Для сшивки стальных кровельных листов между собой, применяют фальц. Таким соединением сшивают несколько листов, начиная от 2-х, и называют то, что получилось с применением лежачего фальца картиной. Всю кровлю собирают из разных картин. Смонтированная и выполненная кровля получается благодаря подобранной их совокупности.
Фальцы бывают лежачими, стоячими и угловыми, если исходить из визуального восприятия. Одинарными и двойными, по способу уплотнения. Об угловых соединениях этого типа можно сказать, что они могут быть простыми и комбинированными.
Об 1-ном лежачем фальце
Выполняют, когда нужно сшить несколько картин рядового покрытия в кровельную полосу.
Проводить заготовку фальца нужно так:
— Уложить стальной лист на краю разметочного стола, который обит уголком из металла, чертилкой нанести на нем линию, по ней будет производиться отгиб соединения, двенадцать мм от кромки для листа толщиной от 0,4 до 0,7 мм или на двадцать процентов больше для листа толще. Придержать будущую заготовку, чтобы не было смещения.
— Взять киянку, выполнить 2 отгиба вниз по краешкам листа (маячные), перед этим наложить линию отгиба строго на ребро уголка.
— Отогнуть всё подготовленное перпендикулярно.
— Переворачиваем заготовку выполненным отгибом вверх и сваливаем его в сторону плоскости киянкой.
— Выполняем по аналогии заготовку ещё одного листа.
— Соединяем кромки 2-х листов в замок, уплотняем киянкой.
— Возьмем планку из металла и подсекальник (специальный молоток), нужно подсечь верхний лист, чтобы фальц остался целым.
О 2-ном лежачем фальце
Применим при сшивании картин карнизного свеса, разжелобки, желобов надоленки. 2-ной фальц требует больше трудозатрат, но является более надежным. Лучше выполнять, если устраиваете кровлю из металла для фундаментного здания.
Проводиться заготовка указанного соединения так:
— Отгибается кромка листа к внутренней стороне.
— Ориентируется кромкой вниз и делается отгиб перпендикулярно.
— Ещё раз перевернуть лист с выполненной кромкой вверх и свалить фальц к листу.
— По аналогии сделать кромку ещё одной заготовки.
— Сшить листы, сложив кромки в замок, уплотнить сшивку.
— Подсечь сшивку, как ранее, используя подсекальник и планку.
Об 1-ном стоячем фальце
Применим для сшивки картин - полос кровель из металла. Стоячий фальц применяют от конька к карнизному свесу. Если осматривать металлическую кровлю, заметен, прежде всего, стоячий фальц, а не тот, что лежит. Явное визуальное различие, обуславливается и существенной разницей в изготовлении. Лежачий делается на верстаке, а стоячий — прямо на месте сборки кровли, с закреплением картины на основании.
1-ный стоячий фальц делать двумя молотками (большой - ручник и меньший - подсекальник) или задействовав гребнегиб с киянкой. 2-й способ более эффективен, и с ним меньше хлопот. Кромка картины отгибается вверх перпендикулярно, заранее, используя верстак или при помощи 2-х гибщиков кромки на крыше. Для низкой кромки отгибом двадцать мм используют кромкогибщик с прорезью такой же высоты, а кромку более высокую, получают кромкогибщиком, имеющим прорезь тридцать пять мм.
О способах формирования одинарного фальца
1 - скребок гребнегиба; 2 - брусок гребнегиба.
— Первый:
Большим молотком как наковальней делают упор, а меньший используют как рабочий инструмент. Носком меньшего молоточка подсекают и отгибают более высокую кромку в сторону более низкой. Уплотняют 1-арный фальц боковой плоскостью подсекальника.
— 2-й:
От низкой кромки подвести плотно скребок гребнегиб к более высокой. Подладить его высоту, чтобы она совпала с низкой кромкой. Сваливается высокая кромка к горизонтали скребка киянкой, а затем убирается гребнегиб и прижимается отгиб высокого фальца к низкому. Уплотняется фальц тем же инструментом, перед этим поставив брусок гребнегиба плотно к обратной стороне фальца.
О выполнении 2-ного стоячего фальца
Берут гребнегиб и киянку. Гребнегиб ставится на четыре пробки, для увеличения его высоты.
Как формировать соединение:
— Выполнить 1-ный стоячий фальц.
— Удаляются пробки гребнегиба и, повторяются те же операции. Выполнить 2-й фальц, то есть загнуть 1-ный фальц на внутренней стороне.
1 - полоска клямера; 2 - брусок обрешетки; 3 - гвоздь; 4 - лист с малым отгибом; 5 - лист с большим отгибом.
Есть возможность эту работу выполнить более легко, если приобрести машинку, для сшивки формированием 2-ных стоячих фальцев. Но нужно сказать, что покупка дорогая и ваш кошелек существенно потеряет в весе. Вам нужно будет потратить около двух тысяч долларов.
Каждая картина требует использования двух клямеров, которые прибиваются каждая гвоздями к бруску обрешетке. Клямер прибивают так, чтобы его «хвост» возвышался над бруском на восемьдесят мм. Потом клямер зашивается в гребень стоячего фальца при его формировании.
О выполнении простого углового фальца
Указанный фальц используют при мелкой деталировке кровель: колпаки, зонты дымовых труб.
Заготовка соединения:
— Отогнуть кромку листа вниз перпендикулярно к его поверхности.
—Перевернуть выполненной кромкой вверх и уложить её к внутренней поверхности листа. Удалить с верстака 1-й лист.
— Выполнить кромку 2-го листа, отогнув ее вниз.
— Перевернуть этот лист выполненной кромкой к верху.
— Надеть на отогнутую к верху перпендикулярно кромку 2-го листа отгиб 1-го.
— Уплотнить стоячий фальц и свалить его к горизонтальной плоскости.
О выполнении комбинированного углового фальца
— Выполнить отгиб подвинутой кромки листа вниз на тридцать градусов и сделать в этой части надлом.
— Ориентировать заготовку выполненным отгибом вверх и свалить надлом по первоначальной линии сгиба на плоскость.
— Выполнить 2-й отгиб вдругую сторону, по нижней линии надлома
— На 2-й заготовке отогнуть кромку вниз под углом 90˚.
— Установить 1-й лист перпендикулярно к поверхности верстака, упереть его в край этой поверхности 2-м отгибом.
— Вставить 1-ный отгиб 2-го листа во 2-й отгиб 1-го листа, вертикальную кромку на отгибе 1-го листа свалить на плоскость 2-го.
— Уплотнить угловой фальц.
Выбор высоты кромок указанного фальца зависят от толщины листа. Почти всегда для простых угловых фальцев кромка берется высотой пять или шесть мм, а для комбинированных фальцев необходимо четырнадцать до шестнадцати мм.
В итоге проведенных технологических операций получены различные картины и заготовки.
Разъемные соединения. Имеются в виду соединения заготовок с помощью болтов, шурупов-«саморезов», заклепок. Такие соединения легко и быстро выполнимы, а также долговечны.
Болты, винты, гайки. Чтобы соединить болтами две заготовки, в них необходимо просверлить отверстия. Для этого следует взять сверло, диаметр которого немного больше диаметра болта. Например, для болта М10 сверлится отверстие 10,5 мм. Такой зазор (0,5 мм) позволит компенсировать возможные неточности в положении отверстий обеих соединяемых заготовок, особенно в случаях, когда точек соединения несколько, а заготовки большой длины. Обе заготовки надо соединить вместе и сверлить за один прием. Неподвижность соединения обеспечивают гайки, подкладные шайбы и пружинящие кольца - шайбы Гровера (рис. 62).
Рис. 62.
:
1 - пружинная шайба; 2 - шайба
Шайба, подложенная под головку болта, препятствует его вращению, а пружинящее кольцо, упираясь одним острым «зубом» в гайку, а другим - в заготовку, не дает гайке самопроизвольно раскручиваться. Если головка болта (винта) недолжна выступать над поверхностью детали, применяются болты (винты) с потайной головкой. В этом случае отверстие под винт сверлят сначала через обе заготовки, а затем раззенковывают с помощью сверла или зенкера.
Шурупы (винты)-саморезы. При их использовании гайки не нужны. Такой шуруп сам себе нарезает резьбу в обеих заготовках и стягивает их (рис. 63).
Рис. 63.
Отверстие предварительно сверлят сразу в двух заготовках, предварительно установив в нужное положение. Диаметр отверстия равен диаметру шурупа минус две высоты резьбы. Деталь из листового металла (или иного материала) перед сверлением надо закрепить на подкладке из дерева или ДСП. Если металл тонкий (жесть), нет необходимости сверлить отверстия: достаточно пробить их кернером; листы же большей толщины следует сверлить. Существенно, чтобы толщина нижней заготовки не превышала 2,5 мм; кроме того, шуруп должен проходить насквозь, в противном случае не будет прижимающего эффекта.
Шпильки представляют собой металлические стержни с резьбой на обоих концах. Применяются они в тех случаях, когда к толстой или массивной заготовке необходимо прикрепить другую деталь. В заготовке сверлят отверстие, нарезают в нем резьбу под шпильку. Глубина отверстия должна превышать длину нарезанной части шпильки. Иначе ее нельзя будет вывинтить.
Неразъемные соединения. Заклепки применяются для скрепления элементов изделий небольшой толщины, в основном из листовых материалов. Состоят они из стержня и закладной головки (рис. 64). Наиболее распространенными являются заклепки, представленные на рис. 65. Перед соединением деталей в них предварительно высверливают отверстия, затем вставляют заклепку и конец ее расклепывают для образования замыкающей головки. Материал заклепок должен быть однородным с материалом соединяемых деталей. Это нужно для того, чтобы не происходила электрохимическая коррозия и не возникали напряжения, вызванные разными коэффициентами температурного расширения.
Рис. 64.
:
1 - закладная головка; 2 - стержень; 3 - замыкающая головка
Рис. 65.
:
а - с плоской головкой; б - с потайной головкой; в - с полупотайной головкой; г - коническая заклепка с подголовкой
Инструментами для ручной клепки являются поддержка, натяжка и обжимка. Исходя из свободы доступа к замыкающей и к закладной головкам заклепки, существуют два метода клепки - прямой (открытый) и обратный (закрытый). При использовании прямого метода удары молотком по стержню заклепки наносят со стороны замыкающей головки. Порядок операций таков (рис. 66): заклепку вводят в отверстие (а), под закладную головку ставят массивную поддержку (2), а сверху на стержень - натяжку (1), и ударами молотка по натяжке осаживают соединяемые детали (б); равномерными ударами молотка под углом к торцу стержня предварительно формируют замыкающую головку (в), на эту головку устанавливают обжимку и равномерными ударами (при опоре на поддержку) окончательно формируют замыкающую головку (2).
Рис. 66.
:
а - закладывание заклепки; б - осаживание деталей с помощью натяжки; в - предварительное формирование замыкающей головки; г - окончательное формирование замыкающей головки; 1 - натяжка; 2 - поддержка; 3 - обжимка
В обратном методе удары наносятся по закладной головке. Стержень заклепки вводят в отверстие сверху, поддержку ставят под стержень - сначала плоскую - для предварительного формирования замыкающей головки, а затем - поддержку с полукруглой головкой - для окончательного ее формирования (если головка должна быть полукруглой). По закладной головке бьют через обжимку, формируя тем самым замыкающую головку с помощью поддержки. Однако отметим, что получаемая таким методом клепка имеет более низкое качество, чем при использовании прямого метода.
Соединения на заклепках с отрываемым стержнем. Недостаток описанных выше традиционных заклепок в том, что при расклепке требуется доступ к тыльной стороне. В этом нет необходимости при использовании заклепок с отрываемым стержнем, которые и удобны в обращении, и экономичны. Однако справедливости ради следует отметить, что соединения на них несколько менее прочны, а для работы с ними нужны специальные заклепочные клещи, оснащенные сменными направляющими элементами. Обычно клещи продаются в комплекте с заклепками (которые, разумеется, продаются и без клещей). Заклепки вставляют в отверстие, равно как и работают клещами, находясь с одной (лицевой) стороны соединения. Установить заклепку с отрываемым стержнем легко. Как и при любом подобном соединении, под нее нужно высверлить отверстие, диаметр которого равен диаметру гильзы (пустотелой части заклепки). Затем гильзу вставляют в отверстие до упора фланцем в поверхность листа, причем гильза должна выступать с обратной стороны не менее чем на 3 мм. После этого выступающий стержень захватывают заклепочными клещами. С тыльного конца стержень имеет шаровидную головку, которая при сжатии ручек клещей втягивается в тело заклепки и сминает ее выступающую часть (рис. 67).
Рис. 67.
:
а - заклепка вставлена в отверстие; б - заклепка после облома стержня
После этого конец стержня отрывается. Этот вид заклепок имеет, помимо упомянутой меньшей прочности, и другие недостатки: а) заклепки выступают с тыльной стороны; правда, внутри полых изделий выступов не видно; б) эти соединения негерметичны.
Клеевые соединения. Склеивание - достаточно распространенный способ получения неразъемных соединений. Качество, т. е. долговечность клеевых соединений зависит от качества подготовки склеиваемых поверхностей и вида нагрузки на клеевой шов. Прежде всего поверхности должны быть очищены от ржавчины, жира и обработаны грубой шлифовальной шкуркой зернистостью 60 или 80. Не следует склеивать консольные детали при малой площади опоры, подвергающиеся воздействию разнородных нагрузок (скажем, сдвигу и повороту), поскольку в таких условиях клеевое соединение будет заведомо непрочным. То же можно сказать о склеивании деталей, работающих под нагрузкой, вызывающих их расслаивание. С другой стороны, соединения на клею будут прочными, если соединяемые детали в процессе эксплуатации будут подвергаться сдвигу относительно друг друга или растяжению. Клеи по металлу бывают одно- и многокомпонентными. Первые, в том числе и контактные клен, обычно сохраняют свою эластичность длительное время и склонны к усадке. Их применяют чаще всего для соединения деталей с большой площадью склеиваемых поверхностей и испытывающих небольшие нагрузки. Очень хорошо клеят многокомпонентные клеи на синтетической основе: ГИПК-61, эпоксидные (ЭДП, ЭПО, ЭПЦ-1), а также БФ-2, Момент, Феникс, Super Glue.
Соединения металлических деталей пайкой. Пайка - это процесс получения неразъемного соединения металлических материалов и деталей из них расплавленным припоем. Припой - это металл или сплав, температура плавления которого гораздо меньше, чем у соединяемых изделий. В зависимости от температуры плавления различают следующие типы припоев: мягкие (легкоплавкие) - температура плавления не более 450 °С, твердые (среднеплавкие) - 450-600 °С; высокотемпературные (высокоплавкие) - свыше 600 °С. Для домашних работ, как правило, пользуются мягкими оловянно-свинцовыми припоями марки ПОС. Маркировка их означает следующее: цифра в марке припоя - содержание олова в процентах; так, в припое ПОС 90 - 90% олова, в ПОС 40 - 40%, и т.д.; следующие за обозначением марки (т. е. за буквами «ПОС») буквы означают добавку элемента, формирующего специальные свойства припоя: ПОССу4-6 - припой с добавкой сурьмы, ПОСК50 - кадмия, ПОСВ33 - висмута. Чтобы предохранить соединяемые поверхности (предварительно хорошо очищенные) от окисления, используют паяльный флюс - вещество, очищающее поверхности и припой от оксидов и загрязнений и предотвращающее образование оксидов, а также увеличивающее растекаемость расплавленного припоя. Каждый флюс эффективен только в определенном интервале температур, за пределами которого он сгорает. Припой выбирают в зависимости от свойств соединяемых металлов, припоя, требований прочности спаянного соединения и некоторых других условий.
Мастера-любители обычно используют бескислотные флюсы - канифоль и флюсы на ее основе с добавлением спирта, скипидара, глицерина и других неактивных веществ, - и флюсы активные (бескислотные), изготовляемые на основе хлористого цинка, канифоли и других веществ. Следует иметь в виду, что после пайки остатки флюса и продукты его разложения необходимо сразу же удалять, поскольку они содействуют коррозии.
Паяльный инструмент. К нему относятся паяльник (рис. 68), паяльная лампа (рис. 69), паяльная горелка (рис. 70).
Рис. 68.
Рис. 69.
:
1 - горелка; 2 - воздушный баллон; 3 - рукоятка для регулирования пламени; 4 - нагревательный лоток; 5 - насос; 6 - ручка; 7 - бачок для горючего
Рис. 70.
:
а - с подогревом открытым пламенем; б - с подогревом в закрытой камере
Паяльник применяется для прогревания места спайки и расплавления припоя. Рабочая часть паяльника - медный наконечник, нагреваемый от внешних источников. При пайке мелких деталей, например, деталей радиосхем, используют наконечники в форме отвертки массой 0,1-0,2 кг; для пайки более габаритных изделий (скажем, листов металлической кровли) - тяжелые наконечники в виде молотка массой 0,5-10 кг. Нагрев паяльников осуществляется разными способами - как в пламени горелки, так и с помощью электрического тока (электропаяльники). Последние (бытового назначения) выпускаются различной мощности - от 25 до 100 Вт в зависимости от цели применения. Подогрев может происходить обычным теплом (за несколько минут) или с форсированной скоростью. В последнем случае электропаяльники называются паяльными пистолетами; они употребляются для мелких паяльных работ (пайки электропроводов, например). Перед началом паяния наконечник паяльника нужно залудить, т.е. очистить с помощью напильника либо шлифовальной шкурки, нагреть, окунуть во флюс, приложить к припою и держать, пока тот не начнет плавиться. Это надо повторить несколько раз - до тех пор, пока рабочая поверхность наконечника не покроется ровным слоем припоя.
Паяльная лампа представляет собой легкую переносную горелку (рис. 69) с направленным пламенем, работающую на спирте, бензине или керосине. Ее функции - нагревание наконечника паяльника при пайке с твердым или мягким припоем, расплавление припоя, а также нагревание металлов при гибке, правке и т.д., удаление остатков старых лаков, красок, масел с деревянных оснований, металлических деталей, штукатурки. Паяльная горелка (рис. 70) тоже представляет собой легкую переносную горелку с направленным (открытым или закрытым) пламенем. Работает она на жидком газе - пропане или бутане, который поступает из баллона или из зарядных устройств. Паяльная горелка предназначена для пайки твердым припоем (и, конечно, мягким), разогрева металлических деталей при их правке и сгибании, оплавления старой краски. При работе с паяльной горелкой необходимо использовать огнеупорную подкладку - плитки из искусственного камня, шамота, кирпича и т.д.
Техника и технология паяния. Сообразно используемому типу припоя различают два вида пайки: мягкую, или пайку мягким припоем, и твердую, или пайку твердым припоем. Выбор того или иного вида определяется величиной нагрузок, которым будут подвергаться спаянные заготовки. Сильно нагружаемые поверхности соединяют твердой пайкой. Припой при этом получается более густым, чем при мягкой пайке. Его надо брать побольше, чтобы он мог проникнуть во все щели. По окончании твердой пайки шов зачищают напильником. Поскольку твердая пайка требует нагрева до 450 °С и выше, то ее можно производить только с помощью достаточно мощной паяльной горелки. Мягкую же пайку выполняют паяльником и пламенем при температуре 180-400 °С. Там, где возможно, соединение надо выполнять с напуском или перекрытием, что увеличивает площадь контакта заготовок друг с другом. Между соединяемыми деталями следует оставлять зазор шириной 0,1-0,5 мм. Прежде всего надо выбрать тип паяльного соединения (рис. 71).
Рис. 71.
:
1 - плоских тонкостенных; 2 - трубчатых и сложной формы; 3 - проволочных
В домашних условиях чаще всего детали при пайке соединяют методом пайки по стыку, скажем, при соединении оцинкованных стальных труб.
Очистка поверхностей. Места будущего соединения должны быть полностью очищены от всех инородных образований - грязи, смазки, ржавчины и т.п. Процедуру очистки проводят механическим либо химическим способом. В первом случае используют наждачную бумагу, шабер или шлифование; во втором - тетрахлористый углерод. В готовом к пайке виде поверхности должны быть зачищенными до блеска, гладкими, без царапин и вмятин.
Лужение. Прежде чем приступить к пайке, очищенные места соединения необходимо тщательно пролудить, т. е. покрыть тонким слоем припоя, так как на луженую поверхность припой ложится лучше. На места будущей пайки сначала надо нанести тонкий слой флюса или паяльной пасты. Паяльник должен быть хорошо залужен. Нагрев его, им набирают припой, переносят на место пайки и распределяют ровным слоем. При соединении больших поверхностей такая процедура повторяется несколько раз либо используют иной способ: на место соединения равномерно кладут некоторое количество кусочков припоя и расплавляют их; при этом паяльник время от времени надо окунать во флюс или в паяльную пасту. Оцинкованные места лудить не нужно.
Пайка. Соединяемые детали устанавливаются в удобном для пайки положение и фиксируются с помощью тисков, струбцин или иных приспособлений. Затем место пайки равномерно прогревают паяльником до требуемой рабочей температуры. Важно при этом контролировать степень нагрева паяльника и соединяемых поверхностей: если эти поверхности были прогреты слабо, то соединение будет ненадежным; если же паяльник перегрет, он плохо удерживает припой. Когда рабочая температура достигнута, сначала плавят флюс, а затем припой. Как только весь флюс расплавится, предварительно нагретый припой переносят на зазор. При соприкосновении с деталью, нагретой до нужной температуры, припой плавится и проникает в зазор. После этого паяльник используется только для поддержания рабочей температуры.
Как только припой остынет, можно снять зажимы. Саму деталь охлаждают на воздухе либо в холодной воде. Мягкая пайка пламенем целесообразна в тех случаях, когда нужно соединить заготовки сравнительно большой толщины: пламя прогревает их быстрее, чем паяльник. Мягкой пайкой можно соединять большинство металлов и их сплавов, исключая легкие металлы и сплавы (например, алюминий). Для соединения многих металлов требуются только свои припои. Поскольку мягкая пайка производится при заметно более низких температурах, то и требования к зачистке контактных поверхностей существенно выше.
Твердая пайка пламенем. Этим методом можно соединять все металлы, включая бронзу и серый чугун, а также и разнородные металлы, скажем, сталь с латунью. Отличие этого метода пайки от мягкой состоит лишь в том, что процесс идет при гораздо больших температурах. Для твердой плавки пламенем применяют обычные кислотно-ацетиловые горелки, а для получения небольших, тонкостенных соединений - газовые паяльные лампы. Например, при образовании Т-образного соединения вертикально стоящую заготовку фиксируют проволокой, горизонтальная же может быть не закреплена; проволока должна быть удалена от места пайки. Затем газовой горелкой (либо паяльной лампой) прогревают заготовки от краев к месту контакта, что исключает вероятность коробления и взаимного смещения деталей. Наконец, припой в форме прутка и проволоки осторожно подводят к месту пайки и дозированно, экономно расплавляют его. В заключение рассказа о пайке приведем виды соединений металлов, которые могут быть получены тем или иным видом пайки (рис. 72 и рис. 73).
Рис. 72.
Рис. 73.
Сварка - это процесс получения неразъемного соединения деталей из твердых материалов и изделий из них путем расплавления краев соединяемых деталей. Сваривают как однородные материалы (например, металл с металлом), так и разнородные (металл с керамикой). Существует множество методов сварки, из которых в домашних условиях наиболее широкое распространение получила дуговая сварка, при которой расплавление краев соединяемых деталей осуществляется электрической дугой. Эта дуга представляет собой электрический разряд между двумя электродами или электродом и изделием. Температура плазмы дуги составляет 6-7 тысяч градусов, что дает возможность плавить практически все металлы.
Сварочный агрегат состоит из сварочного аппарата с двумя соединительными кабелями. На конце одного из них находится зажим, укрепляемый на детали, на другом - держатель, в который вставляется электрод. Электрическая дуга возникает между кончиком электрода и деталью за счет сильного электрического поля, создаваемого сварочным аппаратом: оно пробивает воздушный промежуток между электродом и деталью, и в результате возникает мощный электрический ток, при протекании через деталь выделяющий большое количество тепла. Для возбуждения дуги надо коснуться детали кончиком (торцом) электрода и тотчас отвести его назад на 3-4 мм. Сварочный электрод представляет собой металлический стержень, плавящийся при сварке и дающий тем самым дополнительный металл для сварного шва. Наиболее распространенными являются электроды рубилового типа, используемые при сварке с помощью и постоянного, и переменного тока. Электроды обычно бывают длиной - 30 или 35 см, толщиной 1,5: 2,25; 3,25; 4; 5 мм и более. Для сварки более толстых деталей применяют и более толстые электроды, и большие токи. Таблица 10 конкретизирует это условие.
Таблица 10
Соединение двух или более деталей, полученное с помощью сварки, называется сварным. По форме такие соединения подразделяют на стыковочные, угловые, нахлесточные, тавровые (рис. 74) и другие; по положению сварного шва в пространстве - на нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные (рис. 75). Сварной шов - это участок сварного соединения, непосредственно связывающий свариваемые детали. По способу выполнения сварные швы бывают однопроходные, многослойные, непрерывные (сплошные, прерывистые, угловые, стыковые, точечные и некоторые другие) (рис. 76.)
Рис. 74.
:
а - стыковое; б - угловое; в - нахлесточное; г - тавровое
Рис. 75.
:
а - нижние; б - горизонтальные; в - вертикальные; г - потолочные
Рис. 76.
:
а - стыковой непрерывный однопроходный; б - стыковой непрерывный многослойный; в - угловой прерывистый
Особенности сварочной дуги. В процессе горения дуги под электродом, т. е. в детали, образуется углубление, заполненное жидким металлом, которое называется кратером. Часть этого металла испаряется, и при гашении дуги кратер оказывается «сухим», т. е. просто представляет собой выемку, ямку в металле. Кратер снижает качество сварного шва, и его необходимо заполнить, т. е. заварить. Глубина кратера, или, как ее называют, глубина провара тем больше, чем больше сварочный ток и меньше скорость перемещения дуги. Заваривают кратер так. На основном металле зажигают дугу, после чего перемещают ее через кратер к валику шва и, заполнив кратер, вновь двигают вперед. Наилучшее качество шва обеспечивает так называемая нормальная (или короткая) дуга, т.е. дуга, длина которой не превышает диаметра стержня электрода. Если эта длина больше, то дуга называется длинной. Надо иметь в виду, что слишком длинная дуга дает швы низкого качества. Существует еще один «нехороший» эффект, который надо устранять, - отклонение разрядной дуги под действием магнитного поля разрядного тока, или явление так называемого магнитного дутья (рис. 77).
Рис. 77.
:
а, б - отклонения дуги; в - компенсация отклонения дуги наклоном электрода
Чтобы уменьшить отклонение дуги, применяют ряд мер: меняют месторасположение токоподвода, наклоняют электрод в сторону отклонения дуги, уменьшают ее длину. Хотя дуга переменного тока менее устойчива, чем дуга, питаемая постоянным током, сварка ею имеет преимущество в простоте и меньшей стоимости сварочного оборудования. Сварку дугой постоянного тока можно проводить при соединении «+» источника питания со свариваемой деталью (прямая полярность) или с электродом (обратная полярность) (понятно, что при сварке на переменном токе это неважно). При горении дуги прямой полярности больше нагревается свариваемая деталь, а обратной полярности - электрод. Кроме того, скорость плавления электродов, изготовленных из низкоуглеродистых сталей, при обратной полярности на 10-40% больше, чем при прямой. Это обстоятельство учитывают, выбирая прямую либо обратную полярность в зависимости от вида сварочных работ (прихватка или сварка), толщины свариваемых изделий, материала электродов (углеродистый, хромоникелевый). Сварка с обратной полярностью применяется также при соединении тонких листов металла.
Техника дуговой сварки. Прежде чем приступать к собственно сварке, необходимо очистить края соединяемых деталей от грязи, ржавчины, масла, краски и шлака. Выбрав соответствующий виду сварного шва электрод, следует вставить его свободным от обмазки концом в электрододержатель, после чего установить переключатель силы тока в положение, соответствующее нормальному режиму сварки. Как зажечь дугу, уже объяснялось выше. В местах ее контакта со свариваемой деталью металл плавится мгновенно, поэтому сварку надо начинать тотчас по зажигании дуги. Процесс плавления происходит в двух зонах, металл в которых смешивается: одна на электроде, другая на краях деталей. Зона смешивания при удалении электрода быстро застывает за счет хорошего теплоотвода из нее. Образующийся при остывании шов называется наплавленным валиком.
Электрод при сварке перемещают по весьма замысловатой траектории: в направлении его оси (для сохранения определенной дуги), вдоль и поперек сварного шва. При слишком быстром движении электрода шов получается узким, неплотным и неровным. Медленное движение может привести к перегреву и пережогу металла. Колебательное (зигзагообразное) перемещение конца электрода не только вдоль, но и поперек шва приводит к образованию широкого валика. Ширина широкого шва должна равняться 6-15 мм, а узкого («ниточного») - на 2-3мм шире диаметра электрода. Легче всего осуществить сварку в нижнем положении (см. рис. 75а).
Надежность такого шва можно повысить подваркой ниточным швом с обратной стороны. Многослойные сварные швы выполняют путем наложения друг на друга многих валиков; при этом перед наплавкой очередного валика надо молотком и металлической щеткой тщательно счистить шлак с предыдущего валика. Качество сварки существенно зависит от аккуратности выполнения первого слоя. Это особенно важно для тех конструкций, где нет возможности сделать подварку обратной стороны стыка. При сварке горизонтальных швов обычно скос делают только у верхней детали соединения (см. рис. 75б). Дугу сначала зажигают на нижней горизонтальной кромке, после чего переходят на скошенную верхнюю кромку. Сложнее сваривать потолочные швы (см. рис. 75г), так как необходимо удержать металл от стекания из кратера вниз. Этого можно добиться только при сварке короткой дугой. Ток дуги и диаметр электрода при сварке этого типа швов должны составлять на 15-20% больше, чем при сварке швов в нижнем положении. Сварные швы заполняют двумя способами: по длине и по сечению. В первом способе их выполняют «напроход» и обратно ступенчатым способом. Швы, длина которых не более 300 мм, напроход ведут от начала до конца в одном направлении. Швы длиной 300-1000 мм сваривают либо напроход от середины к краям, либо обратно-ступенчатым способом. Последним способом варят и швы большой (более 1000 мм)длины. Обратноступенчатый способ состоит в том, что длинный шов делят на участки длиной 100-300 мм и проваривают их в направлении, противоположном общему направлению шва. Конец каждого участка при этом сваривают с началом предыдущего.
Как уже отмечалось, по способу выполнения различают однослойные (однопроходные), многослойные и др. швы. В многослойном каждый слой выполняется за один либо за два-три прохода. В любом случае применяется обратноступенчатый способ сварки. Стыковое соединение (см. рис. 74а) их элементов толщиной 4-8 мм выполняют однопроходным швом (см. рис. 76а), а более толстые детали сваривают многослойным (многопроходным) швом. В последнем случае сварку производят ниточными валиками-электродами одного диаметра (рис. 76б). В месте поворота шов заваривают без отрыва дуги. Для сварки встык деталей разной толщины диаметр электрода и ток подбирают по нижним параметрам режима сварки, рекомендуемого для детали большей толщины. На нее же при выполнении сварки направляют электрическую дугу. Стыковое сварное соединение обладает рядом преимуществ по сравнению с соединениями других типов: возможность сварки деталей любой толщины; более высокая прочность; минимальный расход металла; надежность и удобство контроля. Имеются следующие стыковые соединения: без скоса кромок, с отбортовкой, с односторонним скосом (V-образные), с двусторонним скосом (Х-образные). Тавровые соединения бывают нескольких видов (рис. 78): под прямым углом без скоса кромок (рис. 78a); под углом со скосом одной кромки (б); под прямым углом со скосом одной кромки (в); под прямым углом с двусторонним скосом (г).
Рис. 78.
:
а - под прямым углом без скоса кромок; б - под углом со скосом одной кромки; в - под прямым углом со скосом одной кромки; г - под прямым углом с двусторонним скосом кромок
Угол скоса в соединениях под прямым углом обычно равен 55-60°. В этом способе соединений внахлестку (рис. 78б) деталь накладывают на деталь и выполняют шов по кромке верхнего элемента. Преимуществами этого соединения являются простота подготовки деталей под сварку и их сборки в конструкцию; небольшие усадки и коробления. К недостаткам можно отнести повышенный расход металла, необходимость сварки с двух сторон, вероятность возникновения коррозии, трудоемкость и большой расход электродов. Соединения внахлестку обычно применяются для сварки деталей толщиной 1-10 мм из низкоуглеродистых и коррозиестойких сталей. Процесс собственно сварки узлов и деталей начинают с их взаимной фиксации прихватками (или «клепками») - точечными «швами», иначе соединяемые элементы при сваривании могут «разбежаться» в разные стороны. Прихватки запрещается делать в острых углах, на окружностях малого радиуса, в местах резких переходов, а также вблизи отверстий и на расстоянии менее 10 мм от них или от края детали.
Фланцы, цилиндры, шайбы, трубчатые соединения фиксируют, располагая прихватки симметрично. Если необходимо делать двустороннюю прихватку, эти точечные «швы» надо располагать в шахматном порядке. В любом случае последовательность расположения прихваток должна сводить до минимума коробление листов. Кроме того, при выполнении прихваток сварочный ток должен быть на 20-30% больше, необходимого для сварки тех же материалов; электроды, напротив, следует выбрать тоньше; длина дуги при выполнении прихваток должна быть малой - не более диаметра электрода; дуга отрывается не в момент образования кратера, а после полного его заполнения.
Трудности при выполнении сварочных работ. 1. Прилипание электрода - это, по существу, короткое замыкание, в результате которого сварочный аппарат испытывает перегрузку. Прилипший электрод удаляют из шва резким рывком. 2. Другим дефектом, часто возникающим при сварке, является увод дуги от сварного шва: методы борьбы с ним описаны выше. 3. Швы получаются непрочными в следующих случаях: при сваривании многопроходного шва не полностью удален шлак с поверхности наплавленных валиков; слишком большой или малый разрядный ток.
Техника безопасности при дуговой сварке. Пря проведении сварочных работ всегда существует вероятность получения травм той или иной степени тяжести: удар током, ожог электродом или раскаленными частицами металла, ожог сетчатки световым излучением дуги и др., поэтому при выполнении таких работ строжайшее выполнение правил электробезопасности становится не только условием успешного их проведения, но и выживания сварщика. Прежде всего необходимо тщательнейшим образом проверить целостность изоляции электрических цепей. Корпус источника питания обязательно должен быть заземлен, а еще лучше - «занулен» (рис. 79). Любые работы с источником - перемещения, ремонт и т.д.- должны производиться при отключении его от сети. Особенно важно обращать внимание на провода с сечением, выбранным из расчета 5-7А/мм 2 . Электрододержатели (рис. 80) должны соответствовать всем предъявляемым к ним требованиям.
Рис. 79.
Рис. 80.
И последнее: неплохо ознакомиться (в том числе и практически) с основными приемами оказания помощи при электротравмах. Обратим особое внимание на то, как обращаться с собственно электрической дугой, которая представляет собой наибольшую опасность для глаз, и при сильном воздействии вызывает катаракту (помутнение хрусталика). Ясно, что без защитной маски сваркой заниматься нельзя. Здесь проблема состоит в подборе светофильтра. Для этого рекомендуется провести пробную сварку; если в свете дуги через фильтр виден подлежащий сварке стык, т.е. на 1-2 см видно, куда вести электрод, - фильтр годится. Если видимость хуже, значит, фильтр слишком темный, а если видно очень далеко - слишком светлый. Но даже при правильном подборе светофильтра маски неопытные сварщики частенько «налавливают зайчиков» от излучения дуги. Вечером или ночью после работы со сварочным агрегатом человек начинает ощущать, что его глаза словно наполнены движущимся крупнозернистым песком. Помимо «зайчиков», можно получить ожоги открытых частей тела. Для предотвращения подобных травм следует надевать одежду сварщика, состоящую из брюк и куртки из брезентовой ткани, а также сапоги или ботинки. Брюки надо надевать поверх обуви, с тем чтобы уберечь ноги от ожогов брызгами металла и горячими огарками.
Напряженность магнитного поля на оси кругового тока (рис. 6.17-1), создаваемого элементом проводника Idl , равна
поскольку в данном случае
Рис. 6.17. Магнитное поле на оси кругового тока (слева) и электрическое поле на оси диполя (справа)
При интегрировании по витку вектор будет описывать конус, так что в результате «выживет» только компонента поля вдоль оси 0z . Поэтому достаточно просуммировать величину
|
|
Интегрирование
выполняется с учетом того, что подынтегральная функция не зависит от переменной l , а
Соответственно, полная магнитная индукция на оси витка равна
|
|
В частности, в центре витка (h = 0) поле равно
На большом расстоянии от витка (h >> R ) можно пренебречь единицей под радикалом в знаменателе. В результате получаем
|
|
Здесь мы использовали выражение для модуля магнитного момента витка Р m , равное произведению I на площадь витка Магнитное поле образует с круговым током правовинтовую систему, так что (6.13) можно записать в векторной форме
|
|
Для сравнения рассчитаем поле электрического диполя (рис. 6.17-2). Электрические поля от положительного и отрицательного зарядов равны, соответственно,
так что результирующее поле будет
|
|
На больших расстояниях (h >> l ) имеем отсюда
|
|
Здесь мы использовали введенное в (3.5) понятие вектора электрического момента диполя . Поле Е параллельно вектору дипольного момента, так что (6.16) можно записать в векторной форме
|
|
Аналогия с (6.14) очевидна.
Силовые линии магнитного поля кругового витка с током показаны на рис. 6.18. и 6.19
Рис. 6.18. Силовые линии магнитного поля кругового витка с током на небольших расстояниях от провода
Рис. 6.19. Распределение силовых линий магнитного поля кругового витка с током в плоскости его оси симметрии.
Магнитный момент витка направлен по этой оси
На рис. 6.20 представлен опыт по исследованию распределения силовых линий магнитного поля вокруг кругового витка с током. Толстый медный проводник пропущен через отверстия в прозрачной пластинке, на которую насыпаны железные опилки. После включения постоянного тока силой 25 А и постукивания по пластинке опилки образуют цепочки, повторяющие форму силовых линий магнитного поля.
Магнитные силовые линии для витка, ось которого лежит в плоскости пластинки, сгущаются внутри витка. Вблизи проводов они имеют кольцевую форму, а вдали от витка поле быстро спадает, так что опилки практически не ориентируются.
Рис. 6.20. Визуализация силовых линий магнитного поля вокруг кругового витка с током
Пример 1. Электрон в атоме водорода движется вокруг протона по окружности радиусом а B = 53 пм (эту величину называют радиусом Бора по имени одного из создателей квантовой механики, который первым вычислил радиус орбиты теоретически) (рис. 6.21). Найти силу эквивалентного кругового тока и магнитную индукцию В поля в центре окружности.
Рис. 6.21. Электрон в атоме водорода а B = 2,18·10 6 м/с. Движущийся заряд создает в центре орбиты магнитное поле
Этот же результат можно получить с помощью выражения (6.12) для поля в центре витка с током, силу которого мы нашли выше
Пример 2. Бесконечно длинный тонкий проводник с током 50 А имеет кольцеобразную петлю радиусом 10 см (рис. 6.22). Найти магнитную индукцию в центре петли.
Рис. 6.22. Магнитное поле длинного проводника с круговой петлей
Решение. Магнитное поле в центре петли создается бесконечно длинным прямолинейным проводом и кольцевым витком. Поле от прямолинейного провода направлено ортогонально плоскости рисунка «на нас», его величина равна (см. (6.9))
Поле, создаваемое кольцеобразной частью проводника, имеет то же направление и равно (см. 6.12)
Суммарное поле в центре витка будет равно
http://n-t.ru/nl/fz/bohr.htm - Нильс Бор (1885–1962);
http://www.gumer.info/bibliotek_Buks/Science/broil/06.php - теория Бора атома водорода в книге Луи де Бройля «Революция в физике»;
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1922/bohr-bio.html - Нобелевские премии. Нобелевская премия по физике 1922 г. Нильс Бор.
Рассмотрим поле, создаваемое током, текущим по тонкому проводу, имеющему форму окружности радиуса R (круговой ток). Определим магнитную индукцию в центре кругового тока (рис. 47.1).
Каждый элемент тока создает в центре индукцию, направленную вдоль положительной нормали к контуру. Поэтому векторное сложение сводится к сложению их модулей. По формуле (42.4)
Проинтегрируем это выражение по всему контуру:
Выражение в скобках равно модулю дипольного магнитного момента (см. (46.5)).
Следовательно, магнитная индукция в центре кругового тока имеет величину
Из рис. 47.1 видно, что направление вектора В совпадает с направлением положительной нормали к контуру, т. е. с направлением вёктора Поэтому формулу (47.1) можно написать в векторном виде:
Теперь найдем В на оси кругового тока на расстоянии от центра контура (рис. 47.2). Векторы перпендикулярны к плоскостям, проходящим через соответствующий элемент и точку, в которой мы ищем поле. Следовательно, они образуют симметричный конический веер (рис. 47.2, б). Из соображений симметрии можно заключить, что результирующий вектор В направлен вдоль оси контура. Каждый из составляющих векторов вносит в результирующий вектор вклад равный по модулю Угол а между и b прямой, поэтому
Проинтегрировав по всему контуру и заменив на получим
Эта формула определяет величину магнитной индукции на оси кругового тока. Приняв во внимание, что векторы В и имеют одинаковое направление, можно написать формулу (47.3) в векторном виде:
Это выражение не зависит от знака г. Следовательно, в точках оси, симметричных относительно центра тока, В имеет одинаковую величину и направление.
При формула (47.4) переходит, как и должно быть, в формулу (47.2) для магнитной индукции в центре кругового тока.
На больших расстояниях от контура в знаменателе можно пренебречь по сравнению с Тогда формула (47.4) принимает вид
аналогичный выражению (9.9) для напряженности электрического поля на оси диполя.
Расчет, выходящий за рамки данной книги, дает, что любой системе токов или движущихся зарядов, локализованной в ограниченной части пространства, можно приписать магнитный дипольный момент (ср. с дипольным электрическим моментом системы зарядов). Магнитное поле такой системы на расстояниях, больших по сравнению с ее размерами, определяется через по таким же формулам, по каким определяется через дипольный электрический момент поле системы зарядов на больших расстояниях (см. § 10). В частности, поле плоского контура любой формы на больших расстояниях имеет вид
где - расстояние от контура до данной точки, - угол между направлением вектора и направлением от контура в данную точку поля (ср. с формулой (9.7)). При формула (47.6) дает для модуля вектора В такое же значение, как и формула (47.5).
На рис. 47.3 изображены линии магнитной индукции поля кругового тока. Показаны лишь линии, лежашие в одной из плоскостей, Проходящей через ось тока. Подобная же картина имеет место в любой из этих плоскостей.
Из всего сказанного в предыдущем и в данном параграфах вытекает, что дипольный магнитный момент является весьма важной характеристикой контура с током. Этой характеристикой определяется как поле, создаваемое контуром, так и поведение контура во внешнем магнитном поле.