент процесса равно количеству тепла, сосредоточенному в начальный момент в мгновенно действующем источнике. Что касается граничных условий, то в силу допущения о форме изделий они могут не учитываться. Из формулы видно, что для массивного изделия, температура зависит только от радиуса-вектора и времени. Следовательно, она не зависит от направления радиуса-вектора, и поверхности равных температур являются полусферами. Коэффициент поверхностной теплоотдачи а характеризует интенсивность отдачи тепла поверхностью тела в окружающую среду (жидкость или газ). Этот коэффициент зависит: 1) от формы, размеров и физических свойств теплоотдающей поверхности; 2) от свойств окружающей среды; 3) от разности температур. Для случая теплоотдачи с поверхности стального листа в воздух принимают а=8-10 -4 кал/см2 сек°С. Как изменится решение дифференциального уравнения при действии сосредоточенного подвижного источника нагрева?Рассматриваемый случай соответствует процессу сварки, т. е. такому условию, когда к изделию приложен подвижный, непрерывно действующий источник тепла с постоянной эффективной мощностью. Ввиду сделанного ранее допущения о постоянстве коэффициентов однородное дифференциальное уравнение становится линейным. Поэтому, пользуясь принципом наложения, действие подвижного, непрерывно действующего источника нагрева (сварочной дуги) можно представить как сумму действия бесконечно большого числа элементарных, мгновенно действующих сосредоточенных источников. Имея решения, расчет температуры в точке в процессе распространения тепла от непрерывно действующего, подвижного источника постоянной мощности заменим расчетом температуры от действия ряда мгновенных сосредоточенных источников. Для этого весь период действия подвижного непрерывно действующего источника разбиваем на бесконечно малые элементарные промежутки и рассматриваем отдельные элементарные воздействия таких источников на теплопроводящее тело. Суммируя эти элементарные процессы, получим уравнение процесса распространения тепла при непрерывном действии подвижного источника постоянной мощности. Если следить за подвижным температурным полем, связанным с дугой или другим сосредоточенным источником тепла, можно заметить, что возникающая в начале нагрева область повышенных температур с течением времени увеличивается и достигает предельных размеров. Подвижное температурное поле, как бы насыщенное теплом сосредоточенного источника, только перемещается вместе с ним. Такое состояние процесса называется предельным, или установившимся.