Как снизить затраты на обработку с ЧПУ?

Обработка с числовым программным управлением (ЧПУ) – это производственный процесс, в котором запрограммированное компьютерное программное обеспечение диктует движение инструмента и механизмов. Станки с ЧПУ бывают разных форм, наиболее распространенными являются 3-, 4- и 5-осевые станки с ЧПУ. С каждой дополнительной осью свободы увеличивается сложность деталей, которые могут быть изготовлены. Мы рассмотрим эти 3 типа станков с ЧПУ далее в этой статье.

Введение.

С начала 1900-х годов традиционные методы производства были заменены машинами. Работа, которая раньше требовала квалифицированного труда для управления отдельными станками для каждого процесса, такими как токарный станок, сверлильный станок, фрезерный станок и т.д., теперь может быть выполнена с помощью одного станка с ЧПУ, программируемого компьютером. В производстве с ЧПУ станки управляются с помощью числового программного управления (ЧПУ), при котором для управления объектом задается программа.

Сегодня обработка на станках с ЧПУ стремительно набирает популярность в промышленности, поскольку все больше предприятий переходят на автоматизированный рабочий процесс, заменяя ручной труд машинами и человекоподобными роботами. Это привело к росту спроса на детали, обработанные по индивидуальному заказу. Однако эти заказные работы несут с собой целый ряд проблем, которые многие компании не учитывают до тех пор, пока с ними не столкнутся машинисты. Мы собрали в этой статье некоторые из наиболее распространенных проблем, чтобы помочь вам подумать, прежде чем обращаться в машиностроительные предприятия со своими уникальными идеями.

Предполагается, что заказные детали – это детали, которые уникальны и, следовательно, их количество невелико. Они могут быть или не быть очень сложными.

Более высокие затраты на настройку.

Логично, что детали с меньшим количеством заказов (< 10 штук) будут стоить дороже в пересчете на штуку по сравнению с заказами большого объема. Основная причина этого – первоначальные затраты на настройку. Все механические цеха имеют фиксированную ставку не только на работу станков, но и на каждую переналадку, необходимую в процессе обработки. Давайте проиллюстрируем это на примере.

Например, одна деталь, требующая обработки двух отдельных граней, потребует двух отдельных переналадок на обычном 3-осевом станке с ЧПУ (наиболее распространенный вариант). Если предположить, что каждая переналадка стоит $40, а стоимость работы – $40, то для одной детали общая стоимость составит $120. Теперь рассмотрим, если эту же деталь необходимо изготовить в количестве 10 штук. Общая стоимость двух переналадок и работы остается на уровне $120, поскольку каждый из 10 блоков может быть загружен в то же приспособление, что и для первой детали. Даже если к каждой из 10 деталей будет применена плата за обработку в размере $10, общая стоимость подготовки к работе составит $220, то есть $22 за деталь.

Ни одна из цен в приведенном примере не является репрезентативной для рынка и приведена исключительно в целях пояснения. Хорошо видно, что если бы нужно было изготовить только одну деталь, то стоимость наладки была бы почти в 6 раз дороже за штуку по сравнению с большим заказом из 10 таких деталей.

Вывод: нестандартные детали по своей природе будут дорогими, и нередко цены на менее чем 10 деталей более чем в два раза превышают цены, которые вы ожидаете, основываясь на прошлом опыте оптовых заказов.

Рост цен на материалы

Covid-19 оказал значительное влияние на всю нашу жизнь и каждую отрасль промышленности в мире. Мир обработки также сильно пострадал: цены меняются иногда до двух раз в неделю и никогда не снижаются. Одним из, если не самым важным критерием при составлении предложения является цена на требуемое сырье. Поскольку цены резко растут каждую вторую неделю, это означает, что котировки действительны в течение гораздо более короткого периода времени. Кроме того, запасы материалов поступают гораздо быстрее, поскольку многие заказы еще не выполнены. Это означает, что базовая цена на одну и ту же деталь постоянно меняется.

Вывод: большинству компаний, а также правительственным организациям требуется несколько предложений для сравнения, однако решение должно быть принято быстро. Промедление может обойтись вам очень дорого.

Стандартные размеры сырья

В продолжение предыдущего пункта о росте цен на материалы, сырье также массово производится в определенных стандартных размерах. Нехватка сырья в цепочках поставок из-за пандемии, а также резкий рост цен означают, что у вашего надежного поставщика может больше не оказаться на складе стандартных металлических труб или металлических листов.

Кроме того, ваш поставщик, скорее всего, сохранит все имеющиеся у него материалы для выполнения крупных заказов. Это делается для того, чтобы минимизировать потери, а также предложить лучшие цены. Кроме того, поставщик может не захотеть приобретать складской материал по вашему запросу, если имеющийся у него материал не может удовлетворить ваши потребности.

Например, если оператору требуется купить стальную трубу, которой нет на складе, ваше требование о покупке одной детали, длина которой составляет менее четверти имеющейся длины трубы, не имеет экономического смысла для поставщика принимать заказ. Это также будет очень дорого для вас, так как вам придется нести расходы на всю имеющуюся трубу, поскольку нет никакой гарантии, что этот материал когда-либо будет использован другим клиентом или заказом.

Вывод: есть несколько способов обойти проблемы, связанные с материалом. Самый простой – предоставить материал со склада за свой счет. Это позволит поставщику сэкономить на стоимости материала и повысит ваши шансы на принятие заказа, так как неиспользованный материал больше не является обязательством для вашего поставщика. Другой вариант – сохранять гибкость в отношении конструкции детали. Будьте готовы к изменениям в определенных размерах и толщине материала, чтобы поставщик мог изготовить вашу деталь из материала, который уже имеется в наличии.

Заключение.

Нынешняя ситуация может быть исторической аномалией, но ее последствия не заставят себя ждать. Поскольку цепочки поставок адаптируются к рационализации процессов и адаптации к индивидуальному производству “точно в срок”, в обозримом будущем произошедшие изменения будут продолжать увеличивать производственные затраты в целом и требования к индивидуальному производству в частности. Однако, если вы примете к сведению упомянутые в этой статье моменты, вы точно убережете себя от шокирующих и неожиданных результатов.

Фрезерная обработка с ЧПУ: что это такое и как это может улучшить ваш бизнес.

Обрабатывающая промышленность является основой любой экономики. Хотя она всегда играла важную роль, производственные отрасли уже не работают так, как много лет назад. Такие изменения можно объяснить развитием технологий, таких как автоматизация и робототехника, которые полностью меняют способы выполнения операций.

Одной из таких технологических разработок, кардинально изменивших производственные процессы, является фрезерная обработка с ЧПУ (числовое программное управление). ЧПУ – это производственный процесс, в котором заранее запрограммированное компьютерное программное обеспечение управляет движением машин и инструментов. Ожидается, что до 2026 года темпы роста отрасли ЧПУ составят 5,9%, что свидетельствует о её популярности.

Фрезерная обработка с ЧПУ, в частности, использует эти средства управления и вращающиеся многолезвийные режущие инструменты (фрезы) для удаления материала с заготовки и изготовления деталей по индивидуальному заказу.

Как используется ЧПУ?

Фрезерование с ЧПУ – это всего лишь один из аспектов обработки с ЧПУ, и, на самом деле, ЧПУ используется для бесчисленных других применений с широким спектром материалов, таких как дерево, титан, алюминий, нержавеющая сталь, серебро и синтетические материалы, поликарбонат.

Некоторые из его наиболее распространенных задач включают:

  • Токарная обработка;
  • Расточка;
  • Контурная обработка;
  • Сверление;
  • Шлифование;
  • Обрезка;
  • Нарезание резьбы;
  • Сварка.

Преимущества производства продукции фрезерной обработкой с ЧПУ.

Снижение трудозатрат .

Фрезерная обработка с ЧПУ требует только одного оператора, чтобы обеспечить бесперебойное выполнение производственного процесса. Это не трудоемкий процесс, а значит, ваши сотрудники могут использовать свои навыки в других областях, требующих большего внимания.

Это особенно важно в тех областях, где требуется человеческий контакт. Если у вас мало сотрудников в производственном отделе, вы можете нанять больше людей в таких отделах, как обслуживание клиентов, которые могут выиграть от ручного труда.

Снижение затрат .

Создание первоклассного продукта предполагает длительный процесс создания прототипов. Хотя это эффективно, это также дорого, поскольку прототипирование – единственный способ убедиться в том, что ваш продукт бракованный или нет. Оборудование с ЧПУ устраняет необходимость в создании прототипов, поскольку оно в значительной степени исключает человеческий фактор и обладает огромными возможностями.

Кроме того, использование фрезерного оборудования с ЧПУ значительно повышает эффективность вашего бизнеса, включая общую эффективность, производительность и эффективное использование ресурсов. Все эти факторы помогают вам снизить себестоимость вашей продукции или услуг.

Более низкие затраты, могут привести к эффективному масштабированию и могут быть использованы для создания конкурентного преимущества в вашей отрасли. Таким образом, когда вы экономите деньги в одной области, вы можете использовать тот же капитал для реинвестирования в свой бизнес и расширения деятельности.

Снижение количества брака.

Где бы ни присутствовал человек или ручной труд, как бы хорошо он ни выполнял задачу, всегда есть возможность для ошибки. Работникам приходится делать перерыв, и даже незначительное отвлечение может повлиять на качество и последовательность операций.

Поскольку станки с ЧПУ работают по цифровому шаблону, такой производственный процесс обеспечивает большую однородность и последовательность. Это особенно полезно для производственных предприятий, выпускающих продукцию в огромных масштабах.

Фрезерная обработка с ЧПУ позволяет получить точный продукт, гарантируя тем самым, что все производимое соответствует требуемым спецификациям. Эти станки отличаются высокой точностью, что делает фрезерование с ЧПУ особенно ценным, если вам требуется постоянство и качество.

Повышение безопасности.

Безопасность на рабочем месте – залог бесперебойной работы, а работа в тесном контакте со станками иногда может привести к травмам, связанным с работой. Хотя наем квалифицированных специалистов, специализирующихся на конкретном станке, может помочь снизить вероятность травм, фрезерные станки с ЧПУ также помогают в этом.

Хотя оператор управляет процессами ЧПУ, они контролируются на расстоянии, обеспечивая минимальный личный контакт со станком. Благодаря меньшему воздействию острых инструментов ваши работники с меньшей вероятностью могут получить травму во время работы.

Большая производительность.

Станки с ЧПУ обеспечивают более высокую производительность, поскольку работают автоматически, без вмешательства человека. Они не нуждаются в постоянном контроле оператора, тем самым автоматизируя трудоемкие и технические процессы.

Поскольку компьютер управляет станками, в результате автоматизации повышается точность и скорость, с которой ваш бизнес может создавать прототипы. Автономная обработка и цифровой шаблон исключают возможность человеческой ошибки, что позволяет тратить время на исправление ошибок и управление производственными процессами на другие цели.

Универсальность.

Возможно, одним из самых больших преимуществ фрезерной обработки с ЧПУ является ее универсальность. Он может работать в различных условиях и поможет вам изготовить распорки, втулки, валы, коллекторы, штампы и другие детали. Широкий спектр функций станка позволяет использовать его для создания любых деталей.

По сути, вам нужен только конструктор, который поможет вам создать шаблон изделия, которое вы хотите изготовить. Используя комбинацию механизмов, таких как фрезерные агрегаты для резки и сверления материала и токарные агрегаты для вращения материалов, оборудование с ЧПУ достаточно гибко для работы с различными видами деталей.

Благодаря своей универсальности, станки с ЧПУ используются для производства деталей для различных отраслей промышленности, таких как аэрокосмическая, автомобильная, строительная, электронная, стоматологическая, а также для производства продуктов питания и напитков. Кроме того, перепрограммирование станка с ЧПУ не занимает много времени, поэтому его можно легко перенастроить для производства совершенно нового продукта. Благодаря этому технология отлично подходит как для коротких, так и для длинных производственных циклов, поскольку вы можете изменить программу без особых затрат.

Заключение.

Как уже отмечалось, фрезерная обработка с ЧПУ может принести множество преимуществ вашему бизнесу. Вы можете повысить производительность, эффективность, безопасность и снизить общие затраты. Благодаря своей безупречной универсальности, фрезерная обработка с ЧПУ открывает бесконечные производственные возможности. Благодаря огромной скорости и точности она может помочь вашему бизнесу увеличить прибыль.

Фрезерная обработка с ЧПУ – это задача, которую стоит решить любому производственному предприятию. Проконсультировавшись с профессионалом, вы сможете определить лучший выбор для вашего бизнеса и гарантировать, что ваша компания будет пользоваться преимуществами этой технологии долгие годы.

Оборудование сварочного поста для ручной дуговой сварки

Рабочее место сварщика — это сварочный пост (рис. 1), который ос­нащен необходимым инструментом и оборудованием для выполнения работ.

Сварочный пост для ручной сварки
Рис. 1. Сварочный пост для ручной сварки:
1 – сеть электрического питания; 2 – рубильник или магнитный пускатель; 3 – источник питания; 4 –сварочные провода; 5 – электродо-держатель; 6 – зонд местной вытяжки
воздуха

Сварочные посты могут быть оборудованы как в производствен­ном помещении, так и на открытой производственной площадке (строительно-монтажные условия рабо­ты). В зависимости от условий рабо­ты сварочные посты могут быть стационарными или передвижными.

Сварочные посты необходимо размещать в специальных сварочных кабинах.

В кабинах в качестве источников питания размещаются наиболее распространенные однопостовые сва­рочные трансформаторы типа ТДМ для сварки на переменном токе, или сварочные выпрямители типа ВД или ВДУ для сварки на постоянном токе.

Применяются также и многопос­товые источники питания на не­сколько независимых постов.

Кабина сварочного поста должна иметь размеры: 2(1,5) или 2(2) м и высоту не менее 2 м. В кабине устанавливается металлический стол, к верхней части кабины подводится зонд местной вытяжки воздуха от вентиляционной системы. В столе предусматриваются выдвижные ящики для хранения необходимого инструмента и приспособлений.

Сварочный пост комплектуется источником питания, электрододержателем, сварочными проводами, зажимами для токонепроводя­щего провода, сварочным щитком с защитными светофильтрами, различными зачистными и мерительными инструментами.

Сварщики обеспечиваются средствами личной защиты, спец­одеждой.

Электрододержатель — приспособление для закрепления электрода и подвода к нему тока (рис. 2). Среди всего многообразия применяемых электрододержателей наиболее безопасными являются пружинные, изготовляемые в соответствии с существующими стандартами: I типа — для тока до 125 А; II типа — для тока 125—315 A; III типа — для тока 315— 500 А. Эти электрододержатели выдерживают без ремонта 8 000—10 000 зажимов. Время замены электрода не превышает 3—4 с. По конструкции различаются винтовые, пластинчатые, вилочные и пружинные электрододержатели.

Типы электрододержателей
Рис. 2. Типы электрододержателей:
а – вилочный; б – щипцовый; в – завода «Электрик»; г – с пружинящим кольцом

Щитки сварочные изготавливаются двух типов: ручные и головные из легких негорючих материалов. Масса щитка не должна превышать 0,50 кг.

Защитные светофильтры (затемненные стекла), предназначенные для защиты глаз от излучения дуги, брызг металла и шлака, изготавли­ваются 13 классов или номеров. Номер светофильтра подбирается в первую очередь в зависимости от индивидуальных особенностей зре­ния сварщика. Однако следует учитывать некоторые объективные факторы: величину сварочного тока, состав свариваемого металла, вид дуговой сварки, защиту сварочной ванны от воздействия газов воздуха. Размер светофильтра 52×102 мм. При сварке покрытыми электро­дами следует ориентироваться на применение светофильтров различ­ных номеров в зависимости от величины сварочного тока: 100 А – № С5; 200 А – № С6; 300 А – № С7; 400 А – № С8; 500 А – № С9 и т. д.

При сварке плавящимся электродом тяжелых металлов в инертном газе следует пользоваться светофильтром на номер меньше, а легких металлов – на номер больше по сравнению со светофильтром при сварке покрытыми электродами.

При сварке в среде СО2 применяют следующие светофильтры: до 100 А – № С1; 100-150 А – № С2; 150-250 А – № С3; 250-300 А – № С4; 300-400 А – № С5 и т. д. Светофильтры вставляются в рамку щитка, а снаружи светофильтр защищают обычным стеклом от брызг металла и шлака. Прозрачное стекло периодически заменяют.

Кабели и сварочные провода необходимы для подвода тока от ис­точника питания к электрододержателю и изделию. Кабели изготавли­вают многожильными (гибкими) по установленным нормативам для электротехнических установок согласно ПУЭ (Правила устройства и эксплуатации электроустановок) из расчета плотности тока до 5 А/мм2 при токах до 300 А. Электрододержатели присоединяются к гибкому (многожильному) медному кабелю марки ПРГД или ПРГДО. Кабель сплетен из большого числа отожженных медных проволочек диамет­ром 0,18-0,20 мм. Применять провод длиной более 30 м не рекоменду­ется, так как это вызывает значительное падение напряжения в сва­рочной цепи. Рекомендуемые сечения сварочных проводов для подво­да тока от сварочной машины или источника питания к электрододержателю и свариваемому изделию приведены в (табл. 1).

Площадь поперечного сечения сварочных проводов
Таблица 1. Площадь поперечного сечения сварочных проводов.

Токоподводящий провод соединяется с изделием через специаль­ные зажимы. В сварочном поворотном приспособлении должны быть предусмотрены специальные клеммы. Закрепление провода должно быть надежным. Самодельные удлинители токоподводящего провода в виде кусков или обрезков металла не допускаются. Некоторые виды зажимов приведены на рис 3.

Токопроводящие зажимы
Рис. 3. Токопроводящие зажимы:
а – быстродействующий с пружинным зажимом; б – с винтовым зажимом; в – с винтовой струбциной.

Одежда сварщика изготовляется из различных тканей, которые должны удовлетворять двум основным требованиям:

  • наружная поверхность одежды должна быть огнестойкой и термо­стойкой;
  • внутренняя (изнаночная) поверхность одежды должна быть влагопоглощающей.

Исходя из этих требований одежду для сварщиков — куртку и брюки — шьют из брезента, сукна, замши; иногда комбинируют ткани.

Ассортимент тканей и самой спецодежды постоянно расширяется. Зарубежные и отечественные фирмы изготавливают универсальную спецодежду, применяемую сварщиками, автогонщиками, работника­ми аварийно-спасательной службы. Наиболее совершенные костю­мы для сварщиков изготавливает отечественная фирма «Автохимэкс». Куртка и брюки изготовлены из двухлицевой ткани, у которой внешняя сторона — из нити типа кевлар, а внутренняя — из хлопчатобумажной пряжи. Ткань обладает повышенной прочностью, малым удлинением, что обеспечивает сохранение формы костюма (куртка, полукомбинезон или комбинезон). Температура, при которой рабочий чувствует себя комфортно длительное время, составляет 200-250 °С.

Все сварщики должны пользоваться защитными рукавицами. При выполнении сварочных работ внутри котлов, емкостей, резервуаров и т. д. сварщики должны обеспечиваться резиновыми ковриками, бо­тами, галошами, особыми наколенниками и подлокотниками, дере­вянными подложками и др.

При выполнении сварочных работ сварщик пользуется традици­онным инструментом: металлической щеткой для зачистки кромок перед сваркой и удаления остатков шлака после сварки; молотком-шлакоотделителем для удаления шлаковой корки; зубилом, шаблона­ми для проверки размеров швов, личным клеймом, рулеткой металли­ческой, угольником, чертилкой и т. д. (рис. 4).

Инструмент для зачистки сварного шва и свариваемых кромок
Рис. 4. Инструмент для зачистки сварного шва и свариваемых кромок:
а – металлическая щетка;
б – молоток-шлакоотделитель

Сущность основных способов сварки плавлением

При электрической дуговой сварке энергия, необходимая для об­разования и поддержания дуги, поступает от источников питания пос­тоянного или переменного тока.

В процессе электрической дуговой сварки основная часть теплоты, необходимая для нагрева и плавления металла, получается за счет дугово­го разряда (дуги), возникающего между свариваемым металлом и элект­родом. При сварке плавящимся электродом под воздействием теплоты дуги кромки свариваемых деталей и торец (конец) плавящегося элект­рода расплавляются и образуется сварочная ванна. При затвердевании расплавленного металла образуется сварной шов. В этом случае свар­ной шов получается за счет основного металла и металла электрода.

К плавящимся электродам относятся стальные, медные, алюми­ниевые; к неплавящимся — угольные, графитовые и вольфрамовые. При сварке неплавящимся электродом сварной шов получается толь­ко за счет расплавления основного металла и металла присадочного прутка.

При горении дуги и плавлении свариваемого и электродного ме­таллов необходима защита сварочной ванны от воздействия атмосфер­ных газов — кислорода, азота и водорода, так как они могут проникать в жидкий металл и ухудшать качество металла шва. По способу защиты сварочной ванны, самой дуги и конца нагреваемого электрода от воз­действия атмосферных газов дуговая сварка разделяется на следующие виды: сварка покрытыми электродами, в защитном газе, под флюсом, самозащитной порошковой проволокой и со смешанной защитой.

Покрытый электрод представляет собой металлический стержень с нанесенной на его поверхность обмазкой. Сварка покрытыми элект­родами улучшает качество металла шва. Защита металла от воздей­ствия атмосферных газов осуществляется за счет шлака и газов, обра­зующихся при плавлении покрытия (обмазки). Покрытые электроды применяются для ручной дуговой сварки, в процессе которой необхо­димо подавать электрод в зону горения дуги по мере его расплавления и одновременно перемещать дугу по изделию с целью формирования шва (рис. 1).

Схема ручной сварки покрытым электродом
Рис. 1. Схема ручной сварки покрытым электродом:
1 – сварочная дуга; 2 – электрод; 3 – электрододержатель; 4 –сварочные провода;
5 – источник питания (сварочный трансформатор или выпрямитель); 6 – свариваемая деталь, 7 – сварочная ванна; 8 –сварной шов; 9 – шлаковая корка

При сварке под флюсом сварочная проволока и флюс одновремен­но подаются в зону горения дуги, под воздействием теплоты которой плавятся кромки основного металла, электродная проволока и часть флюса. Вокруг дуги образуется газовый пузырь, заполненный парами металла и материалов флюса. По мере перемещения дуги расплавлен­ный флюс всплывает на поверхность сварочной ванны, образуя шлак. Расплавленный флюс защищает зону горения дуги от воздействия атмосферных газов и значительно улучшает качество металла шва. Сварка под слоем флюса применяется для соединения средних и боль­ших толщин металла на полуавтоматах и автоматах (рис. 2).

Схема автоматической дуговой сварки под слоем флюса
Рис. 2. Схема автоматической дуговой сварки под слоем флюса:
1 – дуга; 2 – газовый пузырь (полость); 3 – сварочная головка; 4 – тележка (сварочный
трактор); 5 – пульт управления; 6 –кассета со сварочной проволокой; 7 – свариваемая
деталь; 8 – сварочная ванна; 9 – сварной шов; 10 – шлаковая корка; 11 – расплавленный
флюс; 12 – нерасплавленный флюс

Сварку в среде защитных газов выполняют как плавящимся элек­тродом, так и неплавящимся с подачей в зону горения дуги присадоч­ного металла для формирования сварного шва.

Сварка может быть ручной, механизированной (полуавтоматом) и автоматической. В качестве защитных газов применяют углекислый газ, аргон, гелий, иногда азот для сварки меди. Чаще применяются смеси газов: аргон + кислород, аргон + гелий, аргон + углекислый газ + кислород и др. В процессе сварки защитные газы подаются в зону горения дуги через сварочную головку и оттесняют атмосферные газы от сварочной ванны (рис. 3).

Схема сварки в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом
Рис. 3. Схема сварки в среде защитных газов плавящимся (а)
и неплавящимся (б) электродом.
1 – сопло сварочной головки; 2 – сварочная дуга; 3 – сварной шов; 4 – свариваемая деталь; 5 – сварочная проволока (плавящийся электрод); 6 – подающий механизм

При электрошлаковой сварке тепло, иду­щее на расплавление металла изделия и электрода, выделяется под воздействием электрического тока, проходящего через шлак. Сварка осуществляется, как правило, при вертикальном расположении свари­ваемых деталей и с принудительным формированием металла шва (рис. 4). Свариваемые детали собираются с зазором. Для предотвращения вытекания жидкого металла из пространства зазора и формирования сварного шва по обе стороны зазора к свариваемым деталям прижимаются охлаждаемые водой медные пластины или ползуны. По мере охлаждения и формирования шва ползуны перемещаются снизу вверх.

Схема электрошлаковой сварки
Рис. 4. Схема электрошлаковой сварки:
1 – свариваемые детали; 2 – фиксирующие скобы; 3 – сварной шов; 4 – медные ползуны (пластины); 5 – шлаковая ванна; 6 – сварочная проволока; 7 – подающий механизм; 8 – токоподводящий направляющий мундштук; 9 – металлическая ванна; 10 – карман – полость для формирования начала
шва, 11 – выводные планки

Обычно электрошлаковую сварку применяют для соединения де­талей кожухов доменных печей, турбин и других изделий толщиной от 50 мм до нескольких метров. Электрошлаковый процесс применяют также для переплава стали из отходов и получения отливок.

Электронно-лучевая сварка производится в специальной камере в глубоком вакууме (до 13-10-5 Па). Энергия, необходимая для нагрева и плавления металла, получается в результате интенсивной бомбарди­ровки места сварки быстро движущимися в вакуумном пространстве электронами. Вольфрамовый или металлокерамический катод излуча­ет поток электронов под воздействием тока низкого напряжения. Поток электронов фокусируется в узкий луч и направляется на место сварки деталей. Для ускорения движения электронов к катоду и аноду подводится постоянное напряжение до 100 кВ. Электронно-лучевая сварка широко применяется при сварке тугоплавких металлов, хими­чески активных металлов, для получения узких и глубоких швов с высо­кой скоростью сварки и малыми остаточными деформациями (рис. 5).

Схема формирования пучка электронов при электронно–лучевой сварке
Рис. 5. Схема формирования пучка электронов при электронно–лучевой сварке:
1 – катодная спираль; 2 – фокусирующая головка; 3 – первый анод с отверстием; 4 – фокусирующая магнитная катушка для регулирования диаметра пятна нагрева на детали; 5 – магнитная система отклонения пучка; 6 – свариваемая деталь (анод); 7 – высоковольтный источник постоянного тока; 8 – сфокусированный пучок электронов; 9 – сварной шов

Лазерная сварка — эта сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера. Термин «лазер» получил свое название по первым буквам английской фразы, которая в переводе оз­начает: «усиление света посредством стимулированного излучения».

Современные промышленные лазеры и системы обработки материалов показали существенные преимущества лазерной тех­нологии во многих специальных отраслях машиностроения. Промышленные СО2-лазеры и твердотельные снабжены микропро­цессорной системой управления и приме­няются для сварки, резки, наплавки, поверхностной обработки, прошивки от­верстий и других видов лазерной обработки.

Покрытые электроды для дуговой сварки и наплавки

Покрытие электрода

Покрытый электрод — плавящийся электрод для дуговой сварки, имеющий на поверхности покрытие, адгезионно связанное с металлом электрода.

Покрытие электрода — смесь веществ, нанесенная на электрод для уси­ления ионизации, защиты от вредного воздействия среды и металлургической обработки металла сварочной ванны.

В покрытие электрода вводят следующие материалы (компоненты): ионизирующие, газообразующие, шлакообразующие, легирующие, раскисляющие, связующие и формовочные.

Ионизирующие, или стабилизирующие, компоненты вводят для обеспече­ния устойчивого горения дуги. Они содержат элементы с низким потенциалом ионизации, такие как калий, кальций, которые содержатся в меле, полевом шпате и граните, а также натрий и др.

Газообразующие компоненты вводят для создания газовой защиты зоны дуги и сварочной ванны. К ним относятся органические вещества: крахмал, пищевая мука, декстрин и др., а также неорганические вещества: обычно карбонаты (мрамор СаСО3, магнезит MgCO3) и др. Газовая защита образуется в результате диссоциации органических веществ при температуре выше 200°С и диссоциации карбонатов при температуре около 900°С. Процесс диссоциации происходит недалеко от торца электрода. При обычном составе электродных покрытий на каждый грамм металла электродного стержня выделяется 90­-120 см3 защитного газа, состоящего из углекислого газа СО2, угарного газа СО, водорода Н2 и кислорода О2. При этом обеспечивается достаточно надежное от­теснение воздуха из зоны сварки и попадание очень небольшого количества азота в металл шва (не свыше 0,02-0,03%).

Шлакообразующие компоненты вводят для образования жидких шлаков. В качестве шлакообразующих используют руды и минералы: ильменит, ру­тил, полевой шпат, кремнезем, гранит, мрамор, плавиковый шпат и др. В со­став шлакообразующих входят окислы СаО, MgO, МпО, FeO, А12О3, SiO2, TiO2, Na2O, плавиковый шпат СаF2 и др. Имеющиеся в покрытии ферросплавы свя­зывают кислород, который отдают при нагревании шлакообразующие окислы, входящие в покрытие. Жидкий шлак, покрывая расплавленный металл электродных капель и сварочной ванны, химически взаимодействуя с расплав­ленным металлом, раскисляет металл шва и связывает окислы в легкоплавкие соединения. В то же время происходит легирование металла шва элементами, содержащимися в шлаке. Жидкий шлак пропускает (впитывает в себя) газы, выделяющиеся в процессе химических реакций в жидком металле, и формиру­ет поверхность сварного шва.

Легирующие компоненты предназначены для придания металлу шва повы­шенных механических свойств, жаростойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и других свойств. Легирующими элементами служат хром, марганец, титан, ванадий, молибден, никель, вольфрам и другие элементы. Легирующие элементы вводят в покрытие в виде ферросплавов и чистых металлов.

Раскисляющие компоненты вводят для раскисления (восстановления) ча­сти расплавленного металла, находящегося в виде окислов. К ним относят­ся элементы, имеющие большее, чем железо (при сварке сталей), сродство к кислороду и другим элементам, окислы которых требуется удалить из ме­талла шва. Большинство раскислителей вводится в электродное покрытие в виде ферросплавов.

Связующие компоненты применяют для связывания порошковых состав­ляющих покрытия в однородную вязкую массу, которая будет крепко удержи­ваться на стержне электрода при опрессовке и образовывать прочное покрытие после сушки и прокалки. В качестве связующих чаще всего применяют водные растворы натриевого (Na2O SiO2) или калиевого (K2O SiO2) жидкого стекла.

Формовочные компоненты — вещества, придающие обмазочной массе луч­шие пластические свойства: бентонит, каолин, декстрин, слюда и др.

Некоторые материалы в покрытии выполняют несколько функций, напри­мер: мрамор является одновременно стабилизирующим, шлакообразующим и газозащитным компонентом, а ферросплавы — легирующими и раскисляю­щими компонентами.

Покрытие электродов оказывает существенное влияние на весь про­цесс сварки. Поэтому к покрытию предъявляются следующие требования: обеспечение стабильного горения дуги; получение металла шва с необходи­мым химическим составом и свойствами; спокойное, равномерное плавление электродного стержня и покрытия; хорошее формирование шва и отсутствие в нем пор, шлаковых включений и др.; легкая отделимость шлака с поверх­ности шва после остывания; хорошие технологические свойства обмазочной массы, не затрудняющие процесса изготовления электродов; удовлетвори­тельные санитарно-гигиенические условия труда при изготовлении электро­дов и сварке. Состав покрытия определяет и такие важные технологические характеристики электродов как: род и полярность сварочного тока, возмож­ность сварки в различных пространственных положениях или определенным способом (сварка опиранием, наклонным электродом и т. д.). Состав покры­тия электродов и свойства образующихся шлаков определяют и величину ре­комендуемого для сварки тока. Для получения качественных сварных швов покрытие электрода должно удерживаться на металлическом стержне и быть сплошным до конца использования электрода (огарка), чтобы обеспечить необходимую защиту зоны сварки. Поэтому нагрев металлического стержня, определяемый величиной сварочного тока, к концу расплавления электрода не должен быть более 500°С, а с покрытиями, содержащими органические ве­щества, не более 250°С.

К физическим свойствам шлака, образуемого покрытием, относят темпе­ратуру плавления, температурный интервал затвердевания, теплоемкость, теплопроводность, теплосодержание, вязкость, газопроницаемость, плотность, поверхностное натяжение, тепловое расширение (линейное и объемное). Все электродные покрытия должны обеспечивать при их плавлении плотность шлака ниже плотности жидкого металла для обеспечения всплывания шлака из сварочной ванны. Температурный интервал затвердевания шлака должен быть ниже температуры кристаллизации металла сварочной ванны для пропу­скания газов, выделяющихся из сварочной ванны. Наилучшие качества при сварке имеют шлаки, если температура плавления их составляет 1100-1200°С. В зависимости от изменения вязкости шлака от температуры различают шла­ки «длинные» и «короткие». «Длинные» шлаки, у которых переход от жидко­го к твердому состоянию растянут на значительный температурный интервал, при прочих равных условиях хуже обеспечивают формирование шва. У «ко­ротких» шлаков возрастание вязкости расплавленного шлака с понижением температуры происходит быстро и закристаллизовавшийся шлак препятству­ет стеканию металла шва, находящегося еще в жидком состоянии при сварке в различных пространственных положениях. «Короткие» шлаки дают элек­троды с основным покрытием. Вязкость шлака имеет важное значение. Чем менее вязок шлак, тем больше его подвижность, а следовательно, физическая и химическая активность, тем быстрее в нем протекают химические реакции и физические процессы растворения окислов, сульфидов и т. п. Кислые шлаки обычно бывают очень вязкими и длинными, при этом вязкость возрастает с по­вышением кислотности.

Затвердевшие шлаки должны иметь небольшое сцепление с металлом, коэффициенты линейного расширения шлака и металла должны быть различными для более легкого отделения шлака со шва.

К химическим свойствам относится способность шлака раскислять металл шва, связывать окислы в легкоплавкие соединения и легировать металл шва.

К сварочно-технологическим свойствам электродов относят легкое возбуж­дение дуги, стабильное горение дуги на оптимальных режимах для данного диаметра и марки, возможность сварки на постоянном и переменном токах, пригодность для сварки в различных пространственных положениях. Кроме этого, покрытие должно плавиться равномерно, без чрезмерного разбрызгива­ния, отваливания кусков и образования козырька, препятствующего нормаль­ному плавлению электрода. Образующийся при сварке шлак должен обеспе­чить благоприятную гладкую форму шва и легко удаляться после охлаждения.

Виды электродных покрытий.

ГОСТ9466-75 «Электроды покрытые металлические для руч­ной дуговой сварки сталей и наплавки. Классификация, размеры и общие тех­нические требования» подразделяет электроды на следующие виды: А — с кис­лым покрытием; Б — с основным покрытием; Ц — с целлюлозным покрытием; Р — с рутиловым покрытием; П — с покрытием прочих видов. С покрытием смешанного вида используют соответствующее двойное обозначение. Если по­крытие содержит железный порошок в количестве более 20%, к обозначению вида покрытия добавляют букву Ж.

У электродов с кислым покрытием (А) шлакообразующую основу состав­ляют железные (гематит — Fe2O3) и марганцевые (MnO2) руды и кремнезем (SiO2). Газовая защита расплавленного металла осуществляется органически­ми компонентами, сгорающими в процессе плавления электрода. В качестве раскислителей в покрытие вводят ферромарганец. Образующиеся кислые шлаки не содержат СаО и не очищают металл от серы и фосфора. В наплавлен­ном металле много растворенного кислорода (до 0,12%), водорода (до 15 см3 в 100 г металла) и неметаллических включений. В результате швы облада­ют пониженной стойкостью к образованию горячих трещин и пониженной ударной вязкостью. Электроды непригодны для сварки сталей, легирован­ных кремнием и другими элементами, так как они интенсивно окисляются. При сварке спокойных низкоуглеродистых сталей с высоким содержанием кремния возможно образование пор. При сварке выделяется много токсич­ной пыли, содержащей окислы марганца и кремния и происходит повышен­ное разбрызгивание. Достоинствами этих электродов являются: стабильное горение дуги на постоянном и переменном токах; возможность сварки в раз­личных пространственных положениях; отсутствие пор при наличии на сва­риваемых поверхностях окалины или ржавчины, а также при случайном удлинении дуги; достаточно высокая скорость расплавления и высокая про­плавляющая способность. Типичными для этого вида покрытия являются электроды марок МЭЗ-04 и СМ-5. В настоящее время электроды с кислым по­крытием выпускают в малом объеме. Эти электроды применяют для сварки неответственных металлоконструкций.

У электродов с рутиловым видом покрытия (Р) шлакообразующую основу составляют: рутиловый концентрат, содержащий до 45% рутила (TiO2); алюмосиликаты — слюда (К2О 3Al2O3 6SiO2 2H2O), полевой шпат (К2О Al2O3 6SiO2), каолин (Al2O3 2SiO2 2H2O) и др.; карбонаты — мрамор (СаСО3) и магне­зит (MgCO3). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается введе­нием органических соединений (до 5%), а также разложением карбонатов. Наплавленный металл раскисляется и легируется ферромарганцем (до 10-­15%). Поскольку окислительная способность рутилового покрытия меньше, чем кислого, количество марганца в нем ниже и его гигиенические характе­ристики гораздо лучше, чем у кислого. Содержание окислов марганца в аэро­золе при сварке меньше, чем у кислого в 3-5 раз. По качеству наплавленного металла электроды занимают промежуточное положение между электродами с кислым и основным покрытиями. Электроды обладают высокими сварочно­технологическими свойствами: обеспечивают отличное формирование шва с плавным переходом к основному металлу, малое разбрызгивание, легкую от­делимость шлака, стабильное горение дуги на постоянном и переменном токах, сварку во всех пространственных положениях. Металл шва мало склонен к об­разованию пор при колебаниях длины дуги, при сварке по окисленной и за­грязненной поверхности. Наплавленный металл соответствует по химическо­му составу полуспокойной или спокойной стали. К электродам с покрытием этого вида относятся электроды марок АНО-4, ОЗС-12 и др. Для повышения коэффициента наплавки в покрытия этого вида часто вводят порошок железа. При содержании железа в покрытии до 35% от массы покрытия (в электродах марок АНО-5, ОЗС-6 и др.) электродами можно варить в различных простран­ственных положениях. Электроды, содержащие в покрытии железного порош­ка 50-65% (например, электроды марок АНО-1, ОЗС-3 и др.) предназначены для высокопроизводительной сварки швов большой протяженности изделий толщиной 10-20 мм. Разбавляя металл сварочной ванны низкоуглеродистым железным порошком, можно существенно увеличить стойкость металла шва к образованию кристаллизационных трещин. Электроды с рутиловым видом покрытия применяют для сварки металлоконструкций и трубопроводов из углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением до 490 МПа.

Электроды с основным видом покрытия (Б) имеют шлакообразующую основу покрытия, состоящую из карбонатов (мрамор, мел, магнезит) и фто­ридов кальция (например, плавиковый шпат — CaF2). Газовая защита рас­плавленного металла обеспечивается углекислым газом и окисью углерода, образующимися при диссоциации карбоната кальция в процессе нагрева и плавления покрытия. В качестве раскислителей покрытие может содержать ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и ферроалюминий. Покрытия этого вида слабоокисленные, поэтому позволяют легировать расплавленный металл элементами с большим сродством к кислороду. Легирование осущест­вляется марганцем и кремнием при переходе их из ферромарганца и ферроси­лиция в сварочную ванну, что придает соединению высокую прочность. Кроме этого, для легирования в покрытие могут вводить металлические порошки. Наличие в покрытии большого количества соединений кальция, хорошо свя­зывающих серу и фосфор с выделением их в шлак, обеспечивает высокую чи­стоту наплавленного металла с малым содержанием серы и фосфора. Плави­ковый шпат при высоких температурах разлагается с выделением атомарного фтора, который связывает водород в устойчивую, нерастворимую в металле молекулу HF. В результате наплавленный металл содержит незначительное количество водорода (4-10 см3 в 100 г наплавленного металла). Применение в покрытии активных раскислителей (титана, алюминия и кремния) обе­спечивает низкое содержание кислорода в металле шва (менее 0,05%). Поэ­тому наплавленный металл мало склонен к старению, стоек к образованию кристаллизационных трещин и имеет повышенные пластические свойства при низких температурах. Сварочно-технологические свойства электродов с основным видом покрытия ниже, чем у электродов с другим видом по­крытия. Образование большого количества отрицательных ионов фтора при плавлении покрытия приводит к уменьшению проводимости дугового раз­ряда и снижению устойчивости горения дуги. Поэтому сварку электродами с основным видом покрытия осуществляют на постоянном токе обратной по­лярности. Для сварки переменным током необходимо применение электродов с дополнительным содержанием ионизирующих элементов в покрытии, на­пример калия (в электродах марок СМ-11 и УП-1/55), или применение элек­тродов со специальным двухслойным покрытием (например, электроды мар­ки АНО-Д). Наличие влаги, масла, окалины или ржавчины на свариваемых кромках, наличие влаги в покрытии, а также увеличение длины дуги приво­дят к образованию пор в металле шва. Перед сваркой необходима прокалка электродов при температуре 350-400 °С в течение одного часа. Для получения качественных швов необходимо строго соблюдать требования по подготовке изделия и выдерживать технологический режим процесса сварки. Электро­ды с основным видом покрытия предназначены для сварки ответственных конструкций из углеродистых, низколегированных и легированных сталей. Электроды с основным видом покрытия иногда называют электродами с фтористокальциевым покрытием.

Электроды с целлюлозным видом покрытия (Ц) содержат много (до 50%) органических составляющих (целлюлозу, травяную муку и т. п.) для образо­вания большого количества газов. В качестве шлакообразующих применяют чаще всего рутил, карбонаты, алюмосиликаты и др. Иногда добавляют ас­бест — СаО3MgO 4SiO2. Для раскисления наплавленного металла добавляют ферромарганец. При сварке на торце электрода образуется конусная втулка из нерасплавившегося покрытия, что способствует образованию направлен­ного потока газов, который обеспечивает оттеснение жидкого металла из-под дуги и более глубокое проплавление основного металла. Эти электроды (марок ВСЦ-4А и др.) используют для сварки корневого слоя шва неповоротных сты­ков трубопроводов методом опирания сверху вниз с высокой скоростью, дости­гающей 25 м/ч. Они обеспечивают хорошую обратную сторону шва, поэтому отпадает необходимость в подварке шва изнутри. Для выполнения заполняю­щих и облицовочных швов при сварке ответственных конструкций из низко­легированных сталей во всех пространственных положениях предназначены, например, электроды марки ВСЦ-60.

К электродам со смешанным видом покрытия относят электроды с рутилово-основным (рутилкарбонатным или карбонатно-рутиловым) видом покры­тия (РБ), электроды с кисло-рутиловым видом покрытия (АР), с рутилово-целлюлозным видом покрытия (РЦ) и др. К электродам с кисло-целлюлозным видом покрытия относят электроды марки ОМА-2, предназначенные для свар­ки тонколистовых конструкций (толщиной 1-3 мм) из углеродистых и низко­легированных сталей постоянным и переменным током. К электродам с кисло­рутиловым (ильменитовым) видом покрытия относят электроды марок ОММ-5, АНО-6, АНО-6М, АНО-17 и др. Они содержат в покрытии ильменит (FeO TiO2) и предназначены для сварки конструкций из углеродистых сталей во всех пространственных положениях постоянным и переменным током. Электроды с рутилово-основным видом покрытия появились в результате попыток объе­динить преимущества рутиловых и основных покрытий. Они предназначены для сварки оборудования из углеродистых и низколегированных сталей с вре­менным сопротивлением до 490 МПа, когда к металлу сварных швов предъяв­ляются повышенные требования по пластичности и ударной вязкости. К элек­тродам с рутилово-основным видом покрытия относят электроды марок МР-3, АНО-30, ОЗС-28 и др.

Кроме указанных видов покрытий, имеются специальные электродные покрытия: гидрофобные, для сварки и наплавки цветных металлов и их сплавов и др. Гидрофобные покрытия предназначены для выполнения сва­рочных работ в особо влажных условиях: при повышенной влажности ат­мосферы, под водой и т. д. В них добавляют до 10% специальных гидро­фобных полимеров, которые в процессе полимеризации заполняют поры между частицами покрытия и перекрывают пути проникновения влаги во внутренние слои покрытия. Для сварки лежачим и наклонным используют специальные электроды, например, электроды марок НЭ-1, НЭ-5, ОЗС-17Н и др. В этом случае часто применяют удлиненные электроды (до двух ме­тров) и диаметром до 8 мм. Покрытие этих электродов обычно имеет повы­шенную толщину.

Конкретный состав покрытия и стержня в данном электроде определяет марка электрода. Обозначения марок часто содержат начальные буквы органи­зации, в которой были разработаны электроды, и порядковый номер.

Классификация и условные обозначения электродов.

Электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки, в стандартах классифицируются по следующим признакам: металлу, для свар­ки которого они предназначены; толщине и типу покрытия; механическим свойствам металла шва и др. Согласно ГОСТ 9466-75 электроды для сварки и наплавки сталей в зависимости от назначения разделены на классы: для сварки углеродистых и низко­легированных конструкционных сталей с σв < 600 МПа — У (условное обозна­чение); для сварки легированных конструкционных сталей с σв > 600 МПа — Л; для сварки теплоустойчивых сталей — T; для сварки высоколегированных ста­лей с особыми свойствами — B; для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами — H. Этот стандарт регламентирует размеры электродов, толщину и типы покрытий, условные обозначения, общие технические требования, пра­вила приемки и методы испытания.