Современные способы сварки металлоконструкций

В данной статье будут рассмотрены оборудование и технологии, не являющиеся технически принципиально новыми, однако их применение значительно повышает производительность выполнения сварки и резки на этапе подготовительных и монтажных работ. В современном строительстве применяется значительное количество разнообразных металлоконструкций различных толщин — от тонкого оцинкованного листа толщиной 0,5 мм (применяемого при изготовлении вентиляционных систем) до массивных стальных изделий толщиной 25—30 мм, используемых в виде балок, опор и т. д. Работа с жесткой арматурой, изготовление строительных металлоконструкций и оснастки, ремонт строительной техники неизбежно содержат операцию резки металлических (как правило, стальных) заготовок. При этом резка может выступать как самостоятельная (конечная), так и подготовительная операция перед сборкой или сваркой, от качества выполнения которой зависит производительность процесса в целом. Работа с заготовками малой (до 5 мм) толщины затруднений, как правило, не вызывает (особенно если форма деталей проста). Резы выполняются гильотинными ножницами, отрезными кругами, виброножницами и т. д. Резка деталей больших толщин (10—30 мм) обычно выполняется при помощи кислородно-ацетиленовой резки; качество и скорость резки при этом получаются относительно невысокими (десятимиллиметровая сталь режется со скоростью 400 мм/мин.), в значительной степени зависящими от квалификации резчика. Для увеличения скорости резки расход газов приходится увеличивать. Несомненными достоинствами кислородно-ацетиленовой резки являются простота ее применения и низкая стоимость оборудования, что делает этот вид резки привлекательным для организаций, выполняющих относительно небольшие объемы резательных работ. Значительно более производительной (на толщинах до 40—50 мм) является технология воздушно-плазменной резки, прежде всего за счет более высокой скорости резки (десятимиллиметровая сталь режется со скоростью 600—1800 мм/мин.). Воздушно-плазменная резка универсальна, она позволяет производить резку любых черных и цветных металлов и сплавов на одном и том же оборудовании без переналадки (см. табл.). При этом рабочим газом является сжатый атмосферный воздух (подаваемый от компрессора), и необходимость транспортировки, хранения и зарядки кислородом и ацетиленом газовых баллонов отпадает. Сущность процесса воздушно-плазменной резки состоит в локальном расплавлении металла в зоне реза и выдувании его потоком обжатой воздухом электрической дуги, температура которой достигает 15 000—25 000 оС. Высокая концентрация энергии в зоне реза обеспечивает малую ширина реза (при толщине заготовки 20 мм ширина реза не более 2,5 мм), хорошее качество кромок без наплывов и грата (чистота реза позволяет производить сварку заготовок без механической обработки) и отсутствие коробления (даже на листовых заготовках малой толщины). Резкое повышение эффективности труда, реализация схем экономичного раскроя выгодно отличают воздушно-плазменную резку от традиционной кислородно-ацетиленовой. Благодаря низкой себестоимости, универсальности и высокому качеству реза, воздушно-плазменная резка металлов широко применяется (активно вытесняя кислородно-ацетиленовую резку) во всех промышленно развитых странах Западной Европы, в США и Японии, где за последние два десятилетия была создана целая гамма оборудования и приспособлений для воздушно-плазменной резки. Конструктивно установка воздушно-плазменной резки состоит из источника питания (как правило, трехфазного) и исполнительного органа — плазменной горелки (плазмотрона), соединенной с источником питания гибким кабель-шланговым пакетом (обычно 5—12 м длины). �сточник питания, в свою очередь, подключается к электрической сети и воздушной магистрали или непосредственно к компрессору. Внутри плазмотрона находится катод — небольшая деталь цилиндрической формы, соединенная с отрицательным полюсом источника питания. Сопло, также находящееся внутри плазмотрона, соединено с положительным полюсом источника питания через токоограничительный резистор. В торце сопла имеется калиброванное отверстие, диаметр которого может варьироваться от 1,0 до 1,9 мм. �сточник питания содержит также осциллятор, позволяющий бесконтактным способом зажечь электрическую дугу между катодом и соплом. После возбуждения дуги поток сжатого воздуха обжимает ее и заставляет выйти из отверстия сопла. Дуга, горящая между катодом и соплом, называется косвенной (дежурной, пилотной) дугой; она нужна лишь для возбуждения основной дуги. При касании электрической дугой обрабатываемого изделия, также соединенного с положительным полюсом выпрямителя источника питания, косвенная дуга переходит в основную, которая горит между катодом и изделием, проходя через отверстие сопла. �менно сочетание косвенной дуги на начальном этапе резки и основной в процессе работы позволяет не только резать чистые листы из черных и цветных металлов, но также обрабатывать изделия, покрытые лаками, красками и ржавчиной. До середины 90-х годов практически все установки воздушно-плазменной резки, работающие на толщинах до 35-40 мм, импортировались. В основном это были такие установки, как Air Plasma 40—90 (Ozas, Польша), Superplasma 90/3, -120/3 (Telwin, �талия), Plasma Prof 92, -122 (Cebora, �талия). В настоящее время импортную плазменную технику начинает вытеснять оборудование, разрабатываемое и серийно производящееся как хорошо известными заводами («Сэлма», Симферополь; «Электрик», Санкт-Петербург), так и новыми предприятиями («Технотрон», Чебоксары, «Спецэлектромаш», Санкт-Петербург). Эти установки отличаются небольшим весом (до 130—140 кг) и габаритами (можно сравнить с габаритами трансформатора типа ТДМ-401); в качестве рабочего органа применяются плазмотроны импортного производства (как правило, немецкие или итальянские). �спользование современных плазменных горелок позволило при небольших выходных токах (порядка 30—140 А) разрезать с высоким качеством и хорошей скоростью черную сталь до 50 мм толщины (соответственно, нержавеющую сталь — до 40 мм, алюминий — до 30 мм). Для получения необходимого качества реза и скорости, удобной для резчика, современные установки воздушно-плазменной резки малой мощности имеют несколько токовых режимов (как правило, 2—3), которые обеспечиваются ступенчатым регулированием (значительно реже — плавным электронным). Подаваемый в установку сжатый атмосферный воздух участвует в процессе плазмообразования, а также охлаждает элементы рабочей камеры плазмотрона. Для подготовки и контроля сжатого воздуха установки воздушно-плазменной резки содержат необходимый набор пневмоустройств, в который обычно входят: манометр, масловлагоотделитель, редуктор, реле давления, пневморас-пределители, редуцирующий клапан. Обеспечение высокого качества сжатого воздуха при достаточно большом его расходе (120-220 л/мин. при 0,4—0,6 МПа) — одна из главных задач при эксплуатации установки воздушно-плазменной резки, т. к. от этого напрямую зависят стойкость катодов и сопел, стабильность поджига дуги, скорость и качество реза. Подаваемый воздух должен быть чистым, без влаги и масла, подача — равномерной, без пульсаций. Для очистки воздуха применяются фильтры (масловлагоотделители) и холодильники с конденсатоотводчиками, для сглаживания пульсаций — ресиверы (обычно на 100—150 л), установленные рядом с постом, и редукторы. Удобство работы, качество реза, стойкость сменных элементов и, в конечном итоге, стоимость эксплуатации поста воздушно-плазменной резки зависят от конструкции применяемого плазмотрона. Основными элементами плазмотрона (см. рис. 1) являются: катод (1) с гафниевой вставкой, керамический диффузор (2) (обеспечивающий закрутку воздушного потока), сопло (3) с калиброванным отверстием (d=1,0—1,9 мм), изолирующая насадка (4), головная часть (5) и кабель-шланговый пакет (6) с рукояткой (7) эргономической формы. Катод и сопло являются расходуемыми элементами, их ресурс зависит от целого ряда факторов: конструкции и точности изготовления плазмотрона, качества сжатого воздуха, химического состава и толщины разрезаемого металла, правильности выбора режима резки и т. д. В качестве примера можно рассмотреть установку УПР-907М . Она предназначена для резки малых и средних толщин (низкоуглеродистая сталь — до 35 мм, алюминий — до 25 мм включительно), применяемых в машиностроении, производстве металлоконструкций, монтаже трубопроводов, котельных и т. п. Трехфазный источник питания имеет массу 115 кг и, для удобства перемещения, снабжен поворотными колесными опорами. Для выполнения резки в ручном режиме установка комплектуется плазмотроном А.90 (Trafimet, �талия), в случае применения в газорезательных машинах поставляется автоматический плазмотрон Р.90 (Trafimet, �талия) и выносной пульт управления. Применение этих плазмотронов обеспечивает высокопроизводительную (десятимиллиметровая низкоуглеродистая сталь режется со скоростью 1400 мм/мин.) и качественную резку (ширина реза — не более 2—3 мм). Наличие трехступенчатого регулятора тока резки, осциллятора и режим «мягкого» поджига дежурной дуги позволяет не только подобрать оптимальную скорость резки различных толщин, но и сократить износ катодов и сопел. Установка УПР-1507 представляет собой усиленный вариант УПР-907М (она также оснащена и более мощным плазмотроном) и предназначена для резки не только малых, но и больших толщин (низкоуглеродистая сталь — до 55 мм, алюминий — до 30 мм включительно) с большой производительностью. Например, черная сталь толщиной 10 мм режется со скоростью 1800—2000 мм/мин. Обе модели установок снабжены аппаратурой подготовки сжатого воздуха, удобной световой индикацией режимов и системой блокировок, не позволяющей случайно вывести установку из строя. Непосредственно сам процесс воздушно-плазменной резки на описываемых установках предельно прост и выглядит следующим образом. После включения источника питания в сеть и подачи сжатого воздуха в пневмомагистраль установки следует поднести плазмотрон к обрабатываемому изделию на определенное расстояние и нажать на кнопку, находящуюся на рукоятке, давая тем самым сигнал управления для начала процесса. Расстояние между обрабатываемым изделием и соплом плазмотрона легче всего обеспечивается при помощи каретки (8) (см. рис. 1) и составляет 2—4 мм. Головную часть плазмотрона необходимо держать строго вертикально к поверхности изделия; скорость перемещения должна соответствовать разрезаемой толщине, а само перемещение плазмотрона вдоль линии реза должно быть плавным и равномерным. Вообще, скорость перемещения плазмотрона оказывает решающее влияние на качество реза. При правильно выбранной скорости рез получается ровный, узкий (ширина не более удвоенного диаметра сопла), без «выхватов»; кромки реза — без скруглений; поверхности края — гладкие или с небольшими бороздками, направленными почти вертикально. Грат легко удаляется с нижней кромки реза пассатижами или одним-двумя ударами молотка. С таким качеством можно резать металл до толщины, составляющей 75—85% от предельно возможной. В паспорте на установку обязательно приводятся рекомендуемые скорости резки для различных толщин. В отличие от резки кислородно-ацетиленовой горелкой, технология воздушно-плазменной резки не требует предварительного прогрева заготовки в самом начале реза; большие толщины просто режутся с меньшей скоростью. Для наиболее эффективной организации труда резчика в стационарных цеховых условиях (например, завод ЖБ� или ДСК) изготавливается специальный раскроечный стол, оснащенный местным освещением и нижним отсосом достаточной мощности. Раскроечный стол представляет собой рамную конструкцию прямоугольной формы, выполненную из стального сортового уголка. Верхняя плоскость стола открытая, на ней имеются крепежные приспособления для установки поперечных сменных ножей с шагом 100—150 мм. Сменные ножи изготавливаются из стальной (или алюминиевой) полосы толщиной 5—10 мм, с верхней кромки сменных ножей снимается фаска. � в монтажных, и в цеховых условиях хороший эффект дает использование различных шаблонов, линеек и других простейших приспособлений, позволяющих вырезать детали без разметки. Если необходимо нарезать детали простой формы и при этом требования к качеству относительно невысоки, можно осуществить пакетную резку. Листы металла складываются в пакет и стягиваются струбцинами, суммарная толщина должна быть не более 75% от предельной толщины разрезаемого металла, указанной в паспорте на установку. При большом объеме одинаковых заготовок целесообразно процесс резки механизировать. Механизированная резка по сравнению с ручной исключает операцию разметки, уменьшает припуски; при этом обеспечивается более высокая и, что самое главное, равномерная скорость резки, что положительно влияет на качество заготовок. Наиболее просто автоматизировать процесс воздушно-плазменной резки можно при помощи машин для механизированной газовой резки шарнирного типа (АСШ-2, «Огонек» и др.). Эти машины предназначены для резки заготовок относительно небольшого габарита; занимают минимальную рабочую площадь, просты в обслуживании и не требуют больших затрат на эксплуатацию. В основе системы контурного управления лежит магнитный копир, изготовленный из 6—8 мм стального листа в масштабе 1:1. Переделка машин сводится к демонтажу газовых рукавов и незначительной доработке держателя горелок таким образом, чтобы заменить кислородно-ацетиленовую горелку плазмотроном так называемого «автоматического» (или «карандашного») типа. Установка включается резчиком с выносного пульта управления, скорость перемещения можно плавно регулировать.