1.1 Назначение, конструкция и условия работы емкости для подогрева

Емкость предназначена для подогрева технической воды, поступающей из водопроводных сетей в котельную предприятия , затем с помощью специальных электродов устанавливаемых через патрубок Du500 вода подогревается до нужной температуры и подается в душевые комнаты цехового предприятия , а также в отопительную систему.

Емкость для подогрева воды состоит из обечайки , днища , крышки , двух патрубков Du500 , четырех опор , трубки для перелива воды.

Техническая характеристика:

- условный проход патрубков Dу500;

- диаметр обечайки 2760мм;

- толщина стенки обечайки 6 мм;

- высота общая 5552 мм;

- толщина патрубков 8мм;

- масса металла 2770 кг;

- рабочее давление 0,1МПа;

- рабочая среда вода;

- рабочая температура 80⁰С;

- расчетная температура 100⁰С;

Общий вид емкости графически представлен на листе 1502.Д14.336.01.00СБ.

1.2 Оценка технологичности изготовления емкости для подогрева воды

С точки зрения заготовительных операций при серийном производстве емкость для подогрева воды является технологичным изделием. Это объясняется тем, что при выполнении заготовительных операций ограничено применение ручного немеханизированного труда. Часть деталей имеет большие габариты. Большая часть деталей требует специальной подготовки кромок, что понижает технологичность аппарата. Несколько понижает технологичность и необходимость применения подъемно - транспортного оборудования.

С точки зрения сборочно-сварочных операций емкость технологична. Это объясняется тем, что большинство сварных швов расположены в доступных местах. Практически все швы выполняются в горизонтальном положении. Цилиндрическая форма аппарата облегчает использование полуавтоматической сварки и уменьшает расход сварочных материалов.

1.3 Выбор конструкционных материалов и оценка свариваемости

1.3.1 Выбор основных материалов

Для изготовления емкости необходимо, чтобы конструкционный материал сохранял свои механические свойства при знакопеременных нагрузках, имел максимально возможную прочность (так как это снижает металлоемкость изделия), хорошо сваривался, не обладал слишком высокой стоимостью. Поэтому применительно к этой конструкции предлагается использовать сталь Ст3сп. Эта сталь не дорогая, механические и химические свойства полностью соответствуют требованиям, и она предпочтительна для производства данной конструкций.

Таблица 1 - Химический состав стали Ст3сп.

Общий вид предлагаемой эпюры напряжений представлен на листе 1502.Д14.336.03.00 дипломного проекта.

2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЕМКОСТИ ДЛЯ ПОДОГРЕВА ВОДЫ

2.1 Предлагаемый вариант принципиальной технологии изготовления емкости

Технологический процесс изготовления обечаек

Обечайки Dвн=2748мм стыкуемые с днище изготавливаем из листового проката Лист д=6мм.

Сначала осуществляют входной контроль. Затем из стали марки Ст3 укладывают на настил плитный. Проверяют маркировку листа. Термической резкой вырезают из листа заготовку. Осуществляют контроль геометрических размеров , очистку металла , правку. Полученную заготовку вальцуют на четырехвалковой листогибочной машине. Затем осуществляют контроль размеров вальцованной заготовки и отправляют её на сборку для дальнейшей сварки. Сборка под сварку продольного шва обечайки проводится в следующем порядке. Обечайку устанавливают на настил плитный в горизонтальном положении. С помощью технологических скоб устанавливают зазор в стыке мм, смещение кромок не более 2 мм. Прихватывают РДС. Срезают скобы с торцов обечайки. Устанавливают выводные планки на торце обечайки, прихватывают каждую в 2-3 местах. Контролируют сборку. Заваривают швы выводных планок РДС и зачищают. Обечайку устанавливают в горизонтальном положении на установку для сварки полуавтоматом продольных швов. Выполняют сварку продольного шва. После окончания сварки, термической резкой срезаются выводные планки, зачищаются места их срезки заподлицо с основным металлом. Снимают усиление сварного шва, зачищают и проводят контроль (внешним осмотром и измерениями в объёме 100%). Затем обечайку калибруют на листогибочной машине. Далее производят контроль формы самого изделия (в частности, контролируется отсутствие овальности обечайки) и качества сварного шва (внешним осмотром, измерениями и УЗК в объёме 100%).

Обечайки патрубков изготавливаем из трубы 530Ч8,В20 . Предварительно осуществить входной контроль геометрии заготовки трубы. Произвести обрезку нужной заготовки трубы с припуском под мех. обработку торцов и зачистку.

Технологический процесс изготовления днищ

Сначала осуществляют входной контроль материала. Затем лист из стали марки Ст3 (толщиной 6 мм) укладывают на раскройный стол машины термической резки «Термит». Термической резкой вырезают из листа заготовки днища необходимых размеров. Осуществляют контроль геометрических параметров , очистку металла его правку после тепловых деформаций. Полученный заготовки днища с помощью РДС стыкуют между собой и производят двухстороннюю сварку. Далее осуществляют контроль размеров и передают для вальцовки в размер. После вальцовки по кондуктору производят окончательную сборку.

Сборка-сварка днища с обечайкой

Установить обечайку в горизинтальное положение на подставки. Затем установить и приварить направляющие планки (три штуки равномерно по периметру обечайки). Застропить днище за проушины и установить на обечайку по направляющим планкам, выдержав зазор в стыке мм. Прихватить РДС кольцевой стык в 8 - 10 местах, длина прихватки 40-50 мм. Застропить полученное соединение и кантовать в горизонтальное положение. Удалить технологические детали слесарным способом. Переместить на установку для сварки кольцевых швов. Установить сборку на роликоопорный стенд и произвести автоматическую сварку кольцевого шва снаружи (снятие шлака и зачистка металла шва после каждого прохода). Контролировать сборку по ОСТ 26 291-94: внешним осмотром, измерениями и УЗК в объёме 100%.

Технологический процесс изготовления фланцев

Фланцы изготавливаем из поковок стали марки Ст3 . Для этого сначала осуществляем входной контроль. Затем производим термическую резку заготовки. Далее осуществляем механическую обработку и контроль размеров, а затем последующую механическую размерную обработку, включая расточку отверстий под шпильки. Затем вновь контролируем геометрические параметры.

Технологический процесс изготовления патрубков

Для изготовления патрубков, ввиду их небольшой высоты, используем стальные трубы В20 по ГОСТ 8732-78. Далее заготовку механической обработкой доводят до необходимых геометрических размеров и отправляют на место РДС с фланцем.

Сборка-сварка патрубков с обечайками

Обечайки в сборе устанавливается на роликовый стенд. Вставляют патрубки в отверстия. Прихватывают в 2-3 местах РДС, контролируют сборку. Осуществляют РДС с обеих сторон. Далее снимается усиление шва и обеспечивается плавный переход от днища к патрубку (при помощи шлифовальной машины). Производят контроль геометрических размеров и контроль сварных соединений ВО, измерениями и УЗК.

Приварка патрубков к обечайке

Патрубки вставляют в отверстия. Прихватывают в 2-3 местах РДС, контролируют сборку. Осуществляют РДС с обеих сторон. Далее снимается усиление шва и обеспечивается плавный переход от днища к патрубку (при помощи шлифовальной машины). Производят контроль геометрических размеров и контроль сварных соединений ВО, измерениями и УЗК.

Общие требования к сборке конструкции

- Все поступившие на сборку детали и сборочные единицы должны иметь маркировку и сопроводительную документацию, подтверждающую их приемку службой технического контроля. Способ маркировки определяется ПТД предприятия изготовителя.

- Сборку труб и цилиндрических деталей для выполнения кольцевых стыковых сварных соединений следует проводить в соответствии с указаниями ПТД на сборочно-сварочном оборудовании в приспособлениях, обеспечивающих соосность деталей.

- Для выполнения прихваток и приварки временных технологических креплений разрешается применять дуговую сварку покрытыми электродами УОНИИ13/45 и УОНИИ13/55.

- Прихватки должны выполнять сварщики, допущенные к сварке соединения, на котором проводится прихватка. Дефектные прихватки должны быть удалены механической обработкой. Наложение прихваток в местах пересечения или сопряжения двух или нескольких подлежащих сварке соединений не допускается. Прихватка удаляется механическим способом. На деталях из углеродистых сталей допускается полное удаление креплений кислородной резкой без углубления в основной металл с последующим шлифованием поверхностей деталей до удаления следов резки.

- Если зазор между подлежащими сварке кромками собираемых деталей не удовлетворяет установленным требованиям и конструкторской документацией не оговорены более жесткие требования, допускают применение присадочных материалов, используемых для заварки корневой части шва данного соединения.

Общие требования к сварке конструкции

Технологический процесс сварки должен обеспечивать требуемые геометрические размеры швов, хорошее качество и необходимые механические свойства сварного соединения, а также минимальные усадочные напряжения и деформации свариваемых деталей.

Свариваемые конструкции при укрупнении надлежит располагать так, чтобы обеспечить возможность доступа к швам при контроле качества. При двусторонней сварке стыков с полным проплавлением необходимо перед выполнением шва с обратной стороны удалить корень шва до чистого бездефектного металла.

При образовании прожогов в процессе выполнения первого шва их следует удалить и заварить выбранные участки ручной дуговой сваркой.

Начало и конец стыкового шва следует выводить за пределы сварного соединения на выводные планки, удаляемые после окончания сварки кислородной резкой.

Размеры сечения сварных швов должны соответствовать величинам, указанным в ГОСТ 5264-80 и ГОСТ 8713-79.

По окончании сварки конструкции, швы сварных соединений должны быть очищены от шлака и брызг расплавленного металла. Приваренные сборочные и монтажные приспособления, подлежащие удалению, следует удалять без повреждения основного металла и применения ударных воздействий, а места их приварки надлежит зачистить до чистого основного металла с выборкой всех дефектов.

К сварке стальных конструкций, подведомственных органам Госгортехнадзора, допускаются сварщики, прошедшие аттестацию в соответствии с правилами, утвержденными Госгортехнадзором. Другие конструкции могут укрупняться сварщиками, аттестованными по правилам, утвержденным соответствующим ведомством или министерством. Каждый сварщик должен иметь удостоверение на право выполнения сварочных работ.

На месте производства работ сварщик должен заварить технологическую пробу в условиях, аналогичных условиям при сварке конструкций.

Если предстоит сварка особо ответственных конструкций, новых марок сталей или с использованием новых сварочных материалов, сварщик должен сварить контрольные образцы в том же пространственном положении и при использовании тех же материалов и оборудования, что и при сварке монтируемых конструкций.

Браковочным показателем при испытании образцов на статическое растяжение является предел прочности сварного соединения, который ниже предела прочности основного металла.

Особенности сборки-сварки

От состояния поверхности свариваемых кромок в значительной мере зависит качество свариваемых швов. Подготовка кромок под сварку состоит в тщательной очистке их от ржавчины, окалины, грязи, масла и других инородных включений. Очистка производится стальными вращающимися щетками, гидропескоструйным и дробеструйным способами, абразивными кругами и т. д. Влага и образующийся при пониженных температурах конденсат должен удаляться подогревом или обдувкой горячим воздухом.

При сборке важно выдержать необходимые зазоры и совмещение кромок, углов разделки и притупления кромок, так как в противном случае возможно образование непроваров или прожогов. Величины зазоров и смещения (превышения) при сборке различных соединений при различных толщинах металла регламентированы соответствующими стандартами. Точность сборки проверяется шаблонами, измерительными линейками и различного рода щупами. Сборка производится в специальных приспособлениях или на выверенных стеллажах. Временное закрепление деталей производится струбцинами, скобами или сборочными прихватками.

Узел, собранный с помощью прихваток должен обладать такой жесткостью и прочностью, какая необходима при извлечении его из сборочного приспособления и транспортировке к месту сварки, а также для уменьшения сварочных деформаций. При назначении размеров и расположения прихваток учитывают еще и необходимость предотвращения их вредного влияния на качество выполнения сварных соединений и работоспособность конструкции. Для сборки стыка на прихватках их длина должна быть 50-80 мм, а сечение должно быть около 1/3 сечения шва, но не более 25-30 мм². Расстояние между прихватками 150-500 мм. Прихватки должны располагаться в местах, где они будут полностью переварены при укладке основных швов. Перед сваркой все прихватки должны быть тщательно очищены от брызг расплавленного металла.

При сборке деталей из сталей следует применять временные технологические крепления из стали той же марки, что и собираемые детали. Поверхность деталей в местах приварки креплений должна быть предварительно зачищена от всех видов загрязнений. Технологические крепления после выполнения своих функций полностью удаляются кислородной или воздушно-дуговой резкой без углубления в основной металл с последующим шлифованием поверхностей деталей до удаления следов резки [2].

При проведении сборочно-сварочных операций используют специальные приспособления и приемы для повышения точности сборки, уменьшения коробления изделия и других сварочных деформаций.

2.2 Выбор методов и способов сварки

Исходя из условий работы, назначения, материала, используемого при изготовлении конструкции, допускается использовать для сварки конструкции следующие виды сварки: ручная дуговая сварка (РДС), автоматическая сварка под флюсом (АСФ), полуавтоматическая сварка в среде СО₂ и его смесях с О₂ (кислородом) .

Ручная дуговая сварка. Этим способом сваривают конструкции во всех пространственных положениях, из разных марок сталей, в случаях, когда применение автоматической и полуавтоматической сварок не возможно, например, при отсутствии требуемого оборудования. К преимуществам РДС относятся также:

- возможность сварки в любом пространственном положении;

- возможность устойчивого горения дуги и плавление электрода на постоянном и переменном токе;

- достаточная защита расплавленного металла;

- возможность получения хорошо сформированных валиков;

К недостаткам можно отнести большую вероятность получения дефектов в сварном соединении, малую производительность процесса, большой расход сварочных материалов, плохие санитарные условия сварки, большое тепловложение в свариваемое изделие, что приводит к послесварочным деформациям изделия. Регулирование скорости подачи и скорости сварки осуществляется сварщиком вручную, следовательно, качество сварного шва будет зависеть от практических навыков сварщика.

Автоматическая сварка под флюсом. При сварке вылет электрода значительно меньше, чем при РДС. Поэтому можно не опасаться перегрева электрода и отделения защитного покрытия, в несколько раз увеличить силу тока. Производительность сварки под флюсом в 10-15 раз выше, чем при РДС. Это достигается за счет: повышения величины и плотности сварочного тока, повышения коэффициента наплавки, увеличения глубины проплавления свариваемого металла, повышения скорости сварки, снижения машинного времени сварки. Плавление электродного и основного металла происходит под флюсом, надежно защищающим их от окружающей среды. Флюс способствует получению чистого и плотного металла шва, без пор и шлаковых включений, с высокими механическими свойствами и однородностью металла шва по химическому составу. Практически отсутствуют потери на угар и разбрызгивание электродного металла. Улучшаются условия труда сварщика, т.е. при сварке под флюсом отпадает необходимость в защите сварщика от воздействия дуги. Сокращается время освоения сварки под флюсом по сравнению с РДС. Процесс сварки полностью механизирован. К недостаткам АСФ можно отнести отсутствие визуального контроля за сварочной ванной, возможность сварки только в нижнем положении ввиду возможного стекания флюса и металла при отклонении плоскости шва от горизонтали более чем на 10-150, ограниченную маневренность автоматов.

Сварка в СО₂ и его смесях. По сравнению с РДС сварка в защитных газах имеет следующие преимущества:

- Возможность механизации сварочных работ при выполнении коротких швов;

- Уменьшение коробления изделий за счет повышенной теплоотдачи, охлаждающего действия защитной среды и увеличения скорости кристаллизации расплавленного металла;

- Простота процесса и техники сварки (сварщики осваивают этот способ за 3-5 смен);

- Более высокая производительность труда за счет автоматической подачи проволоки при удовлетворительном качестве сварных швов;

- Малая чувствительность к образованию пор по сравнению с процессом сварки электродами с фтористо-кальциевым покрытием и сваркой под флюсом ОСЦ-45 и АН-348А металла, покрытого окалиной, ржавчиной и другими загрязнениями;

- Уменьшенное содержание газов в шве;

- Возможность непосредственного наблюдения за процессом сварки и местом положения швов;

- Возможность сварки в труднодоступных местах;

- Дешевизна процесса;

Недостатки: в связи с повышенным содержанием кислорода в атмосфере дуги необходимо раскислять в процессе сварки металл шва. Элементы раскислители вводятся в сварочную ванну через электродную проволоку.

Таким образом, проанализировав все достоинства и недостатки вышеперечисленных способов, выбираем для сварки швов обечайки АСФ, а для швов приварки ребер , трубопроводов и опор - способ сварки в среде защитного газа СО₂ , для слесарной сборки РДС.

2.3 Выбор сварочных материалов

На механические и физико-химические свойства металла шва весьма существенное влияние оказывает его химический состав. Поэтому для получения свойств удовлетворяющим требованиям надежности конструкции весьма важным является правильный выбор сварочных материалов. При выборе сварочных материалов следует исходить из необходимости получения плотных беспористых швов, обеспечивающих высокую технологическую и эксплутационную прочность сварных соединений.

Сварочные материалы должны удовлетворять следующим требованиям:

- должны соответствовать требованиям стандартов, технических условий и паспортов и иметь сертификаты.

- сварочные материалы следует хранить рассортированными по партиям. На поверхности сварочной проволоки не должно быть следов ржавчины, масла и других загрязнений. Флюс следует хранить в закрытой таре.

- электроды и флюс перед использованием должны быть прокалены.

- сварочные проволоки и электроды должны иметь химический состав близкий к составу основного металла, иметь низкое содержание C, S, P..

- флюс должен соответствовать следующим требованиям:

- обеспечивать формирование поверхности сварного шва без надрезов и наплывов;

- не вытекать в зазоры между ползунами и свариваемыми кромками при заданной точности сборки свариваемых изделий;

- иметь высокую температуру кипения.

Для ручной дуговой сварки низко- и среднеуглеродистых сталей рекомендуют использовать покрытые электроды УОНИИ 13/55. Эти электроды обеспечивают высокую пластичность, ударную вязкость металла шва и стойкость против образования трещин.

Керамические подкладки ( Керамика ) - предназначены для получения высококачественных сварных швов при односторонней сварке.

Использование подкладок защищает металл корня от окисления, исключает необходимость вырубки, подварки корня шва с обратной стороны, зачистки обратной стороны шва после сварки. Большое разнообразие форм и размеров подкладок обеспечивает сварку в различных положениях.

При односторонней сварке с обратной стороны шва могут возникнуть такие дефекты, как шлаковые включения, поры, непровары, прожоги. Поэтому обратную часть сварочного шва должны выполнять сварщики с высокой квалификацией или необходима вырубка обратной стороны сварочного шва, а затем подварка корня шва с обратной стороны.

Вырубка и подварка шва ведется в очень трудной потолочной позиции или выполняется после поворота конструкции, что требует ряда дополнительных действий. От этих проблем можно полностью избавиться при применении керамических подкладок, которые формируют обратный валик сварочного шва.

Керамические подкладки используются при автоматической и полуавтоматической дуговой сварке металлическим электродом (проволокой) в среде защитного газа (MIG/MAG, GMAW), при дуговой сварке плавящейся порошковой, металлопорошковой проволоками (FCAW), при аргонно-дуговой сварке (TIG), при дуговой сварке под флюсом (SAW) V-образных, X-образных, T-образных стыков в труднодоступных местах.

Керамические подкладки выполнены из непористого, не впитывающего влагу материала, имеющего высокую температуру плавления, и представляет собой полосу длиной 0.6 м, состоящую из сегментов, закреплённых на самоклеящейся алюминиевой ленте. Подкладка прикрепляется к свариваемой поверхности.

С помощью керамики легко варить стыки с повышенными зазорами, материал керамических подкладок не вступает в реакцию со сварочной ванной что позволяет формировать обратный шов отличного качества.

Выбираем сварочные материалы:

РДС - электроды УОНИИ-13/55 (Ш3 - 5 мм).

АСФ - флюс СФМ-101,

Проволоку Св-08ГА PITTARG(Ш 3,2 мм).

Проволока Св-08Г2С(О) ( Ш1,2мм).

Защитная среда в смеси СО2(углекислого газа).

Самоклеющая керамическая подкладка с возможностью изгиба

NCB-03 .

Состав сварочных материалов приведен в таблицах 5 и 6 .

Таблица 5 - Состав сварочного флюса

Таблица 6 - Химический состав сварочной проволоки

2.4 Особенности односторонней сварки с принудительным формированием шва

За последние четыре десятилетия односторонняя дуговая сварка сталей получила широкое распространение в отечественной промышленности и за рубежом. Важнейшие работы в этом направлении были выполнены в МГТУ им. Н. Э. Баумана, ИЭС им. Е. О. Патона, ЦНИИТС, ЦНИИ «Прометей», ВНИИСТ, ЛПИ им. Калинина, ВНИИмонтажспецстрое, а также в ряде зарубежных исследовательских центров, таких как Институт сварки в Кембридже (Великобритания), компании «3М» (США), «Линкольн Электрик» (США), судостроительных компаниях Японии, Канады, Австралии.

Тем не менее, как в России, так и за рубежом основной проблемой односторонней дуговой сварки плавящимся электродом по-прежнему является сложность получения качественного обратного валика. Решение этой проблемы в основном, базируется на использовании традиционных способов формирования обратной стороны шва - на медной подкладке, флюсовой подушке, флюсомедной подкладке при сварке плосколистовых конструкций и использовании малогабаритных подкладок при сварке криволинейных конструкций-трубопроводов, обечаек, резервуаров. Разработанные в последние годы источники питания сварочной дуги фирмы «Линкольн» обеспечивают стабильную форму корня шва при сварке в среде защитных газов за счет применения специальных циклограмм, исключающих прожог и позволяющих влиять на вектор давления дуги в сочетании с плавным перетеканием жидкого электродного металла в сварочную ванну без ударных нагрузок. Тем не менее, как электроды при сварке на весу, так и источники питания со специальными циклограммами, в основном, гарантируют формирование корня шва при сравнительно невысоких токовых нагрузках.

Предварительные исследования, проведенные автором при односторонней сварке стыковых швов толщиной до 16мм плавящимся электродом на малогабаритных формирующих устройствах показали, что стабильность размеров обратной стороны шва при однопроходной односторонней сварке возможна

без использования стационарных громоздких пневматических или электромагнитных стендов с усилиями поджатия более 100кг/мм2. Цель достигается путем подбора физических и физикохимических свойств шлака подкладной керамики, являющегося изложницей для металла сварочной ванны в условиях статического и динамического равновесия.

Известно, что условия формирования обратного валика отличаются от условий формирования лицевой поверхности, а именно:

- время пребывания металла и шлака в расплавленном состоянии в корне шва значительно меньше;

- температура в корне шва сварочной ванны на 250-300?С ниже;

- условия перемещения пограничного слоя донной части сварочной ванны в область кристаллизации существенно отличаются от аналогичной на лицевой поверхности;

- физико-химические явления на границе «металл-шлак» в корне шва значительно отличаются от аналогичных на поверхности лицевого валика;

Поэтому, пути решения основных проблем односторонней сварки связаны с рассмотрением основного вопроса:

- формирующий обратный валик сварочный материал, должен создаваться на основе результатов основных металлургических и физико-химических процессов на границе «металл сварочной ванны - шлак подкладки», определяющих требования к физико-химическим свойствам шлаковой системы материала, обеспечивающих получение заданных параметров обратного валика;

- шлаковые системы сварочных материалов, используемых при односторонней сварке (флюсы, электроды, порошковые проволоки) для стабилизациии процесса формирования обратного валика должны соответствовать по металлургическим и термодинамическим свойствам шлаковым системам формирующих подкладок;

Модельные расчеты, основанные на действии статических и динамических сил в сварочной ванне при односторонней сварке стыковых швов (рис.1), показали, что при зазоре между подкладкой и основным металлом в 1,5…2мм, поверхностное натяжение шлака в диапазоне температур 1550…1650?С должно быть не менее 500 мдж/м2, в то время как поверхностное натяжение флюсов, используемых в настоящее время для формирования обратной стороны шва при односторонней сварке не превышает 350 мдж/м2. Данные расчеты показывают, что возникающие дефекты - макронатеки по ширине обратного валика невозможно устранить только при помощи мощных пневматических и гидравлических порталов, поджимающих формирующие устройства к обратной стороне стыкового соединения, так как обеспечить перекос кромок менее 1,5мм, в современных условиях при сборке металлоконструкций не представляется возможным. При рассмотрении статической модели установлено, что металл донной части сварочной ванны и шлак формирующего устройства совместно перемещаются из головной в хвостовую часть сварочной ванны.

Рис. 1. Упрощенная статическая схема силового взаимодействия в сварочной ванне на керамической расплавляемой подкладке

Р? - сумма сил действующих со стороны дуги, Рдд+Рг; Рпнм - сила поверхностного натяжения верхнего и нижнего зеркала сварочной ванны;

Рпнш - сила поверхностного натяжения шлака в зазоре между подкладкой и металлом стыка. 1- расплав металла; 2- шлаковый расплав;

Приведенные в работах Ерохина А. А., Демянцевича В. М., Размышляева Д. М. Чернышова Г. Г., Столбова В. И., Исидзаки, Хорри и Мори и других исследователей, данные о гидродинамических процессах в сварочной ванне, свидетельствующие о высоких скоростях перемещения металла сварочной ванны из головной в хвостовую часть под действием объемных и поверхностных сил меняют представления о процессе взаимодействия между металлом сварочной ванны и жидким шлаком в донной части сварочной ванны. Так, по данным из работ Демянцевича В. П., Болдырева А. М. и Размышляева А. Д., скорости истечения жидкого металла достигают 1,5-2 Vсв, при сварке неплавящимся электродом и 20-30 Vсв, при сварке плавящимся электродом. Наибольший порядок скоростей наблюдается именно в корне шва, в зоне сквозного проплавления, на границе взаимодействия слоев металла и шлака. Однако в этих работах не рассматривали формирование корня шва шлаковым расплавом. Расчеты показали, что если вязкость шлакового слоя в диапазоне температур 1450-1650?С будет не менее 5 Па?с для углеродистых и низколегированных сталей и 2…3 Па?с для легированных сталей, то граница совместного перемещения под действием градиента давления будет минимальной, а время совместного перемещения будет в пределах 2-3 с.

Скорость перемещения шлакового слоя определяем с известными допущениями:

- температура слоя по толщине одинакова и не меняется по длине сварочной ванны;

- вязкость металлического и шлакового слоя по толщине в условиях взаимного перемещения постоянна;

- донная часть сварочной ванны в условиях взаимного перемещения слоев не превышает 10мм.

Рис. 2. Распределение скоростей движения слоев в металле и шлаке при различных значениях вязкости шлакового расплава

В результате, подбирая расчетным и экспериментальным путем вязкость шлакового слоя, можно снижать скорость взаимного перемещения слоев, стабилизировать высоту обратного валика и избежать шлаковых включений в корне шва. Таким образом, расчетным путем определены два основополагающих свойства шлакового расплава - вязкость и поверхностное натяжение, влияющие на возникновение нестабильных размеров обратного валика-высоты и ширины.

Одним из самых распространенных дефектов при односторонней сварке стыковых соединений под флюсом толщиной более 16мм, являются утяжины, образующие обратный мениск в корне шва.

Для выявления причин образования дефектов в виде утяжин была разработана методика оценки возможности получения качественного одностороннего однопроходного соединения. Было высказано предположение, что появление дефектов вызывается неблагоприятной гидродинамической обстановкой в сварочной ванне, а именно изменением направления течения металла сварочной ванны различного объема. Для определения направления течения жидкого металла было разработано специальное устройство, позволяющее фиксировать направление течения металла в хвостовой части ванны (рис.3).

В хвостовую часть ванны помещен загнутый конец стержня 2, ориентированный по направлению движения потока жидкого металла. При этом замыкаются контакты 4-5 и 6-7 или 4-6 и 5-7, что фиксируется на осциллографе в результате протекания токов I1 и I2. В результате экспериментальных исследований было установлено, что направление движения металла периодически изменяется, вблизи дна металл начинает течь в сторону головной части сварочной ванны, а вблизи поверхности в хвостовую часть (рис.4). Предполагается, что донный поток, встречаясь с поверхностным потоком, увеличивает объем металла под дугой, в результате чего появляются подтекания, которые при наличие гарантированного зазора проникают на значительную глубину между кромками, снижая проплавляющую способность дуги и увеличивая толщину жидкой прослойки. Изучение явления подтекания жидкого металла в зазор проводились с помощью вольфрамового щупа (рис.3)

Рис. 3. Схема устройства для определения направления течения жидкого металла:

1 - сварочная ванна; 2 - вольфрамовый стержень; 3 - вольфрамовая трубка;

4, 7 - неподвижные контакты; 5, 6 - клеммы гальванометра; 8 - кольцо;

9 - кронштейны; 10 - защитный экран из вольфрама.

Изучение явления подтекания жидкого металла в зазор проводились с помощью вольфрамового щупа (рис.3) диаметром 0,5мм, покрытого тонким слоем жаропрочной кварцевой нити. Щуп помещался в зазор между кромками на расстоянии L от электрода. В момент появления подтекания происходит замыкание электрической цепи, если его величина Lп > L, что фиксируется на осциллографе. Таким образом, можно определить длину подтеканий L и частоту появления подтеканий ф.

Обработка полученных данных значений L и ф, выявила их зависимость от толщины свариваемого металла (таб.1). С увеличением толщины свариваемого металла (глубины проплавления и объема сварочной ванны) среднестатистические значения L и ф растут. Приведенный метод регистрации подтеканий металла позволяет определить и скорость его течения в зазор между кромками перед дугой. Для этого в зазоре установили еще один щуп 2, конец которого совмещен относительно конца первого щупа на расстоянии l?. Время t?, за которое расплавленный металл преодолевает расстояние l?, фиксируется по осциллограмме, а скорость его течения (v=l?/t?) составляет 4…20см/с. при односторонней сварке.

Одновременно, использование приведенных методик позволяет не только выявить особенности гидродинамической обстановки в сварочной ванне, но и установить их взаимосвязь, благодаря чему в конечном счете можно полнее представить процесс образования некоторых дефектов корня шва при односторонней сварке. Анализ проведенных исследований показал, что при сварке под флюсом корневых стыковых швов происходят самопроизвольные колебательные движения расплавленного металла в сварочной ванне (гидродинамические возмущения), в результате которых изменяются условия теплопередачи от дуги в корень разделки и условия вытеснения расплавленного металла на обратную сторону шва. Причем, наиболее высокие скорости достигаются на передней стенке ванны и в зоне сквозного проплавления.

Рис.4. Методика и схема определения подтекания жидкого металла

1-первый вольфрамовый щуп; 2- второй вольфрамовый щуп; 3- электрод; 4- сварочная ванна; 5- флюс.

Это позволяет предположить, что высокие скорости перемещения металла в корне шва могут привести к дефектам при формировании обратного валика. Для оценки влияния течения металла необходимо определить изменение объемных и поверхностных сил на разных стадиях формирования обратного валика в корне шва. Это особенно важно в момент окончательного завершения процесса, когда происходит физико-химической взаимодействие на границе металл-шлак.. В этом случае, когда импульс объемных и поверхностных сил, перемещающих элементарный объем жидкого металла из головной в хвостовую часть ванны иссякает, окончательная геометрическая форма обратного валика создается за счет поверхностных сил капли жидкого металла на границе с затвердевающим шлаковым расплавом, называемым тянущим усилием и описывается формулой:

Ft = 2рrу?y = 2рrу2 ( cosх - cosх?)

где: r - радиус периметра смачивания; у - межфазное натяжение; х и х? - углы смачивания (рис.4). Капиллярное давление или давление Лапласа в любой точке поверхности составляет:

Рл = у [(1/r1) - (1/r2)], (4)

где: r1 и r2 - главные радиусы кривизны поверхности в данной точке.

Как следует из уравнения (4), капиллярное давление существенно лишь при наличии сильно искривленных поверхностей, но при малой кривизне оно уменьшается, а при плоской поверхности обращается в нуль. Если растекание жидкости массой m сопровождается снижением ее центра тяжести на dh, то потенциальная энергия снижается на - dU = - mgh и появляется дополнительная радиальная сила Fр = - mg(dh/dr), вызывающая горизонтальное перемещение жидкости по периметру смачивания. В нашем случае при формировании обратного валика гравитационное действие этой силы будет способствовать растеканию и направлено перпендикулярно действию лапласовых сил.

Разработка оптимальных составов формирующих корень шва и исследование физико-химических свойств шлаковых расплавов, посвящена разработке оптимальных составов формирующих обратную сторону шва слоев и исследованию физико-химических свойств шлаковых расплавов.

Используя методы математической статистики, качественную и количественную оценку параметра оптимизации - форму обратного валика шва, определили оптимальный состав шихты, включающий следующие компоненты: рутил - 40%, плавиковый шпат - 25 %, кремнезем - 18,5 %, ферросилиций - 15 %, глинозем - 1,5 %.

Поверхностные свойства навесок проверялись по методикам лежащей капли и максимального давления в газовом пузырьке, погруженном в шлаковый расплав. Исследования показали, что поверхностные свойства специализированных шлаковых систем, предназначенных для односторонней сварки значительно отличаются от поверхностного натяжения стандартных сварочных флюсов в диапазоне температур 1450-1650°С и составляют 480…610 мдж/м2 (рис.7). Одновременно, проводились сравнительные испытания шлаковых систем гибких подкладок SJ-1 и SJ-2 (3М, США), которые потвердили необходимые требования к свойствам формирующих слоев.

Вязкость шлаковых расплавов исследовалась на ротационном вискозиметре, в динамическом температурном режиме, в среде азота. В результате исследований удалось обнаружить, что динамическая вязкость экспериментальных навесок, в том числе и зарубежных, превосходит по абсолютным значениям вязкость стандартных сварочных материалов в несколько раз (рис. 8). Анализ полученных экспериментальных данных показал хорошую сходимость с расчетными характеристиками по данным свойствам, полученным во второй главе.

Из теории металлургических процессов в целом, и ионной теории шлаковых расплавов в частности, известно, что катионы и анионы с мощными силовыми полями притягиваются друг к другу, а слабые ионы вытесняются на периферию, в зону более высоких температур.

Рис. 6. Феноменологическая модель образования обратного валика

1-формирующий слой; 2-тугоплавкий слой; 3-шлаковая ванна; 4-основной металл; 5- хвостовая часть ванны; 6-шов; 7- граница формы валика;

Этим обуславливается микронеоднородность и расслоение шлаковых расплавов. В этой связи квазиполикристаллическая модель растворов, разработанная И. А. Новохатским и А. В. Архаровым, показывает направление, в соответствии с которым, можно решить проблему стабилизации поверхностных свойств расплава за счет увеличения в пограничном слое упорядоченных зон (сиботаксисов или кластеров) и уменьшения разупорядоченной зоны.

Надо однако заметить, что при температуре 1550-1650?С в пограничном слое «металл-шлак», определение зон достаточно условно. В условиях взаимодействия металла и шлака в зонах образуется значительное количество газов - водорода, двуокиси углерода, других гидроксилов, которые способствуют увеличению разупорядоченной зоны. Наиболее характерным дефектом формы обратного валика шва, характеризующим наличие разупорядоченной зоны в корне шва, является шевронная пористость, типичная при использовании керамических подкладок.

Рис. 7. Поверхностное натяжение экспериментальных шлаковых расплавов и сварочных флюсов.

1 - расплав №1; 2 - расплав №2; 3 - расплав флюса АН-28; 4- расплав флюса АН-18; 5 - расплав флюса АНФ-14; 6 - расплав флюса АН-60; 7 - расплав №2; 8 - расплав SJ-1; 9 - расплав SJ-2; 10 - расплав №1 (метод давления в газовом пузырьке); 11 - расплав SJ-1(метод давления в газовом пузырьке); 12 - расплав SJ-2 (метод давления в газовом пузырьке); 13 - флюс АН-348А; 14 - флюс ОСЦ-45;

Шевронная пористость представляет собой наружные и внутренние газовые каналы, расположенные на поверхности обратного валика.

В свою очередь, использование в качестве формирующих материалов неорганических стекловолокон, технология производства которых устраняет насыщение влагой и построена на использовании свободных от промежуточных и нестабильных в условиях высоких температур соединений, окислов устраняет появление указанных дефектов.

Рис.8. Вязкость шлаковых расплавов формирующих подкладных устройстви сварочных флюсов.

1 - расплав №1 (SiO2-TiO2-Al2O3); 2 - расплав флюса АН-28; 3 - расплав флюса АН-18; 4 - расплав флюса АНФ-14; 5 - расплав флюса АН-60; 6 - расплав шлака № 3 (SiO2-TiO2-MgO); 7 - расплав шлака SJ-1; 8 - расплав шлака SJ-2; 9- расплав флюса 348А; 10 - расплав флюса ОСЦ - 45.

Мировое производство стекловолокон базируется на использовании марок А, Е, С с широким диапазоном представленных в составах окислов. Синтез необходимого состава был выполнен с учетом квазиполикристаллической модели растворов и преимущественном характере кластерообразующих элементов. В результате были получены два состава следующего содержания:

1. SiO2 = 55%; Al2O3 = 15%; В2О3 = 6%; MgO = 8%; R2O = 15%; остальное - 1%;

2. SiO2 = 53%; Al2O3 = 20%; В2О3 = 7%; MgO = 8%; R2O = 11%; остальное - 1%;

Для создания новых конструкций подкладных лент были подобраны оптимальные макеты формирующих слоев для различных способов сварки, различных пространственных положений, наиболее часто употребляемых при односторонней сварке марок сталей. Синтез стекла, промышленная технология производства лент, стержней и стеклотрикотажа позволили разработать параметрический ряд стекломатериалов, которые послужили основой для создания различных конструкций подкладных лент и стержней для формирования обратной стороны и корня шва при односторонней и двусторонней сварке прямолинейных и криволинейных конструкций из углеродистых и низколегированныъх сталей

Основные результаты и выводы

а) формирование обратной стороны шва в настоящее время обеспечивается стандартными сварочными материалами - флюсами, порошковыми проволоками, электродами для ручной дуговой сварки, созданными без учета многочисленных гидродинамических, физических и физико-химических особенностей формирования обратного валика шва.

б) гидродинамические схемы перемещения расплава в сварочной ванне идентифицируют возникновение нестабильности размеров обратного валика по ширине и высоте. Объемные силы влияют на образование валика по высоте, а поверхностные силы ответственны за стабильность валика по ширине и форму перехода от усиления шва к основному металлу.

в) Поверхностное натяжение шлакового расплава в диапазоне 480…650 мдж/м2 и динамическая вязкость расплава в диапазоне 2…5 Па·с при температуре 1550…1650?С гарантируют стабильность размеров обратного валика с отклонениями ±1мм по высоте и ±1,4мм по ширине обратного валика.

г) стабильность размеров обратного валика шва характеризуется Ккс=(0,2-2,0) безразмерным коэффициентом устойчивости кластерных систем в шлаковом расплаве в соотношении Ез=К4рr2у и объемом разупорядоченной зоны, отличающихся друг от друга различной энергией активации вязкого течения и силой интерионного взаимодействия.

д) Расчет химической активности шлаковой системы TiO2-CaF2-SiO2-Al2O3 и других сварочных шлаков и стекол показал наличие необходимых условий для прохождения металлургических процессов в пограничном слое металл-шлак в донной части сварочной ванны.

е) стекловолоконные материалы, созданные на базе системы

SiO2-B2O3-Al2O3-ZrO2 и сотканные в виде многослойной, многокомпонентной ленты и гибкого стержня, являются наиболее универсальными устройствами для формирования обратной стороны шва при односторонней дуговой сварке сталей в различных пространственных положениях.