Код документа: RU2136464C1
Изобретение относится к способу соединения металлических деталей посредством электродуговой сварки плавлением с помощью сварного шва, имеющего малый объем (сварка с узким зазором).
Из DE 2633829 уже известен способ соединения металлических деталей посредством электродуговой сварки плавлением с помощью сварного шва, имеющего малый объем. При этом подлежащие соединению и образующие зазор части заготовки сначала сваривают по их стыкам основным швом с применением или без применения присадки электронно-лучевой сваркой, плазменной сваркой, лазерной сваркой или способом аргоно-дуговой сварки.
После этого боковые стороны заготовки, образованные узким зазором, соединяют сварными валиками, полученными сваркой под флюсом, прилегающими попеременно к одной и к другой боковой стороне, при этом каждый сварной валик прокладывается таким образом, что он перекрывает нижерасположенный валик в средней трети узкого зазора и расплавляет каждый раз только одну боковую сторону заготовки, что ширина узкого зазора превышает ровно в четыре раза диаметр сварной проволоки, применяющейся в процессе сварки, а плотность тока в сварной проволоке во время сварки под флюсом составляет 50 А/кв. мм, и скорость сварки при этом рассчитывается таким образом, что энергия растяжения при диаметре проволоки, равном 2,5 мм, составляет 8,5 кДж/см, при диаметре проволоки 3 мм - 12,5 кДж/см и диаметре проволоки 4,0 мм - 22 кДж/см.
Способ особенно хорошо подходит для соединения заготовок в тяжелом машиностроении, имеющих форму тел вращения. С помощью способа по DE 2633829 могут хорошо соединяться друг с другом толстостенные заготовки, имеющие доступ только с одной стороны, которые вследствие этого не могут свариваться со стороны корня шва. Предпочтительной областью применения способа является соединение дискообразных заготовок и заготовок, имеющих форму полого цилиндра, применяющихся для изготовления роторов в паровых и газовых турбинах, в компрессорах, а также в турбогенераторах.
Преимущество этого способа состоит в том, что в месте соединения заготовок получается мелкозернистая структура без включений. Как в сварном шве, так и в зоне термического влияния не имеется более первоначальной структуры. Благодаря этому, становится излишним нормализация или улучшение.
Однако этот способ имеет также и недостаток, заключающийся в том, что он может осуществляться лишь полуавтоматически. Кроме того, основной шов в зоне корня должен свариваться вертикально и иметь определенную глубину для того, чтобы, например, сварной ротор не прогибался, когда он затем сваривается окончательно при горизонтальном расположении посредством сварки под флюсом с узким зазором.
Известен также способ соединения металлических деталей посредством электродуговой сварки плавлением, при котором в зоне основания шва на боковых сторонах стыка деталей выполняют центрирующее смещение, посредством которого позиционируют друг относительно друга подлежащие сварке детали, собирая их с переменным узким зазором в стыке, причем в нижней части стыка зазор минимально узкий, и выполняют многослойную сварку, заполняя полученный зазор, при этом минимально узкий зазор заполняют автоматизированный сваркой в атмосфере инертного газа или электродуговой сваркой плавящимся электродом в защитном газе, а в верхней части узкий зазор заполняют сваркой под флюсом (см. Куркина С.А.и др. Технология, механизация и автоматизация производства сварных конструкций. Атлас. - М.: Машиностроение, 1989, с. 283-297).
В способе согласно изобретению устраняются вышеуказанные недостатки. В его основу положена задача в процессе сварки со швами, имеющими малый объем, при более высоком качестве и соединении в том числе сложных и имеющих большой объем заготовок и, в особенности таких заготовок, которые доступны для процесса сварки, и обеспечить более высокую экономичность по сравнению с уровнем техники за счет автоматической сварки.
Упомянутый технический результат обеспечивается за счет того, что в зоне основания шва выполняют разгрузочный выступ, а при заполнении зазора в нижней части стыка центрирующее смещение расплавляют и валики выполняют по всей ширине минимального узкого зазора.
Преимущества изобретения, помимо всего прочего, усматриваются в том, что экстремально узкий зазор может быть автоматически заварен и благодаря этому может быть достигнута высокая экономичность способа. При этом получаются швы высокого качества, что исключает необходимость последующей термообработки соединенных заготовок. В частности, могут свариваться друг с другом отдельные детали, у которых в процессе сварки имеется доступ только с одной стороны.
При этом целесообразно выполнить разгрузочный выступ с шириной, составляющей трехкратную величину от его высоты.
Кроме того целесообразно собирать детали с минимально узким зазором высотой, равной шести/десятикратной величине от его ширины, но, по меньшей мере, 40 мм.
В процессе автоматизированной сварки вольфрамовым или плавящимся электродом применяют сварочную проволоку, диаметр которой составляет от 1/5 до 1/4 от ширины минимально узкого зазора, но, по меньшей мере, 0,8 мм и максимально 1,6 мм.
Автоматизированную сварку вольфрамовым или плавящимся электродом осуществляют с предварительным подогревом, в зависимости от температуры которого выбирают сварочный ток в диапазоне от 200 до 300 А и с подачей от 50 до 200 мм в минуту.
Температуру предварительного подогрева выбирают выше 200oC в зависимости от содержания легирующих элементов в металле свариваемых деталей.
В качестве защитного газа используют аргон или аргон с максимум 8% водорода или смесь аргона и гелия с содержанием аргона от 30 до 70%, остальное гелий. При этом можно применять смесь аргона с гелием, с содержанием аргона 50% и гелия 50%.
На чертеже представлен пример выполнения изобретения.
На единственной фигуре схематически показано поперечное сечение свариваемых заготовок в зоне сварного шва. На чертеже показаны лишь те элементы, которые необходимы для понимания изобретения.
Ниже изобретения поясняется более подробно с помощью примеров выполнения.
На чертеже схематически показано поперечное сечение соединяемых друг с другом деталей заготовки в зоне сварного шва. Является целесообразным, чтобы разгрузочный выступ имел ширину, составляющую трехкратную величину от его высоты.
Металлические детали, подлежащие соединению, обозначены позициями 1 и 2, их противолежащие параллельные боковые стороны заготовки в узком зазоре обозначены позициями 4 и 5, а в минимальном узком зазоре 9 - позициями 13 и 14.
На стороне, недоступной для сварки (например, узкой стороне полых корпусных деталей), соединяемые металлические детали 1 и 2 стыкуются друг с другом с центрирующим смещением 10 и позиционируются друг относительно друга. В зоне основания шва выполняется разгружающий выступ 11 таким образом, что при сварке возникает место 12 проплавления, обеспечивающее при сварке принудительное расплавление центрирующего смещения 10.
В этом случае подрезы происходят только по обе стороны от наплавленного валика, в то время, как несущее поперечное сечение не имеет подрезов, что очень благоприятно воздействует на характеристики нагрузки материала.
Центрирующее смещение 10 имеет в этом примере выполнения высоту h, равную 5 мм, разгружающий выступ 11 имеет ширину с, равную, в общей сложности, 40 мм и высоту d, равную 15 мм. Угол α, образованный между горизонталью и разгружающим выступом, составляет 15o. На основе этих геометрических параметров обеспечивается проплавление центрирующего смещения 10 с узкими допусками параметров в зонах сварки.
Соединение параллельных боковых сторон 13, 14 деталей в минимально узком зазоре 9 с шириной b, в этом примере выполнения составляющей 5 мм, и высотой e - около 40 мм осуществляется способом полуавтоматической сварки вольфрамовым электродом. Сварной валик 15 проходит при этом от одной из боковых сторон 13 до противолежащей боковой стороны 14 и поэтому расплавляются, соответственно, обе боковые стороны.
Если электродуга установлена один раз в определенное положение, нет необходимости изменять его, поэтому процесс сварки проводится автоматически. В этом способе сварки вольфрамовым электродом боковых сторон деталей заготовки применяется сварная проволока диаметром 1,2 мм. В зависимости от температуры предварительного нагрева работают с силой тока в диапазоне от 200 до 300 А, при подаче от 50 до 200 мм в минуту.
В качестве инертного газа применяют аргон. Само собой разумеется, в других примерах выполнения может также применяться смесь аргона с водородом, содержание которого составляет максимально 8%, или смесь аргона и гелия - от 30 до 70%, причем оптимальные результаты получаются при применении тех же частей аргона и гелия. С помощью сварки вольфрамовым электродом получают сварные швы очень высокого качества.
И, наоборот, если в другом примере выполнения для сварки минимально узкого зазора 9 применяется способ сварки плавящимся электродом, то в связи с известным разбрызгиванием металлических частиц, в месте расположения электродуги (защитного газа) расплавленной ванны следует ожидать загрязнений от трубки для направления сварочной проволоки, сопел для подачи защитного газа и боковых сторон заготовки в сварном шве, а также в слоях шлака на поверхности сварного валика, вследствие чего качество сварного шва в минимально узком зазоре 9 из-за возможных дефектов связи не является настолько высоким, как в сварке вольфрамовым электродом.
После изготовления этого "основного шва" закрывают узкий зазор 4, образованный боковыми сторонами 5 и 6 заготовки, имеющий ширину a < 16 мм, способом сварки под флюсом, описанным в DE 2633829, таким образом, что попеременно прокладывается сварной валик 7 на боковой стороне 6 и сварной валик 8 на боковой стороне 5 заготовки.
Они перекрывают друг друга в средней третьей части узкого зазора 4. За счет соответствующего положения оси сварочной проволоки во время процесса сварки расплавляется одновременно только одна из боковых сторон 5 или 6 заготовки. Благодаря этому получается предпочтительная структура, состав расплава поддерживается постоянным на всем поперечном сечении шва, и напряжения, возникающие при охлаждении, удерживаются в допустимых границах.
При реальных условиях сварки получается, что ширина шва в минимально узком зазоре 9 с увеличением количества сварных валиков в способе сварки вольфрамовым или плавящимся электродом становится больше. Это предопределяется незначительной производительностью (мощностью) расплавления в способе сварки вольфрамовым или плавящимся электродом и увеличивающимся подводом тепла.
Это означает, что минимально узкий зазор 9 позволяет иметь только определенную максимальную высоту e, т.к. иначе только с помощью одного слоя сварки не может обеспечиваться перекрытие минимального узкого зазора 9. Тем самым становится невозможной автоматизации процесса сварки.
Способ согласно изобретению может применяться, как для сварки тел вращения, так и других тонкостенных металлических деталей, в частности, и таких, которые имеют доступ только с одной стороны и со стороны корня шва не могут провариваться, например, пластин, труб, дисков и полых цилиндров из низколегированных или высоколегированных металлических заготовок.
Предпочтительной областью применения является изготовление роторов энергопреобразующих машин, сконструированных из отдельных деталей в виде тел вращения с полостями или с торцевыми проточками, например, из дискообразных или имеющих форму полого цилиндра поковок одинаковой прочности или одинаковой толщины. Эти поковки сначала соединяют вертикально, в "зоне корня шва", т. е. в зоне минимально узкого зазора 9, посредством вышеописанного способа сварки вольфрамовым или плавящимся электродом.
Затем ротор горизонтально сваривают окончательно сваркой под флюсом в зоне узкого зазора 4. Для того, чтобы ротор не прогибался, необходимо иметь определенную глубину первого шва, что означает определенную высоту с минимально узкого зазора 9. Высота e минимально узкого зазора 9 лежит при этом согласно изобретению в зоне шести-десятикратного значения его ширины b и составляет, по меньшей мере, 40 мм.
Способ сварки вольфрамовым электродом в минимально узком зазоре 9 особенно подходит для соединения металлических деталей из сплава на основе никеля, т. к. в этом способе сварки возникают очень небольшие зоны воздействия тепла и эти материалы прежде всего подвержены возникновению дефектом в зоне воздействия тепла. За счет этого удается достичь особенно высокого качества сварки.
Соединение металлических деталей получают с помощью электродуговой сварки плавлением. Сварной шов имеет малый объем. Заготовки собирают с узким зазором. В нижней части стыка имеет место минимально узкий зазор. Металлические детали сначала позиционируют друг относительно друга посредством центрирующего смещения (10). В зоне основания шва выполняют разгружающий выступ (11) таким образом, что при сварке образуют место проплавления. Перед процессом сварки под флюсом с узким зазором боковые стороны, образованные экстремально узким зазором, соединяют посредством полностью автоматизированной сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа или электродуговой сваркой плавящимся электродом в среде защитного газа с помощью многослойных сварочных валиков, каждый из которых проходит по всей ширине минимально узкого зазора. Центрирующее смещение (10) расплавляют. Технология обеспечивает высокое качество сварки тонкостенных металлический деталей, которые имеют доступ с одной стороны. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.