Способ соединения конструкций изкамня и устройство для осуществле-ния способа

Союз Советских Социалистических Реслублик(23) Приоритет -Е 04 В 1/56 Госудврствениый комитет СССР ло делвм изобретений и открытий. (71) Заявитель Институт геотехнической механики АН Украинской ССР(54) СПОСОБ СОЕЦИНЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КАМНЯИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯСПОСОБА Изобретение относится к строительству и промышленности стройматери алов, в частности к способам сварки неметаллических материалов естествен"5 ного и искусственного происхождения.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ соединения конструкций из камня, включа ющий размещение присадки мзжцу ними, нагрев до температуры плавления материала присадки 1. Однако этот способ может успешно применяться в случаях, когда свариваемые детали не несут значительных механических нагрузок (например, когда цель сварки - гидро- или тепло- изоляция 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 ляет 10-20 мм и остальные части стыкуемых для соединения поверхностейне получают взаимодействия друг сдругом.Известно также устройство дляосуществления способа, содержащеестол, механизм сжатия, нагревателии механизм смещения их (21,Цель изобретения - повышение прочности соединения,Указанная цель достигается тем,что в процессе соединения конструкций из камня, включающем размещениеприсадки между ними, нагрев до температуры плавления материала присадки, последнюю размещают по всей пло"щади соединяемых поверхностей, анагрев осуществляют с помощью электромагнитной энергии с длиной волны1-100 см и плотностью потока энергии 200-500 Вт/см", а свариваемыеконструкции выдерживают в электромагнитном поле 30-90 с.В качестве присадки используютматериал с тангенсом угла диэлектрических потерь, на порядок превышающим тангенс угла потерь материаласоединяемых конструкций,В устройстве для осуществленияспособа, содержащем стол, механизмсжатия, нагреватели и механизм смещения их, каждый нагреватель 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 понерхностями сваринаемых конструкций помещены пластины из диэлектрической керамики, толщина которых составляет четверть длины волны генератора электромагнитной энергии, поступающей в нагреватели по волноводному тракту.На чертеже показано устройство35для осуществления способа.Устройство содержит стол, крышка 1которого янляется одной из пластиндиэлектрической керамики, расположенной между свариваемыми конструкциями 2 и 3 присадкой 4 и излучателем 5. С противоположной сторонысвариваемых конструкций расположенизлучатель б, который опускается кконструкциям с помощью механизма смещения, состоящего из телескопическо"го сочленения 7,захвата 8, тяги 9 ипривода 10. Между излучателем 6 иснариваемыми конструкциями помещенавторая пластина 11 из диэлектричес- рркой керамики, входящая в состав механизма 12 сжатия. В излучатели 5 и 4б электромагнитная энергия поступает от генератора 13 по волноводномутракту 14. Привод механизма смещенияи часть волноводного тракта размещены на опоре 15.Снаривание конструкций из камняосуществляется следующим образом.Между стыкуемыми для соединенияповерхностями каменных конструкций ф2 и 3 помещают слой присадки 4 (порошкообразный или в виде пластины),С помощью механизма 12 сжатия осуществляют плотное соприкосновение междусваринаемыми конструкциями и присадкой. Посредством механизма смещенияопускают излучатель б на пластину11. Затем от генератора 13 черезволноводный тракт 14 излучатели 5 иб и пластины 1 и 11 из диэлектричес Окой керамики электромагнитную энергию подают на снариваемые конструкции. В результате преобразования вприсадке электромагнитной энергии втепловую присадка плавится, оплавляя 55также свариваемые поверхности конструкций. После этого подачу электромагнитной энергии прекращают и свариваемые конструкции выдерживают под давлением до полной кристализации расплана,бОДопустимые пределы режимов проведения операций способа,Время, затраченное на плавлениеприсадки, обратно пропорциональноплотности потока подводимой энергии, 65 поэтому плотность потока выбирают200-500 Вт/см . В соответствии сэтими пределами присадка плавится за30 - 90 с. Использование плотностипотока менее 200 Вт/см" требует значительного увеличения времени, затраченного на сварку (например,7-10 минпри 70-100 Вт/см ),что технологически нецелесообразно, Нерационально иприменение большой плотности потока(порядка 100 Вт/см ),что может при 2вести к разрядам и другим пробойнымянлениям как в области присадки,таки на облучаемых поверхностях свариваемых конструкций.Выбор значений тангенса угла диэлектрических потерь присадки, напорядок превышающим значения тангенса потерь свариваемых материалов,объясняется тем, что мощность, поглощаемая единицей объема облучаемогоматериала Р определяется выражениемР=0,287 Е1б.1 цб 10 , Вт/смЗгде Й - частота, мГц;Е - напряженность электрического поля, В/см;- диэлектрическая проницаемость материала;1 дУ - тангенс угла диэлектрических потерь материала.Е и й являются параметрами генератора и излучающей системы и остаются постоянными н каждом конкретномслучае реализации способа, е, определяет отражающую способность материала, 19 Р - потери энергии (т.е. количество электромагнитной энергии,превышающейся в тепловую) в материале,Если величины 196 свариваемых материалов и присадки выбрать одинаковыми, то электромагнитная энергия помере удаления от излучателя будетэкспоненциально затухать, и температура присадки не будет превышатьтемпературу свариваемых материалов.При незначительном увеличении 1 д оприсадки (в 2-3 раза) произойдетравномерный нагрев присадки и свариваемых материалов,и только при росте ТдУ присадки в 10 раз температурасвариваемых конструкций за периодпрактически не изменится, и то времякак присадка нагревается до температуры плавления. Дальнейший рост 1 дРприсадки приведет к кипению и испарению расплава,что вызывает появление нежелательных газовых нключенийв сварном шве.Длина волны выбирается в диапазоне 2-100 см с тем, чтобы охватитьмаксимальный разброс геометрическихразмеров сваринаемых материалов. Ослабление энергии электрического поля Е в облучаемом материале предсОтавляется в видеЕ=Еехр(-сх),где- постоянная затухания;х - глубина, на которой определяется величина Е.Расстояние х, на котором амплитуда Е падает в е раз по сравнению сее начальным уровнем, является глубиной проникновения, при этом удовлетворяется соотношениед х=1Применительно к свариванию каменных конструкций нецелесообразно использовать условия, .когда присадкабудет расположена под конструкцией,толщина которой больше глубины проникновения, так как на присадку вэтом случае попадает менее 373 излучаемой энергии,Зависимость глубины проникновенияе от длины волны Л определяются изсоотношений где 9=Ю ц 8 6 6 Сим/м) - электро Опроводность материала,Сим/м;а) угловая частота р 5колебанийабсолютная диэлектрическая проницаемость)-6И =,157 10 - магнитная постоянная, Гн/м 1магнитная проницаемасть материала.Выразив ю через Л (Ю= в ) ,где 40с - скорость света, 3-10 м/с,а с(,через е(д =-) получимЛе: ВСЮ ,аТаким образом, рост длины волныприводит к увеличению глубины проникновения электромагнитной энергиив материал.Например, для гранита с диэлект" 5 р1рическими параметрами в:б и д У =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 смнеобходимо использовать длину волны12,63 см, а при толщине 150-200 смдлину волны 70 см, Применение притолщине иэделий 150-200 см длиныволны 12,63 см нецелесообразно из-за 40больших потерь энергии, так как глубина проникновения составляет лишь32,6 см и к присадке придет менее37 излучаемой энергии, Приведенныепримеры показывают также, что ис- б 5 пользуемая для реализации способадлина волны излучения должка быть неменее, чем одна треть наибольшейтолщины свариваемых конструкций,При этом толщина свариваемых конструкций не превышает глубины проникновения электромагнитной энергиив материале. Как отмечалось, длясваривания конструкций толщиной 3035 см необходимы применять длинуволны 12,63, Треть толщины составит10-12 см, Аналогично для толщины150-200 см наиболее рациональна длина волны 70 см. Здесь треть толщиныконструкции равна 50-67 см. В обоихслучаях длина волны превосходиттреть толщины конструкции, Выполнение этого условия позволяет реали,зовать способ для любых толщин конструкций и длин волн,Ввод электромагнитной энергии всвариваемые конструкции посредствомпо меньшей мере двух соосно расположенных излучателей, размещенных напротивоположных сторонах конструкций, также связан с особенностямизатухания электромагнитных волн вматериале, В соответствии с условиями реализации способа при тангенсепотерь свариваемых материалов 194=0,05 и на порядок большем тангенсапотерь присадка 9 др=10 9 В =0,5глубина проникновения электромагнитной волны с Л =12,63 см в присадкусоставит 3,26 см, Следовательно,приоблучении присадки только с однойстороны на глубину 3,26 см в неедойдет в 2,73 раза меньше энергии,чем на ее облучаемую поверхность Врезультате этого присадка начнетплавиться с одной стороны, со стороны излучателя сварка произойдеттолько между ближней к излучателю,конструкцией и присадкой. Расположение еще одного излучателя с противоположной стороны свариваемых конструкций, соосно первому, приведетк равномерному нагреву и плавлениюприсадки и к свариванию конструкцийдруг с другом.Размещение между облучаемымиповерхностями свариваемых конструкций и излучателями пластин из диэлектрической керамики (например, пирокерамики 8606) вызвано необходимостьюсогласования сред с различными волновыми сопротивлениями, в данном случае - воздуха и свариваемых конструкций, для предотвращения отраженияэлектромагнитной энергии на границемежду этими средами. Четвертьволновой слой такой керамики играет рольсогласующего переходного устройства,от которого не происходит отражения энергии,Привод для изменения расстояниямежду излучателями предусматриваетплотное прилегание раскрывов излучателей (через диэлектрические плас79634 7 Составитель М.ПарамоноваРедактор С.Шевченко Техред Т, Маточка Корректор Н. Сте Тираж 776 ВНИИПИ Государственного коми по делам изобретений и о 13035, Москва, Ж, Раушская