Способ соединения конструкций изкамня и устройство для осуществле-ния способа

 

°,1

Союз Советских

Социалистических

Реслублик

К АВТОРСКОМУ СВИ ИТИЛЬСТВУ (6т ) ДополнительHoS K авY. сан@-ву— (22) заявлено 070379 (23) 2737721/29-33 (5I)Al. Кл. с присоединением заявки М— (23) Приоритет—

Е 04 В 1/56

Госудврстеенный комитет

СССР ло делам изобретеннй н открытий

Опубликовано 150181. Бюллетень 89 2

Дата опубликования описания 150 1.81 (53) УДК б21.791 (088. 8) (72) Авторы изобретения

A,Н,Москалев, О.В,Явтушенко, В.И.Лойк и В,И.Сушка. (71) Заявитель

Институт геотехнической механики АН Украинской ССР (54) СПОСОБ СОЕЦИНЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КАМНЯ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСYgЕCТВЛЕHИЯ

СПОСОБА

Однако этот способ может успешно применяться в случаях, когда свариваемые детали не несут значительных механических нагрузок (например, когда цель сварки — гидро- или теплоизоляция определенного объекта) или при сваривании изделий небольшой 20 толщины, когда проплавляются практически полностью стыкуемые поверхности деталей. Поскольку известный способ позволяет соединять только наружные кромки стыкуемых поверхностей, при сваривании деталей и конструкций больших размеров (толстостенных труб, блоков и т,д,) прочность соединения оказывается весьма низкой, Максимальная глубина наплава состав- З0

Изобретение относится к строительству и промышленности стройматери алов, в частности к способам сварки неметаллических материалов естествен5 ного и искусственного происхождения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ соединения конструкций из камня, включа- 10 ющий размещение присадки мзжцу ними, нагрев до температуры плавления материала присадки (1) . ляет 10-20 мм и остальные части стыкуемых для соединения поверхностей не получают взаимодействия друг с другом.

Известно также устройство для осуществления способа, содержащее стол, механизм сжатия, нагреватели и механизм смещения их (2).

Цель изобретения — повышение прочности соединения.

Указанная цель достигается тем, что в процессе соединения конструкций из камня, включающем размещение присадки между ними, нагрев до температуры плавления материала присадки, последнюю размещают rro всей пло" щади соединяемых поверхностей, а нагрев осуществляют с помощью элект° ромагнитной энергии с длиной волны

1-100 см и плотностью потока энергии 200-500 Вт/см, а свариваемые конструкции выдерживают в электромагнитном поле 30-90 с.

В качестве присадки используют материал с тангенсом угла диэлектрических потерь, на порядок превышающим тангенс угла потерь материала соединяемых конструкций.

В устройстве для осуществления способа, содержащем стол, механизм

79634 7 сжатия, нагреватели и механизм смещен и я их, к аждый н агре ватель выполнен в виде излучателя электромагнитной энергии в форме пирамидального рупора и расположен перпендикулярно плоскости свариваемых поверхностей, при этом механизм смещения установлен на одном нагревателе, а между нагревателями и поверхностями свариваемых конструкций помещены пластины из диэлектрической керамики, толщина которых составляет четверть длины волны генератора электромагнитной энергии, поступающей в нагреватели по волноводному тракту.

На чертеже показано устройство

35 для осуществления способа.

Устройство содержит стол, крышка 1 которого является одной из пластин диэлектрической керамики, расположенной между свариваемыми конструк- 20 циями 2 и 3 присадкой 4 и излучателем 5. С противоположной стороны свариваемых конструкций расположен излучатель 6, который опускается к конструкциям с помощью механизма сме- 25 щения, состоящего из телескопическо" го сочленения /,захвата 8, тяги 9 и привода 10. Между излучателем 6 и свариваемыми конструкциями помещена вторая пластина 11 из диэлектричес- gg кой керамики, входящая в состав механизма 12 сжатия. В излучатели 5 и4 б электромагнитная энергия поступает от генератора 13 по волноводному тракту 14. Привод механизма смещения и часть волноводного тракта размещены на опоре 15.

Сваривание конструкций из камня осуществляется следующим образом.

Между стыкуемыми для соединения поверхностями каменных конструкций

2 и 3 помещают слой присадки 4 (порошкообразный или в виде пластины) .

C помощью механизма 12 сжатия осущест вляют плотное соприкосновение между свариваемыми конструкциями и присад- 45 кой. Посредством механизма смещения опускают излучатель 6 на пластину

11. Затем от генератора 13 через волноводный тракт 14 излучатели 5 и б и пластины 1 и 11 из диэлектричес- Я) кой керамики электромагнитную энергию подают на свариваемые конструкции. В результате преобразования в присадке электромагнитной энергии в тепловую присадка плавится, оплавляя у также свариваемые поверхности конструкций. После этого подачу электромагнитной энергии прекращают и свариваемые конструкции выдерживают под давлением до полной кристализации расплана, бО

Допустимые пределы режимов проведения операций способа.

Время, затраченное на плавление присадки, обратно пропорционально плотности потока подводимой энергии, 65 поэтому плотность потока выбирают

200-500 Вт/см . В соответствии с этими пределами присадка плавится за

30 — 90 с. Использование плотности потока менее 200 Вт/см требует значительного увеличения времени, затраченного на сварку (например,7-10 мин при 70-100 Вт/см ),что технологически нецелесообразно. Нерационально и применение большой плотности потока (порядка 100 Вт/см ),что может при2 вести к разрядам и другим пробойным явлениям как в области присадки,так и на облучаемых поверхностях свариваемых конструкций.

Выбор значений тангенса угла диэлектрических потерь присадки, на порядок превышающим значения тангенса потерь свариваемых материалов, объясняется тем, что мощность, поглощаемая едийицей объема облучаемого материала P определяется выражением

Р=0,287 Е ° f ° б tg 10, Вт/смЗ где f — частота, мГц;

Š— напряженность электрического поля, В/см; — диэлектрическая проницаемость материала;

tg8 — тангенс угла диэлектрических потерь материала.

Е и f являются параметрами генератора и излучающей системы и остаются постоянными в каждом конкретном случае реализации способа, е. определяет отражающую способность материала, tg 8. — потери энергии (т.е. количество электромагнитной энергии,превышающейся в тепловую) в материале.

Если величины tg6 свариваемых материалов и присадки выбрать одинаковыми, то электромагнитная энергия по мере удаления от излучателя будет экспоненциально затухать, и температура присадки не будет превышать температуру свариваемых материалов.

При незначительном увеличении tg о присадки (в 2-3 раза) произойдет равномерный нагрев присадки и свариваемых материалов,и только при росте 1до присадки в 10 раз температура свариваемых конструкций за период практически не изменится, в то время как присадка нагревается до температуры плавления. Дальнейший рост tgd присадки приведет к кипению и испарению расплава,что вызывает появление нежелательных газовых включений в сварном шве.

Длина волны выбирается в диапазоне 1-100 см с тем, чтобы охватить максимальный разброс геометрических размеров свариваемых материалов. Ослабление энергии электрического поля Е в облучаемом материале предсО тавляется в виде

Е=Е„ехр (-тСх), где — постоянная затухания; х — глубина, на которой определяется величина Е.

796347

Расстояние х на котором амплитуда Е падает в е раз по сравнению с ее начальным уровнем, является глубиной проникновения, при этом удовлетворяется соотношение д х=l

Применительно к свариванию каменных конструкций нецелесообразно использовать условия, -когда присадка будет расположена под конструкцией, толщина которой больше глубины проникновения, так как на присадку в этом случае попадает менее 37% излучаемой энергии, Зависимость глубины проникновения е от длины волны Л определяются из соотношений а, РГ где 9= Ю. Яс 6 ((Сим/м) — электро-;щ проводность материала, Сим/м;

Ш угловая частота колебаний)

6 =6 -со†абсолютная диэлектрическая проницаемость)

- Ъ

6 =8,8Ь. Î вЂ” электрическая постоянная, ф/м) 30 — диэлектрическая проницаемость материалаа;

I АС,= )4 .- абсолютная магнитная проницаемость)

-6

Ц =a,157-<0 — магнитная постоянная, Гн/м1 магнитная проницае.I мость материала.

Выразив со через Л (Qu= — ),где ф) с — скорость света, 3-. 10 м/с,а eL через e(d= ) получим

Л е= Ф С- %8, 6

О

Так им об разом, рос т длины волны приводит к увеличению глубины проникновения электромагнитной энергии в материал.

Например, для гранита с диэлектI рическими параметрами в =б и tg u =

0,05 при длине волны Л =12,63 см глубина проникновения составит 32,6 см, а при длине волны 70 см — 170 см.

Следовательно, для сваривания конструкций толщиной порядка 30-35 см необходимо использовать длину волны

12, б 3 см, а при толщине 150-200 смдлину волны 70 см, Применение при толщине иэделий 150-200 см длины волны 12,63 см нецелесообразно из-за 40 больших потерь энергии, так как глубина проникновения составляет лишь

32,6 см и к присадке придет менее

37% излучаемой энергии, Приведенные примеры показывают также, что ис- б5 пользуемая для реализации способа длина волны излучения должка быть не менее, чем одна треть наибольшей толщины свариваемых конструкций.

При э том толщина сварив аемых конструкций не превышает глубины проникновения электромагнитной энергии в материале. Как отмечалось, для сваривания конструкций толщиной 3035 см необходимы применять длину волны 12,63. Треть толщины составит

10-12 см, Аналогично для толщины

150-200 см наиболее рациональна длина волны 70 см. Здесь треть толщины конструкции равна 50-67 см. В обоих случаях длина волны превосходит треть толщины конструкции. Выполнение этого условия позволяет реали ,зовать способ для любых толщин конструкций и длин волн.

Ввод электромагнитной энергии в свариваемые конструкции посредством по меньшей мере двух соосно расположенных излучателей, размещенных на противоположных сторонах конструкций, также связан с особенностями затухания электромагнитных волн в материале, B соответствии с условиями реализации способа при тангенсе потерь свариваемых материалов tgdN,=

0,05 и на порядок большем тангенса потерь присадка tg dð =10 tg 8 =О, 5 глубина проникновения. электромагнитной волны с Л =12, б 3 см в присадку составит 3,26 см. Следовательно,при облучении присадки только с одной стороны на глубину 3,26 см в нее дойдет в 2,73 раза меньше энергии, чем на ее облучаемую поверхность. В результате этого присадка начнет плавиться с одной стороны, со стороны излучателя сварка произойдет только между ближней к излучателю, конструкцией и присадкой. Расположение еще одного излучателя с противоположной стороны свариваемых конструкций, соосно первому, приведет к равномерному нагреву и плавлению присадки и к свариванию конструкций друг с другом.

Размещение между облучаемыми поверхностями свариваемых конструкций и излучателями пластин из диэлектрической керамики (например, пирокерамики 8606) вызвано необходимостью согласования сред с различными волновыми сопротивлениями, в данном случае — воздуха и свариваемых конструкций, для предотвращения отражения электромагнитной энергии на границе между этими средами. Четвертьволновой слой такой керамики играет роль согласующего переходного устройства, от которого не происходит отражения энергии.

Привод для изменения расстояния между излучателями предусматривает плотное прилегание рас-.крывов излучателей (через диэлектрические плас796 34 7 тины) к свариваемым конструкциям при изменении геометрических размеров конструкций.

Схема осуществления способа соединения конструкций из камня предложенным устройством доказывает, что для любых конструкций из камня новый метод осуществим в реальных условиях.

При осуществлении способа получают принципиально новую возможность нагревать присадку до температуры плавления сквозь толщину свариваемых материалов, механические свойства которых при этом не нарушаются, что позволяет значительно повысить прочность сварного шва, так как при- 15 садка может покрывать всю площадь свариваемых поверхностей, Для сопоставления прочности сваренных конструкций при известных и предлагаемых методах сварки свари- ;щ вают (двумя методами) пластины гранита (6 =6,1i tgd =0,06) толщиной

5 см, Площадь поверхности свариваемых граней 10 .l0 см . В качестве присадки берут железистый кварцит с

30%-ным содержанием магнетита (С =

6, 3; tg о =О, 6) толщиной 4 мм, В первом случае (по известному способу) присадка располагается только по периметру свариваемых поверхностей и обрамляет их вдоль кромок О на ширину 2 см (максимальная глуби-, на наплава), т.е. присадка покрывает менее двух третей площади свариваемых поверхностей (64 из 100 см ) .

Во втором случае (по предлагаемо- З5 му способу) слоем присадки полностью покрывают свариваемые поверхности,.

После сваривания образцов определяют предел прочности при растяжении (бра .) полученного обоими методами 4О ! соединения. Если в первом случае Рц составляет 70- 100 кг/cM ; то во втором он возрастает до 160210 кг/см, что не менее чем в 2 раза больше по сравнению с известным способом сварки, Формула изобретения

1. Способ соединения конструкций из камня, включающий размещение присадки между ними, нагрев до температуры плавления материала присадки, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности соединения, присадку размещают по всей площади соединяемых поверхностей, а нагрев осуществляют с помощью электромагнитной.энергии с длиной волны 1-100 см и плотностью потока энергии 200500 Вт/см, причем сварив аемые конструкции выдерживают в электромагнитном поле 30-90 с.

2. Способ по п.l о т л и ч а— ю шийся тем, что в качестве присадки используют материал с тангенсом угла диэлектрических потерь, на порядок превышающим тангенс угла потерь материала соединяемых конструкций.

3. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее стол, механизм сжатия, нагреватели и механизм смещения их, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что каждый нагреватель выполнен в виде излучателя электромагнитной энергии в форме пирамидального рупора и расположен перпендику,лярно плоскости свариваемых поверхностей, при этом механизм смещения установлен на одном нагревателе, а между нагревателями и поверхностями свариваемых конструкций помещены пластины из диэлектрической керамики, толщина которых составляет четверть длины волны генератора электромагнитной энергии, поступающей в нагреватели по волноводному трак у.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 138350, кл. Е 04 В 1/56 1959.

2. Патент Великобритании

М 1463416, кл,.С 1 М, 1977, 79634 7

Составитель М.Парамонова

Редактор С.Шевченко Техред Т. Маточка Корректор Н. Стец

Заказ 57

Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г,ужгород, ул.Проектная,