Приварка шпилек и гибких упоров

Технология и оборудование для приварки крепежных изделий

При изготовлении различных сварных конструкций часто приходится сталкиваться с необходимостью выполнять сварные соединения типа «плоская деталь — штырь». Рассмотрим варианты изготовления такого соединения.

Сварные соединения типа «плоская деталь — штырь»

Такие конструкции используются, в частности, при изготовлении различи ных лючков и горловин, когда в качестве «штыря» выступает то или иное крепежное изделие, однако сфера распространения таких соединений гораздо шире. Как правило, применяют два варианта изготовления такого соединения. Первый вариант — приварка крепежного элемента (например, шпильки) ручной дуговой сваркой непосредственно на листовую конструкцию.

Второй вариант можно рассмотреть на примере горловины какой-либо емкости. Изготавливается наварыш, в котором сверлятся отверстия и нарезается резьба. Часто для этой цели используют стандартные фланцы для трубных соединений. Фланец приваривается круговым швом к отверстию горловины, затем в отверстия вворачиваются шпильки, которые фиксируются сварным швом или какимлибо герметиком. На горловину одевается крышка, отверстия которой совпадают с местами установки шпилек. Эскиз подобного узла приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Стандартное крепление крышки горловины
1 — наварыш (фланец), 2 — шпилька, 3— крышка горловины, 4— сварной шов

Второй вариант сварки таких узлов, особенно широко применяемый в строительстве, заключается в приварке ручной дуговой сваркой стандартных крепежных изделий (болтов, шпилек и т. д.) к стальным листам или профилям. Недостатки подобной технологии очевидны:

• низкое качество сварных соединений;
• несоблюдение перпендикулярности крепежных изделий по отношению к основе;
• разновысотность крепежных изделий;
• возможность «подгорания» резьбы (особенно при приварке крепежа малых диаметров и длин);
• большие затраты ручного труда.

Ниже приведен неполный перечень отраслей промышленности и типовых изделий, в которых встречаются соединения этого типа.

Судостроение: установка люковых закрытий, дверей, иллюминаторов, кабельных кронштейнов; крепление оборудования и механизмов на фундаменты и подкрепления; крепление изоляции помещений и палубного настила.

Транспортное машиностроение и автомобилестроение: крепление кабелей и проводов, декоративных панелей и облицовки, приборов и механизмов.

Строительство: крепление рельсов на подкрановых балках; крепление арматурных сеток под бетонирование на стальных конструкциях; изготовление и монтаж фундаментных и бетонных конструкций; закладные изделия железобетонных конструкций; монтаж стеновых панелей быстровозводимых зданий.

Машиностроение: котлы, аппараты и емкости для химической и пищевой промышленности; оборудование для вентиляции и кондиционирования воздуха; электрошкафы.
Металлургия: футеровка печей, котлов, дымоходов; укладка огнестойкого бетона, износостойкая и ударостойкая облицовка.

Попытки применения контактной (в частности, ударноконденсаторной) сварки при изготовлении подобных узлов не получили широкого распространения, потому что оборудование для контактной сварки имеет высокую энергоемкость, большие габариты непосредственно сварочных электродов, а также изза того, что не всегда есть возможность обеспечить надежный двусторонний прижим свариваемых деталей. Кроме всего прочего, при ударном варианте сварки затруднена приварка к листам малой толщины (менее 2–3 мм) изза возможной деформации листов.

Технологии крепления шпилек сваркой с подъемной дугой

Однако зарубежные машиностроители широко используют эффективную технологию и специализированное оборудование для получения сварных соединений подобного типа. Речь идет о технологии крепления шпилек сваркой с подъемной (вытягиваемой) дугой, называемой в англоязычной технической литературе stud welding drawing arc. Эта технология была разработана в Германии в 70х годах компанией Köco, а ее дочернее предприятие - фирма Köster GmbH - начало выпускать специальное оборудование для такой сварки.

Рис. 3. Схема приварки шпилек на оборудовании серии KST
а — установка шпильки на пластину; б— возникновение сварочного (дугового) зазора за счет подъема шпильки; в— возбуждение дуги; г— кристаллизация сварного шва
1 — цанга сварочного пистолета; 2— шпилька; 3 — опорный фланец шпильки; 4— контактный «хвос­тик»; 5— сварочный (дуговой) зазор

При применении технологии stud welding очень короткая сварочная дуга возбуждается за счет разности потенциалов между шпилькой и детальюосновой в момент разрыва контакта. Начало сварочного процесса похоже на начало стыковой сварки сопротивлением: свариваемые детали соприкасаются, после чего включается сварочный ток. Первоначальный нагрев деталей так же, как и при стыковой сварке сопротивлением, происходит за счет высокого сопротивления зоны контакта. Однако в отличие от стыковой сварки затем происходит разрыв контакта за счет поднимания шпильки. Это приводит к возникновению многочисленных микродуг, которые сливаются в мощный дуговой разряд, замкнутый в ограниченном пространстве между деталями и блуждающий по поверхности сечения шпильки. При этом разогрев деталиосновы более интенсивен и ведет к расплавлению зоны контакта основы и появлению сварочной ванны.

В конце цикла сварки шпилька погружается в сварочную ванну, частично при этом расплавляясь. После этого сварочный ток выключается и сварочная ванна кристаллизуется. Перемещение шпильки вверх в начале сварочного цикла и опускание ее в сварочную ванну обеспечивается рабочим органом сварочной установки (сварочным пистолетом), снабженным пружинной или гидравлической системой подъема/опускания.

Как и во всяком дуговом процессе, сварочная ванна при использовании технологии stud welding нуждается в защите от атмосферного воздуха. Поэтому применяют сварку с расплавляемым керамическим флюсовым кольцом и сварку в среде защитного газа (использовать можно стандартные сварочные газовые смеси). Разновидностью этой технологии является сварка с контактным поджигом (tip ignition), которую проводят с взрывным нарастанием сварочного тока по зазору или с контактным поджигом. Схематическое изображение вариантов stud welding приведено на рисунке 2.

Преимущества технологии stud welding

Крепление шпилек сваркой с подвижной дугой - современный и рациональный способ монтажа, который находит применение в различных областях промышленности. Преимущества технологии stud welding очевидны:

1. Высокое качество сварного соединения за счет образования сварочной ванны и «мягкого» режима ее кристаллизации.

2. Надежная и быстрая сварка по всему периметру шпильки.

3. Высокая производительность сварки за счет очень короткого цикла сварки (надо отметить, что многие производители оборудования для сварки шпилек с подвижной дугой указывают производительность в числе основных технических характеристик на своей продукции).

4. Простота технологии, отсутствие операций перфорирования, сверления, нарезания резьбы, заворачивания шпилек, клепки и т. д.

5. Выбор различных комбинаций материалов.

6. Различные положения шпилек и основы в пространстве.

7. Снижение деформаций основы изза минимального и контролируемого тепловложения в металл.

8. Гарантированная перпендикулярность приваренных шпилек по отношению к основе, их одинаковая высота, отсутствие деформаций резьбы.

9. Отсутствие или очень небольшие повреждения стороны основы, обратной приварке.

10. Гарантированная плотность (герметичность) конструкции.

11. Достаточность доступа к одной стороне основы.

Применение технологии stud welding и оборудования фирмы Kоco/Kоster одобрено международными стандартами EN ISO 14555 и EN ISO 13918.

При выборе материала шпилек в зависимости от материала основы можно воспользоваться рекомендациями таблиц 1 и 2 (обозначение сталей приведено по европейским стандартам). Рекомендации по выбору конкретного технологического процесса stud welding приведены в таблице 3.

1) при диаметре шпильки до 10 мм применять сварку в защитном газе; 2) сварка только на коротком цикле; 3) только при диаметре шпильки до 10 мм
Подходящие случаи сварки: a — подходит для любых соединений, включая работающие при переменных нагрузках; b — ограниченное применение для соединений, ра­ботающих при переменных нагрузках; c — применяется в основном для соединений, работающих при перепаде температур; «-» — не подходит для сварки. Обозначение сталей приведено по европейским стандартам.

Свариваемость: 1 — хорошая,
2 — приемлемая (в зависимости от требований — например, для работы при знакопеременных нагрузках),
«-» — не подходят для сварки

Виды используемого оборудования

Сегодня оборудование фирмы Köco/Kоster известно практически во всех европейских странах и широко используется в промышленности и строительстве. Для различных методов сварки и различных условий применения выпускаются три серии оборудования.

Серия KST — малогабаритные ин-верторные источники питания, в которых поджиг дуги происходит за счет мгновенного плавления контактного «хвостика» приварного изделия разрядом мощной конденсаторной батареи. Энергия, накопленная конденсатором, концентрируется в сжигаемом контактном «хвостике» приварного изделия. После сгорания «хвостика» возникает дуга, расплавляющая торец шпильки и поверхность основной детали. Расплавленный торец шпильки погружается в сварочную ванну, дуга гаснет и конденсаторная батарея полностью разряжается. Достигается полностью монолитное соединение материала шпильки и основной детали, имеющее мелкозернистую структуру. При выборе сочетаний материалов основы и приварных изделий можно использовать данные таблицы 2.

Поскольку мощность источников питания серии KST невелика (см. табл. 4), их применение в основном ограничено приваркой крепежа небольших диаметров в приборостроении и автомобилестроении.

Серия Elotop предназначена в основном для использования в монтажных условиях. Источник питания серии Elotop состоит из трехфазного трансформатора напряжения, полностью управляемого тиристорного выпрямительного моста с постоянным регулированием тока, дополнительно включаемого сглаживающего дросселя и блока электронного управления. Источники серии Elotop обеспечивают полное управление процессом сварки, включая:

• нарастание сварочного тока;
• высоту подъема приварного изделия (соответствует длине дуги);
• сварочный ток;
• время расплавления (протекания
  сварочного тока);
• скорость и глубину погружения приварного изделия в сварочную ванну;
• режим плавного снижения сварочного тока и время кристаллизации.

Система самодиагностики источников серии Elotop включает в себя:

• контроль температуры силового трансформатора и тиристорного выпрямителя;
• контроль напряжения питания;
• контроль тока короткого замыкания.

Сварочные пистолеты Classic (табл. 5) для серии источников Elotop служат для создания дугового промежутка между болтом и основным материалом и для соединения обеих сварочных ванн после окончания времени сварки.

При этом имеется две программы. Пистолеты от K 22 до K 26 имеют балансировку длины, то есть независимо от установочного выступа, общепринятого допуска длины болта и небольших отклонений от вертикального положения болта по отношению к основному материалу гарантирована предварительно выбранная высота подъема (длина дуги). Но требуемое для этого сцепление работает при очень коротком времени сваривания не достаточно быстро (менее 100 миллисекунд). Поэтому специально для кратковременного сваривания болтов предлагаются пистолеты SK 12 без балансировки длины. Они используются прежде всего тогда, когда болты имеют очень незначительный допуск длины и условия металлического покрытия пистолета постоянны.

Подъем (длина электрической дуги) и установочный выступ — важные параметры при приварке болтов. Они могут быть выбраны в существенной степени в зависимости от диаметра болта. Положения приварки или поверхностная структура основного материала могут потребовать изменений. Тогда подходящие данные должны быть установлены опытным путем.

Подъем (длина электрической дуги) существенно определяет форму плавления болта. При сильных отклонениях от оптимального значения могут образоваться усадочные раковины в зоне плавления. При слишком маленьком подъеме (длине электрической дуги), кроме того, повышается число коротких замыканий от капель, которые, как следствие, вызывают неспокойный режим сваривания. Установочный выступ (рис. 2) определяет форму болта. Здесь можно, особенно при приварке на вертикальной стене, отклониться от табличных данных. При очень маленьком размере погружения имеются поры или отличия в зоне сваривания. При очень большом размере погружения брызжет сварочная ванна при погружении болта в сторону и вверх, так что в неблагоприятных случаях болт тем самым блокируется по ходу вниз.

Наиболее современными являются источники питания для приварки крепежа фирмы Kоco/Kоster Серии 03, являющиеся первыми в мире источниками подобного типа, построенными на основе инверторного выпрямителя с синергетическим управлением. Источники питания Серии 03 позволяют производить сварку внутри керамического флюсового кольца, в газовой защите или контактным методом (поджигом контактного «хвостика» приварного изделия).

Новые сварочные пистолеты серии КЕ полностью интегрированы в цепь электронного управления источником питания и имеют микропроцессорное управление подъемом/опусканием поршня. Таким образом, скорость и глубина подъема/опускания поршня не зависят от тока, протекающего в пистолете, а полностью контролируются микропроцессором блока управления источника питания. Качество сварки соответствует требованиям DIN 8563, часть 10.

Все параметры сварки вводятся с помощью удобного пользовательского меню, запоминаются и отображаются на ЖК-дисплее. Система управления позволяет устанавливать ток сварки, время сварки, время продувки защитного газа до сварки, высоту подъема поршня, глубину погружения привариваемой шпильки. Блок памяти позволяет запоминать до 40 параметров сварки и имеет систему сообщения об ошибках сварки с самоблокировкой. Все данные могут быть перенесены на ПК или принтер.

Сварочный пистолет КЕ 24 с износостойким механизмом воспроизводит параметры подъема/опускания поршня, погружения и расплавления шпильки независимо от ее массы и в любом пространственном положении.
Все источники питания размещены в прочных погодозащищенных стальных корпусах, установлены на поворотных колесах и имеют рукоятки для перемещения и рым-болты для подъема. Оборудование имеет класс защиты IP 23, класс охлаждения F, класс изоляции Е, что позволяет использовать его в тяжелых условиях (например, в крупносерийном производстве или на строительных площадках).

Структура меню и опции управления источников питания Серии 03 позволяют производить:

1. предварительную установку параметров на мембранной пыле- и влагозащи-щенной ударопрочной клавиатуре;
2. запоминание параметров:
   • ток сварки,
   • время сварки,
   • время продувки защитного газа до сварки,
   • высота подъема поршня,
   • глубина погружения шпильки;
3. индикацию всех данных на ЖК-дисплее;
4. ввод назначения и разновидности привариваемого крепежа через интерфейс;
5. выбор желательных параметров сварки по базе данных;
6. установку окна меню поверх используемого.

Система управления Серии 03 включает в себя встроенные часы реального времени, встроенный календарь до 2091 г., серийный интерфейс для ПК и принтера.

Система мониторинга отслеживает в режиме реального времени следующие параметры режима сварки:

• ток сварки;
• время сварки;
• напряжение дуги;
• энергию дуги (потери в кабелях учитываются микропроцессором при установке напряжения);
• скорость и глубину погружения шпильки в сварочную ванну;
• порядковый номер, дату, время сварки.

В случае возникновения ошибок при сварке система управления выдает информацию об ошибке на ЖК-дисплей, блокирует дальнейшую работу, и возобновление работы возможно только после исправления ошибки.

Оборудование для приварки крепежа Серии 03 наиболее целесообразноприменять в тех случаях, когда необходимо приваривать большое количество разнообразных крепежных изделий на одну основу. При этом нет необходимости каждый раз переналаживать источник питания, а достаточно только менять уже установленные программы сварки. Кроме того, качество сварки практически не зависит отквалификации рабочего и условий сварки.

Валерий Райский.

Назад