Разработка технологии сварки плавлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Разработка технологии сварки плавлением

Разработана технология сварки плавлением: составил характеристики рассматриваемого материала, выбрал наиболее подходящий способ сварки, назначил разделку кромок под сварку, назначил размеры сварного соединения, выбрал сварочные материалы, рассчитал и подобрал сварочные режимы, подобрал наиболее подходящее оборудование, задал специальные технологические мероприятия, сделал соответствующие выводы.



Введение

Технический титан идёт на изготовление ёмкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и др. изделий, работающих в агрессивных средах, например в химическом машиностроении.

В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из титана. Он служит для покрытия изделий из стали. Использование титана даёт во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля). Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии.

В условиях глубокого холода прочность титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Титан хорошо поддаётся полировке, цветному анодированию и др. методам отделки поверхности и поэтому идёт на изготовление различных художественных изделий, в том числе и монументальной скульптуры. Примером может служить памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли.

Из соединений титана практического значение имеют окислы титана, галогениды титана, а также силициды титана, используемые в технике высоких температур; бориды титана и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетических установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов. Карбид титана обладающий высокой твёрдостью, входит в состав инструментальных твёрдых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в качестве абразивного материала.



1. Характеристика основного материала

Титан - один из наиболее распространенных элементов. По содержанию в земной коре он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. До недавнего времени титан применяли лишь в сравнительно небольших количествах как легирующую добавку к черным металлам - сталям и чугунам.

Несмотря на то что титан был открыт в 1970 г., использование его как самостоятельного конструкционного металла и основы сплавов началось совсем недавно, лишь несколько десятилетий назад, после успехов, достигнутых в области металлургии химически активных металлов и сплавов.

Титан и его сплавы благодаря высоким физико-химическим свойствам все больше применяют в качестве конструкционного материала для авиационной и ракетной техники, химического машиностроения, приборостроения, судо- и машиностроения, в пищевой и других отраслях промышленности. Титан почти в два раза легче стали, его плотность 4,5 г/см3, он обладает высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью при нормальных и высоких температурах и во многих активных средах, теплопроводность титана почти в четыре раза меньше теплопроводности железа.

Сегодня титановые сплавы широко применяют в авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов.



1.1 Описание основного материала

Технический титан ВТ1 - 00 отличается содержанием примесей. Причем титан ВТ1 - 00, содержащий меньше примесей, отличается меньшей прочностью и большей пластичностью. Основное достоинство технического титана -- высокая технологическая пластичность. Прочностные свойства титана могут быть повышены нагартовкой но при этом сильно снижаются пластические свойства.

Химический состав сплава ОТ4 представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав сплава ВТ1-00

Fe	C	Si	N	Ti	O	H
до 0,12	до 0,08	до 0,04	до 99,7	До 0.1	до 0,008	до 0,1

Механические свойства сплава ВТ1-00 представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Механические свойства при Т=20?С сплава ВТ1-00

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2
Лист отожжен., ГОСТ 22178-76			295		20-30
Пруток отожжен., ГОСТ 26492-85			265-295		20	40-50	600-1000

Физические свойства сплава ВТ1-00 представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Физические свойства сплава ВТ1-00

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	1.12		18.85	4505
100		8.2			540



1.2 Трудности свариваемого материала

Основные трудности при сварки титана. Титан обладает рядом ценных свойств (малая плотность, высокая прочность до температуры 450 ... 500 °С, высокая коррозионная стойкость во многих агрессивны средах), благодаря которым находит широкое применение как конструкционный материал в современных отраслях промышленности.

Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой, существующею при температурах до 882,5°С, и высокотемпературную ? с объемно-центрированной кубической решеткой, существующей выше температуры 882,5 °С до температуры плавления 1668 °С Механические свойства технического титана невысоки и повышаются за счет легирования.

Водород, выделяющийся из перенасыщенного твердого раствора, образует отдельную фазу - гидриды титана, которая сильно охрупчивает титан, способствует образованию холодных трещин и пор.

2. Низкая теплопроводность титана при сварке вызывает перегрев металла шва и околошовной зоны, что способствует росту размера зерна ?-фазы на стадии нагрева и образованию хрупких фаз при охлаждении и старении. Необходима оптимизация режимов сварки, которая выражается в снижении погонной энергии для а и псевдо-а-сплавов и в увеличении погонной энергии для (? + ?)-сплавов. Целесообразно использовать более концентрированные сварочные источники энергии (электронный и лазерный лучи).

Особенности сварки титановых сплавов обусловлены следующими факторами:

1. Высокая химическая активность титана к газам (кислороду, азоту и водороду) при высоких температурах требует обеспечения надежной защиты от газов атмосферы не только металла сварочной ванны, но и основного металла, нагревающегося до температуры 400 °С и выше. Сварку необходимо производить в среде защитных газов (аргона, гелия) высокой чистоты, под специальными флюсами или в вакууме. При температурах нагрева выше 350°С титан поглощает кислород с образованием поверхностного (альфированного) слоя высокой твердости Ti + 02 = TiO2 . При нагреве до температур выше 550 °С титан растворяет азот, химически взаимодействует с ним, образуя мало пластичные фазы внедрения (нитриды).

Попадание частиц альфированного слоя в сварной шов резко снижает его пластичность .

Водород даже при очень малом содержании резко ухудшает свойства титана. Хотя с увеличением температуры растворимость водорода снижается.

Поры в сварных соединениях титана особенно выполненных в среде инертных газов, являются распространенным дефектом. Поры бывают круглые и продолговатые. При непроваре поры круглой формы располагаются цепочкой по оси шва, при полном проваре либо цепочкой, либо группами у границы сплавления. По сечению шва поры располагаются внутри шва на разном расстоянии от его поверхности. Пор, выходящих на поверхность шва, не наблюдалось, однако они возможны, например, при влажном флюсе. Выявляемые поры могут иметь размеры от 0,01 до 2 -3 мм.

Поры в сварных соединениях в зависимости от количества , размера и расположения в шве могут понижать механические свойства соединений, а в ряде случаев способствовать замедленному разрушению швов(цепочка пор, микротрещины и др.)

Вопрос о допустимости пор в швах устанавливается экспериментально в зависимости от условий эксплуатации конструкции.

Основной причиной возникновения пор при сварке плавлением титана и его сплавов является образование газовой фазы в результате химических реакций в кристаллизующимся металле сварочной ванны, испарения легкоплавких компонентов сплава, подвергающегося сварке, выделения из жидкого металла сварочной ванны газов за счет уменьшения их растворимости в процессе кристаллизации; термодиффузии газов, содержащихся в зонах термического влияния основного металла, за счет изменения их растворимости.

Образование нерастворимых в титане газов в результате химических реакций и термодиффузия их вследствие снижения растворимости могут привести к образованию газовых пор в металле шва. Поры, возникающие в результате химических реакций, называются реакционными порами, а в результате диффузии - диффузионными. Возникновение газовой поры в металле в условиях сварки плавлением возможно, если давление выделяющегося газа способно преодолеть внешние силы, препятствующие его выделению.

В реальных условиях твердый титан всегда содержит коагулированные вакапсии, микропоры, микротрещины и другие дефекты. При сварке плавлением эти дефекты могут стать центрами развития пор.

В условиях кристаллизации сварочной ванны всегда имеются готовые поверхности раздела фаз(свариваемые кромки, растущие кристаллы, шлаковые включения), на которых значительно облегчено зарождение пор.

При этом кислород, водород азот и углерод, как активные элементы, адсорбируют на готовых поверхностях раздела что приводит к резкому локальному повышению концентрации их, и облегчает получение зародышей пор критических размеров. Последующее развитие зародышей пор происходит вследствие диффузии газов в них и протекания реакций.

Образование пор в процессе кристаллизации сварочной ванный зависит также от количества и свойств газов и от технологического процесса сварки.

Последний характеризуется двумя взаимосвязанными факторами:

1) металлургическими условиями плавления и кристаллизации металла;

2) тепловыми режимами сварки, которые зависят от энергетических параметров режима(ток,напряжение,погонная энергия, скорость сварки и др.) и от теплофизических свойств титана (температура плавления, теплопроводность, теплоемкость, плотность , вязкость.).

Существенную роль играет температурный интервал кристаллизации при заданных условиях охлаждения и существования жидкой и твердой фаз.

Если образовавшаяся пора расширяется со скоростью, равной скорости перемещения фронта кристаллизации то образуется цилиндрической отверстие, ось которого расположена вдоль оси шва (подобные отверстия образуются при сварке металла толщиной 30 - 40 мм). При скорости расширения поры большей, чем скорость перемещения фронта кристаллизации , поры имеют сферическую форму. Количество и их расположение зависит от содержания газов в сварочной ванне.

Поры в большинстве случаев представляют собой не успевшие выделиться до затвердения металла пузырьки водорода азота кислорода и их соединений: водяного пара , окиси углерода и , возможно окиси азота.

Основным порообразователем при сварке титана является водород.

Механизм образования пор связан с растворимостью водорода при изменении температуры.

Жидкий титан при температуре плавление растворяет больше водорода чем твердый. Причем, это изменение растворимости происходит скачкообразно.

Скачок в точке плавления характеризуется отношением растворимости в жидком состоянии и в твердом, равным 1.725. Это является причиной образования газовых пор при затвердевании сварных швов на титане.

Видимо, при резком увеличении количества выделившегося водорода, связанного со снижением его растворимости, образуются поры между кристаллами металла шва, в которые продолжает диффундировать водород;

количество и размеры пор могут расти. При наличии других газов в сварочной ванне нерастворимых в титане, развитие водородных пор может происходить путем диффузии газов.

Образования водородной пористости в титане можно избежать путем перегрева жидкого металла до температуры 2410 К и быстрой его кристаллизации. Начиная с этой температуры и выше, растворимость водорода в жидком титане ниже, чем в твердом при температуре затвердевания. Поэтому при кристаллизации металла не будет избыточного водорода, стремящегося выделиться.

Поры могут образовываться в процессе выделения нерастворимых газов: воздуха, водяного пара и окиси углерода из сварочной ванны; при медленном охлаждении сварочной ванны после сварки титана под флюсом пузырьки этих газов не выделяются. При высокой скорости охлаждения пузырьки газа не успевают всплыть и остаются в металле в виде пор.

Содержание водорода в титане более 0.01 % является основным источником образования пор при сварке титана.

При неравномерном нагреве титана до 1400- 1500 градусов происходит резкое выделение водорода с образованием внутренних пор. Пористость в сварном шве титана образуется при содержании водорода в свариваемом металле 0.1%; большие риски на свариваемых кромках способствует захвату аргона при сварке и тем самым - образованию пор в шве. Подача присадочной проволоки в зону дуги при ручной сварке также приводит к образованию пор в шве, вероятно, в результате возникновения турбулентности потока аргона из за которого аргон смешивается с атмосферным воздухом. Образовавшаяся смесь аргона с воздухом является причиной образования пор.

Технологические факторы - скорость сварки, напряжение дуги, зазоры между свариваемыми деталями - позволяют при выборе оптимальных режимов снижать количество пор в шве. В результате исследования влияния водорода, кислорода, азота воздуха и углерода, находящихся в свариваемом титане и зоне сварного соединения в условиях аргоно - дуговой и электронно лучевой сварки сплавов титана, было установлено, что количество пор, образовавшихся в швах, увеличивается не прямопропорционально содержанию этих газов в свариваемом и присадочном металлах и в защитной зоне сварочной дуги.

При высокой концентрации газов в зоне дуги образуются химические соединения титана с газами которые уменьшают жидкотекучесть расплавленного металла. Рост газовых пузырьков замедляется и уменьшается количество пор.

Снижение одновременно присутствующих в большом количестве примесей углерода, азота, водорода и кислорода в техническом титане позволяет выполнять сварку деталей на средних скоростях с минимальным количеством пор в швах. Количество пор в швах определяется, помимо общего химического состава свариваемого сплава, также толщиной свариваемых деталей чистотой поверхности свариваемых кромок, способами и режимами сварки , а также другими технологическими факторами.

С увеличением скорости сварки(в указанных пределах) количество пор в шве уменьшается, причем , при сварке тонкого листового металла - менее резко, чем толстого. Это объясняется перегревом металла в сварочной ванне и высокой скоростью охлаждения расплавленного металла. Перегрев металла и высокая скорость охлаждения достигаются за счет высокой концентрации тепла в сварочной ванне и сравнительно большой длины ванны при малой ее ширине. Поэтому чем меньше толщина свариваемого металла , тем должна быть выше концентрация тепла для получения беспористых сварных швов. При недостаточной концентрации тепла в сварочной ванне с увеличением погонной энергии количество пор в сварных швах увеличивается.

При низких скоростях сварки количество пор в сварных швах, выполненных электролучевой сваркой больше чем в швах, выполненных аргоно - дуговой автоматической и ручной сваркой и даже атомводородной сваркой. В то же время электроннолучевая сварка при скорости сварки 80м/ч позволяется получать сварные швы без пор. Такие же результаты получаются при импульсной сварке титана малых толщин.

Наряду с применением высокой концентрации тепла, снизить количество пор в сварном шве можно, увеличивая напряжение дуги и увеличивая зазор между свариваемыми кромками. Пористость снижается в результате активного перемещения металла в сварочной ванне при сварке. На основе этих данных можно объяснить получение беспористых швов на титане, выполненных дуговой сваркой под слоем флюса. Получение беспористых швов зависит от выбора не только режима, но и вида сварки.

Чистота свариваемых кромок также влияет на образование пор в швах.

Травление и термическая обработка свариваемых деталей повышают пористость в швах. Поверхности свариваемых кромок насыщаются водородом при травлении и кислородом и азотом при термической обработке.

Детали, изготовляемые с применением нагрева до высоких температур и химической обработки, связанной с насыщением поверхности газами, должны перед сваркой подвергаться обработке, исключающей газонасыщенные слои металла.

Технология сварки и оборудование должны исключать проникновение воздуха в зону сварки, а режимы сварки - обеспечивать минимальную погонную энергию и полный провар свариваемых кромок. Следует исключить применение присадочных металлов с оловом и марганцем в качестве легирующих элементов. Такими образом, только комплекс указанных факторов позволяет получать сварные соединения без пор.

Горячие трещины. В соответствии с современными представлениями о механизме образования горячих трещин при сварке стойкость сварного соединения против кристаллизационных трещин определяется рядом взаимосвязанных факторов. Основными из них являются малая величина температурного интервала хрупкости, высокая пластичность металла в этом интервале и малая интенсивность нарастания упругопластической деформации по мере снижения температуры. Пластичность титана в зоне температур солидуса весьма высокая а прочность весьма низкая.

Пластичность при температуре солидуса не зависит от пластичности при комнатной температуре;

Титан и его сплавы не склонны к кристаллизационным (горячим ) трещинам при сварке.

Холодные трещины. Холодные трещины являются распространенным дефектом сварных соединений из титана и сплавов на его основе.

Образование трещин в сварном соединении определяется химическим составом свариваемого металла, металла шва и главным образом содержанием газов в них, а так же фазовыми и структурными превращениями , обуславливающими напряженное состоянии сварного соединения и его пластичность. Трещины как правило расположены поперек шва с выходом на основной металл. При сварке пластичного титана, если металл шва загрязнен газами, трещины возникают только поперек шва без выхода на основной металл. Однако если стыковой шов имеет непровар, а валиковый шов - ослабленное сечение, то трещины как в чистых швах, так и загрязненных газами, образуются вдоль шва.

Предупреждение образования трещин. При сварке титана и его сплавов наиболее эффективной мерой предупреждения образования холодных трещин, как и пор, является ограничение содержания в основном металле и шве до 0.1% O2, до 0.03 % N2, до 0.1% C и до 0.005% H2.

При сварке такого металла гидридное превращение и снижение пластичности шва не приводят к опасным последствиям. Хорошие результаты достигаются и технологическими факторами: применением пластичного присадочного металла, полной защитой сварного соединения от проникновения воздуха при сварке в специальных камерах и др.

Помимо технологических факторов сварки, существенное влияние на образование трещин в металле шва оказывают сопутствующие технологические процессы обработки деталей - штамповка, гибка, термическая обработка, травление и др. Детали из титана должны подвергаться обработке с целью получения свариваемых кромок с чистой поверхностью без надрывов.

Подогрев при сварке титана можно найти применение как средство предупреждения холодных трещин, подогрев позволяет регулировать структурные изменения в металле шва и околошовной зоне вследствие изменения скорости охлаждения металла при сварке; кроме того, уменьшает остаточные напряжения и снижает пластические деформации в сварном соединении.

Предопределяющими факторами для оптимального выбора способа сварки служат следующие показатели: протяженность сварных швов, категория ответственности конструкции, цена применяемого сварочного оборудования и сварочных материалов, объемы производства и металлоемкость конструкции.



2. Выбор и обоснование способа сварки

Выбор способа сварки - важнейший этап подготовки изготовления сварных конструкций любой сложности.

Будем применять три способа сварки:

1. Сварка дуговая сплавов титана в среде защитных газов;

2. Электронно-лучевая сварка титановых сплавов;

3. Электрошлаковая сварка титана

Сварка дуговая сплавов титана в среде защитных газов. Особенности автоматической сварки в защитных газах:

- Высокая степень концентрации дуги, обеспечивающая минимальную зону структурных превращений и относительно небольшие деформации изделия;

- Высокая производительность;

- Высокоэффективная защита расплавленного металла, особенно при использовании в качестве защитной среды инертных газов;

- Возможность наблюдения за ванной и дугой;

- Возможность сварки металлов различной толщины, в пределах от десяти долей миллиметра до десятков миллиметров;

- Широкая возможность механизации и автоматизации;

- Возможность сварки в различных пространственных положениях.

В процессе сварки в защитном газе рисунок 2 электрод, сварочная ванна и зона дуги находятся под защитой благодаря струе защитного газа.

В качестве защитных газов используют активные газы (азот, углекислый газ, водород и др.) и инертные газы (гелий и аргон), а в некоторых случаях - смеси 2-х и более газов.



Рисунок 1- Сварка дуговая сплавов титана в среде защитных газов

Сварка титана неплавящимся электродом осуществляется постоянным током прямой полярности. Вольфрамовый электрод является катодом. От его стойкости, формы, постоянства эмиссионной способности во многом зависят глубина провара, качество формирования швов, стабильность процесса сварки.

В связи с высокой химической активностью титана при повышенных температурах и особенно в расправленном состоянии основной трудностью при его сварки плавлением является обеспечение надежной защиты от атмосферы не только сварочной ванны и корня шва, но и остывающих участков сварного соединения , нагретых выше 400 °С, т.е. до тех температур, при которых начинается заметное взаимодействие титана с газами атмосферы.

Электронно-лучевая сварка. Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 10-4... 10-6 мм рт. ст.

При сварке электронным лучом проплавление имеет форму конуса рисунок 3. Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где он и кристаллизуется.

Рисунок 2- Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке: 1-электронный луч; 2-передняя стенка кратера; 3 - зона кристаллизации; 4 - путь движения жидкого металла

Проплавление при электронно-лучевой сварке обусловлено в основном давлением потока электронов, характером выделения теплоты в объеме твердого металла и реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излучением. Возможна сварка непрерывным электронным лучом. Однако при сварке легкоиспаряющихся металлов (алюминия, магния и др.) эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию паров металлов. В этом случае целесообразно сварку вести импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100 ... 500 Гц. В результате повышается глубина проплавления. При правильной установке соотношения времени паузы и импульса можно сваривать очень тонкие листы. Благодаря теплоотводу во время пауз уменьшается протяженность зоны термического влияния. Однако при этом возможно образование подрезов, которые могут быть устранены сваркой колеблющимся или расфокусированным лучом.

Сварка электронным лучом имеет значительные преимущества:

1. Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 ... 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне.

2. Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4 ... 5 раз меньше, чем при дуговой. В результате резко снижаются коробления изделия.

3. Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

Недостатки электронно-лучевой сварки:

1. Возможность образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине;

2. Для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

Сварка контактно точечная, жаропрочных и титановых сплавов. Контактная сварка - один из наиболее распространенных и быстро развивающихся способов получения неразъемных соединений самых разнообразных конструкционных материалов в широком диапазоне толщин и сечений.

В настоящее время 30% всех сварных соединений выполняются с помощью контактной сварки, а по существующим прогнозам к 2000 г. доля этого способа в мировом сварочном производстве достигнет 40%.

Контактная точечная сварка -- процесс образования неразъемных соединений конструкционных металлов в результате их кратковременного нагрева электрическим током и пластического деформирования усилием сжатия, со стороны электродов рисунок 5.

Рисунок 3- Контактная точечная сварка

Широкое использование и перспективы контактной сварки в промышленности, особенно в массовом производстве, обусловлены следующими причинами:

1. Высокой технико-экономической эффективностью и, в частности, очень высокой производительностью процесса, намного превышающей производительность других способов сварки;

2. Возможностью легкой механизации, автоматизации и роботизации процесса сварки;

3. Весьма благоприятным термодеформационным циклом, обеспечивающим достаточно высокое качество соединений большинства конструкционных материалов;

4. Высокой культурой и хорошими гигиеническими условиями технологического процесса.

Электрошлаковая сварка - это сварка плавлением, при которой для нагрева металла используется теплота;

выделяющаяся при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводный шлак.

Это самый высокопроизводительный способ автоматической сварки металла значительной толщины.

Производится она так. В пространство между свариваемыми кромками изделия и шлакоудерживающими приспособлениями (медными ползунами, начальными планками) вводятся флюс и электродная проволока. Процесс сварки начинается с возбуждения дуги между электродной проволокой и начальной планкой. Теплотой дуги расплавляются флюс и электродная проволока. Образуется ванна расплавленного металла, покрытая слоем жидкого шлака. Электродная проволока, находясь в ванне нагретого шлака, плавится, и дуга гаснет. Сварочный ток, проходя через расплавленный шлак, нагревает его до температуры 1600--1700°С. Дальнейший бездуговой процесс плавки происходит за счет теплоты, выделяемой в шлаке сварочным током. По мере заполнения шва металлом медные ползуны, охлаждаемые проточной водой, перемещаются снизу вверх и формируют сварной шов.

Применяя электрошлаковую сварку несколькими электродными проволоками или электродами в виде ленты, можно сваривать кромки изделия практически любой толщины.

Электрошлаковая сварка имеет следующие технико-экономические достоинства:

1) высокую устойчивость процесса, мало зависящую от рода тока, и нечувствительность (благодаря тепловой энергии шлаковой ванны) к кратковременным изменениям тока и даже его прерыванию;

2) электрошлаковый процесс устойчив при плотностях тока 0,2--300 А/мм2 и возможен при использовании проволочных электродов диаметром 1,6 мм и менее и пластинчатых электродов сечением 400 мм2 и более; высокую производительность.

3) По скорости плавления присадочного металла электрошлаковая сварка вне конкуренции. Она позволяет допускать нагрузку на электрод до 10 000 А;

4) высокую экономичность процесса.

5) На плавление равных количеств электродного металла при ЭШС затрачивается на 15--20% меньше электроэнергии, чем при дуговой сварке. Расход флюса меньше, чем при дуговой сварке, в 10--20 раз и составляет около 5% расхода электродной проволоки;

6) отсутствие необходимости в специальной подготовке кромок свариваемых деталей и малую чувствительность их к качеству обработки;

7) высокое качество защиты сварочной ванны от воздуха;

недефицитность и сравнительно низкую стоимость сварочных материалов;

возможность получения за один проход сварных соединений теоретически любой толщины.

Недостатками электрошлаковой сварки являются:

1) производство сварки только в вертикальном или в близком к вертикальному положению (отклонение от вертикали не более 30°) свариваемых плоскостей;

2) недопустимость остановки электрошлакового процесса до окончания сварки. В случае вынужденной остановки в сварном шве возникает дефект. В таком случае сварной шов подвергают ремонту или полностью удаляют и вновь заваривают;

3) крупнозернистая структура в металле шва и зоне термического влияния и связанная с этим низкая ударная вязкость металла сварного соединения при отрицательных температурах;

4) необходимость изготовления и установки перед сваркой технологических деталей (планки, «стартовые карманы», формирующие устройства и др.).

Электрошлаковая сварка применяется при сварке прямолинейных, криволинейных и кольцевых швов. Минимальная толщина деталей, образующих стыковое соединение при ЭШС без технологических затруднений, находится в пределах 25--30 мм. Экономически целесообразнее использовать ЭШС при изготовлении толстостенных конструкций, а также при изготовлении конструкций из низко- и среднеуглеродистых, низко-, средне- и высоколегированных сталей, чугуна и цветных металлов (алюминия, титана). Кроме того, ЭШС применяют для наплавки различных сплавов на низкоуглеродистые и низколегированные стали.

Электрошлаковой сваркой могут быть выполнены стыковые, угловые и тавровые соединения.

титан лучевой сварка кромка



3. Технологический раздел

3.1 Выбор и обоснование разделки кромок

После определения способа сварки, поскольку основные характеристики будущего сварного соединения известны (тип соединения, протяжённость и толщина свариваемого соединения) необходимо определить точные геометрические параметры до сварки и после неё. Соответственно выбор геометрических параметров сварного соединения будет выбираться исходя из способа сварки и основных параметров соединения.

Таблица 4 - Геометрические параметры сварного шва

Толщина металла, мм	Диаметр электрода, мм	Сварочный зазор,мм	Расход аргона л/с	Сила тока, А	Скорость сварки, м/ч
45	12	23-25	0,083-0,11	1600	40-50

Рисунок 4 - Общий вид углового соединения С3

3.2 Выбор и обоснование сварочных материалов

Одной из важных особенностей титановых сплавов является незначительная чувствительность к изменению режимов сварки. Прочность, пластичность и ударная вязкость металла швов на сплаве ВТ1-00 практически не зависят от затрат погонной энергии при сварке. Это свидетельствует о возможности сварки плавлением сплавов такого класса в достаточно широком интервале режимов. Наиболее высокими характеристиками пластичности сварные соединения этих сплавов обладают при средних или относительно высоких скоростях охлаждения.

Так как в нашем соединении толщина листа равна 45мм то мы будем применять электрошлаковую сварку титана проволочным электродом.

3.3 Выбор и обоснование режимов сварки

Основными параметрами режима сварки неплавящимся электродом в аргоне с присадочной проволокой являются сила сварочного тока, напряжение на дуге, скорость сварки, диаметр сварочной проволоки, диаметр неплавящегося электрода и расход газа.

Таблица 5

Толщина металла, мм	Диаметр электрода, мм	Сварочный зазор,мм	Расход аргона л/с	Сила тока, А	Скорость сварки, м/ч
45	12	23-25	0,083-0,11	1600	40-50

Некоторые технологические указания по электрошлаковой сварке титана и его сплавов приведены ниже:

До начала сварки необходимо:

- установить сварочный аппарат на завариваемый зазор;

- выставить необходимый вылет электродов путем изменения положения формирующих устройств;

- проверить точность движения формирующих устройств относительно завариваемого зазора;

- установить аппаратом необходимую плоскость движения электродов посредине длины зазора и отрегулировать размах колебаний электродов;

- переместить аппарат в карман так, чтобы электроды находились от дна кармана на расстоянии 110-120 мм, установить и прижать к заготовкам формирующие устройства;

- формирующие устройства снаружи обмазать глиной по контуру прилегания к поверхности свариваемых заготовок и пустить воду для охлаждения;

- на дно кармана засыпать слой металлической стружки или крупки толщиной 10-12 мм, затем слой флюса толщиной 10-15 мм;

- сварочный аппарат привести в рабочее состояние.

Сварку начинают, когда скорость подачи электродной проволоки составляет 200-250 м/ч. После возникновения дуги следует снизить скорость подачи проволоки до (150±50) м/ч и в течение 3-4 мин создать в зазоре необходимой глубины шлаковую ванну и обеспечить устойчивый электрошлаковый процесс сварки. При подходе зеркала шлаковой ванны к верхнему срезу формирующих устройств надо включить механизм вертикального перемещения.

3.4 Выбор и обоснование сварочного оборудования

Для выполнения сварочных работ необходим комплекс оборудования, обеспечивающего при том или ином участии сварщика получение швов заданного качества и конфигурации.

При выполнении сварочной операции для получения высокого качества швов очень важны стабилизация или регулирование тепловложения источника сварочной теплоты. Скорость сварки обычно задают постоянной с необходимой степенью стабильности, при этом регулируют мощность источника сварочной теплоты. Такое воздействие наиболее гибкое, малоинерционное и, кроме того, позволяет в ряде случаев скомпенсировать возмущения сварочного процесса, вызываемые другими внешними факторами. Электрошлаковая сварка выполняется полуавтоматами предпочтительно при изготовлении простых конструкций из металла относительно небольшой толщины (до 50 мм).

В промышленности применяются полуавтоматы для электрошлаковой сварки А671Р и А820МК. Технические характеристики А671Р и А820МК представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Технические характеристики А671Р и А820МК

Параметры	А671Р	А820МК*
Толщина свариваемого металла, мм	16- 50	18-50
Номинальная сила сварочного тока ПВ-100 %, А	300-700	700
Диаметр электрода, мм	2,5-3	2,5-3
Скорость подачи электрода, м/ч	250-400	58-580
Габаритные размеры, мм	350x200x300	350x250x650
Масса, кг	18,6	20
Источник питания	ВДУ-1001

Термическая обработка металлов и сплавов -- процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении.

В данном дипломном проекте деталь после сварке подвергается отжигу с термофиксацией детали в вакуумной печи. Отжиг сварных соединений титановых сплавов состоит из нагрева до температуры рекристаллизации или до температуры фазового превращения, вы держки при за данной температуре и последующего охлаждения (медленного с печью, на воздухе или ступенчатого). Перед термофиксацией необходимо проверить детали на отсутствие закрытых полостей, цветов побежалости, защитных покрытий. Визуально проверить состояние поверхности детали. Наличие на поверхности стружки, заусенцев, масла, эмульсии, цветов побежалости не допускается. Для подготовки поверхности деталей к вакуумной термообработке при обезжиривании используется технический ацетон высшего сорта.

Режимы, порядок и условия проведения техпроцесса отжига должны соответствовать инструкциям: 685-76 «Деформируемые титановые сплавы.

Термическая обработка полуфабрикатов и деталей», ПИ 1.4.2072-2001 «Термическая обработка в заневоленом состоянии деталей и узлов типа балок, профилей и панелей из сплавов на основе титана», 07509416.2525000.00102 «термическая обработка деталей из титановых сплавов в вакууме». Технологический процесс термообработки выполняется в вакуумных печах УВН-1500, УВН-15.45, ПВ-900.

В данном случае будем использовать вакуумную печь УВН-1500. Технические характеристики УВН-1500 представлены в таблице 9.

Таблица 7 - Технические характеристики УВН-1500

Параметры	Значение
Вакуум в холодном состоянии и без садки, Па	6,65х10??
Масса садки с приспособлением, кг	1200
Максимальная температура, °С	не более 820
Перепад температуры в рабочем пространстве (без садки), °С	не более ± 5
Номинальная мощность, кВА	450 ± 10%
Размер рабочего пространства, мм	3100х5220х1200
Расход охлаждающей воды, м?/ч	не более 15
Габаритные размеры установки, мм	10425х5220х3200
Масса установки, кг	не более 2500

Размещено на Allbest.ur

...