Індукційне зваркопаяння тонкостінних трубчастих конструкцій проміжної та кінцевої трубної арматури

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ІНДУКЦІЙНЕ ЗВАРКОПАЯННЯ ТОНКОСТІННИХ

ТРУБЧАСТИХ КОНСТРУКЦІЙ ПРОМІЖНОЇ ТА КІНЦЕВОЇ ТРУБЧАСТОЇ АРМАТУРИ

Спеціальність - 05.03.06 Зварювання та споріднені процеси і технології

ПРОКОФ'ЄВ Олексій Сергійович

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Письменний Олександр Семенович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідуючий відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Размишляєв Олександр Денисович, Приазовський державний технічний університету, м. Маріупіль професор кафедри

кандидат технічних наук, доцент Денисович Олена Аполінарієвна, Національний Технічний Університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ доцент кафедри

Провідна установа Кафедра Зварювального виробництва Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, м. Миколаїв.

Захист дисертації відбудеться ”15" жовтня 2007 р. о 15⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при Національному Технічному Університеті України “КПІ”, м. Київ, 03056, просп. Перемоги, 37, корпус 19, ауд.435. З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного Технічного Університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37

Автореферат розісланий "24"липня 2007 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Л.Ф. Головко

АНОТАЦІЯ

Прокоф'єв А.С. Індукційне зваркопаяння тонкостінних трубчастих конструкцій проміжної та кінцевої трубної арматури. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - Зварювання та споріднені технології. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007р.

Було досліджено різновид зварювання у твердій фазі, під робочою назвою “зварко-паяння” (у ході виконання робіт процес введено до ДСТУ 3761.2-98 як “зварювання-паяння під тиском” -ЗПТ. У роботі проведено теоретичні та експериментальні дослідження процесу зварювання (ЗПТ) вузлів Т-подібних з'єднань тонкостінних труб та з'єднань фланців з трубами, та удосконалено технологічні складові процесу ЗПТ. Розроблено експрес-методику для швидкого визначення технологічних параметрів процесу ЗПТ, і якості отриманих швів.

Удосконалено метод розрахунку “синтезу індукційних пристроїв” електричних параметрів та геометричних розмірів індуктора у відповідності до ЗПТ. Розроблено нові варіанти конструкцій вузлів Т-подібних з'єднань труб та з'єднань фланців з трубами.

Ключові слова: вузли Т-подібних з'єднань труб, фланці, зварювання, контактне стискування, індуктор, нагрівання.

АННОТАЦИЯ

Прокофьев А.С. Индукционная сваркопайка тонкостенных трубчатых конструкций промежуточной и конечной трубной арматуры. - Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - Сварка и родственные технологии. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2007 г.

Был исследован вид сварки без расплавления основного металла с формированием шва в твердой фазе с рабочим названием “сваркопайка” (в ходе выполнения работ процесс введен в ДСТУ 3761.2-98 как “зварювання-паяння під тиском” -СПД)

В работе приведенные теоретические и экспериментальные исследования технологического процесса сварки в твердой фазе СПД узлов Т-образных соединений тонкостенных труб и соединений фланцев с трубами и усовершенствованы ее технологические составляющие.

Исследования проводились с применением методов физического моделирования процессов СПД с использованием разработанной экспресс-методики, путем проведения натурных экспериментов по нагреву для проверки точности расчета методом синтеза электрических параметров и геометрических размеров индуктора на соответствие технологическим условиям процесса СПД.

Разработана методика исследования процесса СПД заданных материалов, которая позволяет:

- определить требуемые температурные интервалы проведения процесса СПД для малоуглеродистых конструкционных сталей типа стали 20;

- определить необходимую степень деформации зоны шва, обеспечивающую заданные прочностные показатели шва;

- усилие осадки;

- произвести выбор активирующих веществ и определить время активации соединяемых поверхностей;

- прогнозировать прочностные и качественные показатели полученных швов;

- минимизировать количество экспериментов для разработки процесса выполнения швов в соединениях натурных сечений.

Температурный интервал проведения процесса СПД для малоуглеродистых конструкционных сталей типа стали 20, составляет 980…1200 ⁰С

Установлено, что степень деформации кромок, которая обеспечивает выполнение качественных швов методом СПД в соединениях фланцев с трубами, лежит в пределах 2,5…5,5 %. Площадь соединения при этом увеличивается вплоть до 5%.

Предложен метод расчета индукционных устройств, их электрических параметров, геометрических размеров индуктора в зависимости от заданных технологических условий процесса СПД. Учитывается распределение температуры, удельной мощности или векторного потенциала магнитного поля на двухмерной поверхности шва и околошовной зоны. При этом температурный интервал проведения процесса с применением активирующих веществ на основе меди имеет диапазон 980…1200 ⁰С, а значения удельной мощности имеют диапазон 0,2...0,8 кВт/см². Это позволяет разработать с необходимой точностью (погрешность менее 5%) индукционное оборудование для процесса СПД конкретных сварных узлов.

При выполнении шва по замкнутой цилиндрической поверхности более 25% зоны шва не визуализируется. Металл этой зоны состоит из образовавшихся общих зерен металла заготовок. Оставшаяся, видимая часть металла шва с элементами не вытесненной прослойки, представляет собой сплав на базе основного металла соединяемых деталей. При этом присутствие прослойки из сплава Fe-Cu-Zn не снижает прочностные характеристики шва, а толщина прослойки соизмерима с глубиной шероховатости поверхности кромок заготовок и составляет не более 18 мкм.

Установлено, что выполнение швов методом СПД в тонкостенных трубчатых Т-образных конструкциях из конструкционных углеродистых сталей, в частности Б-20 ГОСТ 8733-87, позволяет получать качественные соединения с высокими эксплуатационными показателями.

При проведении испытаний образцов на отрыв напряжения разрушения превысили нормативное напряжение разрушения с коэффициентом усиления К_{у отр.} до 1.5 раза, а при испытании на срез превышение коэффициентом усиления К_{у среза} более, чем в 2,6 раза. Так срезающие напряжение в шве ф_СР соответствует нижней границе предела текучести основного металла у_Т ? 200…245 МПа. Это свидетельствует о том, что прочность шва достигает прочности основного металла.

Предложенный процесс СПД позволяет выполнять одновременно швы по различным сопрягаемым поверхностям внутри узлов Т-образных соединений труб и фланцев с трубами. Это дает возможность расширить конструктивные возможности при проектировании и оптимизировать существующие конструкции узлов с учетом применяемого процесса СПД. Отличительной особенностью процесса СПД является то, что узлы формируются непосредственно в процессе при взаимном скольжении, направленном течении и деформации металла кромок, и увеличении площади шва.

Ключевые слова: узлы Т-образных соединений труб, фланцы, сварка, контактное давление, индуктор, нагрев.

зварювання вузол тонкостінний труба

ABSTRACT

Prokofiev A.S. Induction technology for weldingbrazing units of knot T-like connections of thin-walled tubes and connections of flanges to tubes.The dissertation for the scientific degree of Candidate of Technical Sciences on speciality 05.03.06 - Welding and Related Technologies. - The National technical university of Ukraine “Kiev politechnical institute”, Kiev, 2007.

In this work there are results in theoretical and experimental researches of technology for weldingbrazing units of knot T-Hke connections of thin-walled tubes and connections of flanges to tubes and technological fundamentalists of connection process are developed.

The method of synthesis for induction devices in which the sizes of the induction coil and its current are defined by technological parameters - (a condition of heating and observance of conditions of the soldering and weldingbrazing) is developed. New types of designs the units of knot T-like connections of tubes and connections of the flanges with tubes with extensive surface of a weld and heightened durability of connection are developed The reasons of formation of imperfections in welds which may arise in weldingbrazing process are established and methods of its elimination are developed. The weldingbrazing technology is improved and modified by means of developing of samples and an express - method to define the technological and fabricability weldingbrazing.

Key Words: units of knot T-like connections of tubes, flanges, weldingbrazing, contactional compress, induction coil, heating.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. До найбільш розповсюджених трубчастих конструкцій проміжної і кінцевої трубної арматури відносяться вузли, що містять елементи перетинання труб, а також з'єднання фланців із трубами. Вузли, що містять Т-подібні з'єднання труб і з'єднання фланців із трубами, широко використовуються в різних металоконструкціях відповідального призначення, зокрема виготовлених з вуглецевих сталей. Такі конструкції з використанням труб застосовуються в будівництві, при виробництві трубопроводів різного призначення, у інших спорудах, а також при встановленні газової й іншої апаратури (лічильники газу, води, тепла та.ін.). Тонкостінні труби малих діаметрів (відношення діаметру до товщини стінки 12...20 і більш) широко застосовуються у конструкціях відповідального призначення - при виробництві велосипедів, мотоциклів, медичної техніки, інвалідних візків (колясок), меблів.

Все більшої актуальності, при цьому, набуває задача забезпечення конструктивної міцності та надійності приєднання елементів цих конструкцій. А також у підвищенні здатності вузлів, що містять трубну арматуру, зберігати свою форму і технічні характеристики під дією різних зовнішніх навантажень (статичних і динамічних), а також внутрішніх навантажень, дія яких обумовлена транспортуванням продуктів (внутрішнього тиску, гідравлічних ударів) при їхній наявності.

Основними недоліками відомих технологій зварювання та паяння вузлів Т-подібних з'єднань труб та з'єднань фланців з трубами для конструкцій відповідального призначення є наявність допоміжних операцій - прихоплень, які потім переварюються, наступне після зварювання виправлення деформацій виробу, необхідність усунення залишкових зварювальних напружень та підвищення експлуатаційних показників отриманих швів шляхом виконання наступної термообробки. Усе це призводить до високої собівартості виробів, яка також обумовлена значною часткою ручної праці висококваліфікованих зварників, особливо при виконанні швів у вузлах Т-подібних з'єднань труб.

У зв'язку з викладеним вище, існує необхідність у розробці ефективного технологічного процесу виконання швів у вузлах Т-подібних з'єднань труб (у тому числі з тонкостінних труб рівного діаметру) та у з'єднаннях фланців із трубами. Розроблювальний процес повинен забезпечувати високу продуктивність та максимально зберігати вихідні якості основного металу і запобігати утворенню литих структур у зоні шва. Також, процес що розроблюється, повинен відповідати вимогам що до механізації, і забезпечувати стабільне одержання швів високої якості та виключити необхідність залучення висококваліфікованого виробничого персоналу.

Вагомий внесок у проектування, розробку, дослідження, аналіз параметрів швів у зварних конструкціях внесли Е.О. Патон, Б.Е. Патон, В.К. Лебедєв, С. И. Кучук-Яценко, Г.С. Писаренко, Э.Ф. Гарф, та ін.

Розвиток технологій зварювання, які базуються на дослідженнях та застосуванні індукційного нагрівання, зв'язано з роботами Б.Е. Патона, В.К. Лебедєва, А.С. Письменного, В. В. Вологдіна, Э.В. Куща, А.Н. Шамова, В.А. Бодажкова, А.Е. Слухоцького, А.Б. Кувалдіна, та ін.

Дослідження і розвиток методів паяння при виготовленні конструкцій різного призначення, пов'язано з роботами В.К. Лебедєва, В.Ф. Хорунова, А. А. Россошинського, В.Д. Табелева, Н.Ф. Лашко, С.В. Лашко та ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у відповідності з держбюджетною темою № 1.6.1.43.4 "Дослідження способу високочастотного шовного зварювання при введенні у зону з'єднання активуючих речовин та розробка експериментальної технології та устаткування" (постанова бюро ОФТПМ НАН України протокол № 8 від 13.05.97 р.); та держбюджетною темою № 1.6.1.43.7 "Розробка технології зварювання у твердій фазі труб з легованих та нержавіючої сталей", (постанова бюро ОФТПМ НАН України протокол №7 від 20.04.2000 р.), та згідно до договору між ДАХК “АРТЕМ” та ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України № 1993 від 21.06.2001 р. “Дослідження процесів зварювання та термообробки трубчастих конструкцій”.

Мета і завдання дослідження: розробити високоефективний технологічний процес виконання швів у вузлах Т-подібних з'єднань труб та з'єднань фланців з тонкостінними трубами за ГОСТ 8734-75 (з товщиною стінки 1 мм та менше з конструкційних вуглецевих сталей, зокрема, Б-20 ГОСТ 8733-87), Технологічний процес повинен забезпечувати одержання з'єднань з високими експлуатаційними показниками, з максимальним збереженням якості основного металу, запобігати утворенню литих структур у зоні шва, скорочувати обсяги застосування термічної обробки для підвищення якості швів, та підвищувати економічність процесу з'єднання деталей.

Для досягнення цієї цілі були поставлені та вирішені такі задачі:

- проаналізовані і систематизовані за рівнем технологічності виготовлення варіанти конструкцій вузлів Т-подібних з'єднань труб та з'єднань фланців з трубами;

- визначені певні критерії, дотримання яких забезпечує одержання якісних швів у технологічному процесі, який розробляється - (співвідношення ступеня пластичної деформації, площі шву, величини осадження, температурні та енергетичні параметри);

- розроблена експрес-методика визначення технологічних параметрів процесу (контактного тиску і ступеня деформації у зоні шву), та показників міцності і властивостей металу отриманих швів з використанням спеціальних зразків, виготовлених з матеріалів, що досліджуються, а також визначення сумісності застосованих активуючих речовин з матеріалом заготівок;

- удосконалений метод синтезу індукційних пристроїв, який дозволяє шляхом розрахунків за технологічними умовами процесу - розподілу температури та питомої потужності, які задані на двомірній поверхні шву та коло шовної зони, визначити електричні параметри і геометричні розміри індуктора, що забезпечують цей заданий розподіл поля температур;

- поширено у зону високих температур застосування термометричного методу визначення не тільки питомої поверхневої потужності, але і векторного потенціалу, що генеруються індуктором у заготовці, яка нагрівається;

- виходячи з визначених критеріїв розробленого технологічного процесу, розроблені нові варіанти конструкцій вузлів Т-подібних з'єднань тонкостінних труб, у тому числі з груб рівного діаметру, та з'єднання фланців з трубами, виконання і формування швів у яких здійснюється безпосередньо у процесі зварювання-тиском у твердій фазі, що дозволяє отримати підвищення міцності та конструктивної надійності виконаних вузлів;

- створене лабораторне устаткування для проведення експериментів і експериментальне устаткування для реалізації розробленого процесу зварювання-тиском у твердій фазі “зварювання-паяння під тиском” -ЗПТ;

- проаналізовані причини утворення дефектів, які можуть виникнути у процесі ЗПТ, і розроблені рекомендації, що до їхнього усунення.

Об'єктом дослідження, з урахуванням поставленої мети роботи, був технологічний процес зварювання у твердій фазі та його застосування при виконанні швів у трубчастих конструкціях проміжної та кінцевої трубної арматури у вузлах Т-подібних з'єднань з тонкостінних труб і в з'єднаннях фланців з трубами малого та середнього діаметрів.

Предметом дослідження були складові процеси технології індукційного “зварювання-паяння під тиском” (ЗПТ) та устаткування для виконання швів у вузлах Т-подібних з'єднань тонкостінних труб та у з'єднаннях фланців з трубами малого і середнього діаметрів, а саме:

- систематизація та аналіз технологій виконання швів, з урахуванням умов їхньої роботи при дії навантажень, визначення критеріїв що до реалізації технологічного процесу, який розроблюється, розробка з їхнім урахуванням нових конструкцій вузлів;

- експрес-методика визначення параметрів технологічного процесу і показників якості отриманих швів, металографічні структури і механічні властивості швів, причини утворення дефектів та методи їхнього усунення.

- метод синтезу індукційних пристроїв визначення електричних параметрів і геометричних розмірів індуктора, шляхом розрахунків за технологічними умовами процесу зваркопаяння - розподілу температури, питомої потужності та векторного потенціалу, які задані на двомірній поверхні шву та коло шовній зоні; термометричний метод дослідження розподіленої питомої поверхневої потужності і векторного потенціалу, що генеруються індуктором.

Методи досліджень. Дослідження проводилися із застосуванням методів фізичного моделювання процесів зварювання з використанням розробленої експрес-методики, шляхом проведення натурних експериментів по нагріванню для перевірки точності розрахунків параметрів індукторів технологічним умовам процесу, механічних іспитів, досліджень шліфів зварних з'єднань та показників якості металу отриманих швів відповідно до відомих методик.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше розроблений та застосований різновид технологічного процесу зварювання у твердій фазі - “зварювання-паяння під тиском” для виконання швів у вузлах Т-подібних з'єднань тонкостінних труб та з'єднань фланців з трубами, який забезпечує збільшення площі шву та мінімізацію його товщини безпосередньо у процесі осадження крайок при температурі активації їх поверхні активуючою речовиною.

2. Розроблено експрес-методика для визначення технологічних параметрів процесу “зварювання-паяння під тиском” (контактного тиску та ступеню деформації у зоні шву) та показників міцності і властивостей металу отриманих швів з використанням спеціальних зразків, які виготовленні з матеріалів, що досліджуються, експрес-методика забезпечує можливість визначити сумісність активуючих речовин з матеріалом заготівок; отримані дані використовуються для поширення їх шляхом розрахунків на параметри процесу з'єднання натурних зразків.

3. Удосконалений метод синтезу індукційних пристроїв для визначення з заданою точністю електричних параметрів та геометричних розмірів індуктора, що дозволяє шляхом розрахунків за технологічними умовами реалізації процесу “зварювання-паяння під тиском” - розподілу температури чи питомої потужності, які задані на двомірній площі шву та коло шовній зоні..

4. Розроблені нові варіанти конструкцій вузлів Т-подібних з'єднань тонкостінних труб та з'єднань фланців з трубами, виконання та формоутворення швів у яких здійснюється безпосередньо, у процесі “зварювання-паяння під тиском”, що дозволяє отримати підвищення міцності та конструктивної надійності отриманих вузлів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- застосовано технологічний процес “зварювання-паяння під тиском” як спосіб виконання швів у вузлах Т-подібних з'єднань тонкостінних труб та у з'єднаннях фланців з трубами;

- удосконалено експрес-методику для оперативного визначення параметрів технологічності процесу зварювання-паяння під тиском та показників міцності і властивостей металу отриманих швів;

- удосконалено методику математичних розрахунків з необхідною точністю (синтез індукційних систем) індукційного устаткування для забезпечення заданого розподілу температурного поля за визначеними параметрами та вимогами розробленого технологічного процесу;

- поширено на область високих температур методику визначення питомої потужності термометричним методом у ході дослідження теплових полів у крайках деталей, що з'єднуються при індукційному нагріванні;

- розроблено і застосовано нові варіанти конструкцій вузлів Т-подібних з'єднань тонкостінних труб, у тому числі із труб рівного діаметру, формоутворення яких здійснюється при виконанні швів безпосередньо у технологічному процесі “зварювання-паяння під тиском”.

Розроблено технологічний процес зварювання-паяння під тиском - ЗПТ вузлів Т-подібних з'єднань тонкостінних труб 16 1,5... 20 1 мм, з відношенням діаметру до товщини стінки в межах 12...20 із конструкційних вуглецевих сталей, з межею міцності 400...500 МПа з застосуванням у якості активуючої речовини латуні Л-63 та порошку бури Na₂B₄O₇

Апробація розробленого технологічного процесу ЗПТ була здійснена при виконанні швів у конструктивному елементі рами несучої конструкції засобу реабілітації інвалідів (інвалідному візку) у ДАХК “Артем”, м. Київ, і дала позитивні результати. На цьому підприємстві передбачене подальше впровадження розробленого технологічного процесу ЗПТ у виробництво.

Шви, які виконані за розробленим технологічним процесом зваркопаяння, у натурних зразках з'єднань фланців з трубами водопровідного сортаменту, при проведенні випробувань показали відповідність нормативним документам і вимогам технічного завдання ПО “Термоблок”, м. Мінськ.

За підсумками виконаних робіт у національний стандарт України ДСТУ 3761.2-98 “ЗВАРЮВАННЯ ТА СПОРІДНЕННІ ПРОЦЕСИ” покажчик українських термінів доповнено терміном “зварювання-паяння під тиском” (ЗПТ) під класифікаційним номером терміностатті 3.92, як різновид розробленого процесу зварювання у твердій фазі, робоча назва якого “зваркопаяння” [17].

Особистий внесок автора. Автор виконав розробку та дослідження процесу формування швів з розвинутою площею зварного шву, реалізація яких здійснюється у процесі ЗПТ, у тому числі і для з'єднань труб рівного діаметру.

У роботах [1, 2, 4, 5, 6, 7, 13, 14, 15, 16] обґрунтована можливість одержання якісних зварних швів у вузлах Т-подібних з'єднань труб та у з'єднаннях фланців з трубами (трійників обмеженої довжини, фланцевих з'єднань і вузлів, подібних до трубних дощок). Так, зокрема, були проведені експериментальні дослідження формування швів у вузлах Т-подібних з'єднань труб і у з'єднаннях фланців з тонкостінними трубами.

У статтях [2, 4, 5, 6, 7], автором наведені результати проведених розрахунків окремих технологічних параметрів процесу ЗПТ, а також встановленої залежності для визначення зусилля осадження, яке необхідно докладати до зварювального пуансону при утворені з'єднання фланця з трубою.

У патентах [9, 10] автором здійснені патентний пошук, розробка формули на способи одержання з'єднання тонкостінних труб та з'єднання фланців з трубами. У патентах [8, 11] автором здійснена розробка конструктивної форми швів з розвиненою поверхнею для способу одержання з'єднань нових варіантів конструкцій вузлів Т-подібних з'єднань труб, що формується у процесі виконання з'єднання методом ЗПТ. Також розроблена конструктивна форма шву із збільшеною площею для стрижнів металевих конструкцій. У патенті [12] автором здійснені патентний пошук та розробка зразків для експрес-методики визначення показників міцності і властивостей металу отриманих швів.

У дисертації використовувалися також ідеї, які належать усім співавторам опублікованих наукових праць за темою дисертації. Результати решти праць належать авторам у рівній мірі.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній конференції “Повышение эффективности сварочного производства”, м. Липецк, 17-18 жовтня 1996 р., і на спеціалізованому семінарі при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України “Сварка и родственные технологии”, м. Київ 1998 р., а також на міжнародній конференції “Сварка и родственные технологии 2002” м. Київ, 22-26 квітня 2002 р., і на міжнародній конференції “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций”, м. Київ, 24-27 листопада 2003 р., і на II й міжнародній науково-методичній конференції “Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров”, м. Маріупіль, 11-14 вересня 2006 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 наукових праць, з яких 7 статей у провідних фахових виданнях. Отримано 5 патентів України на винахід.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів з висновками по кожному розділу, загальних висновків, переліку використаної літератури і додатків. Робота містить у собі 211 сторінок, у тому числі 140 сторінок машинописного тексту, 7 таблиць у середині другого і четвертого розділів, 47 рисунків, бібліографію з 120 найменуваннями на 12 сторінках.

зварювання вузел тонкостінний труба

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показано актуальність теми досліджень, сформульовано ціль роботи. У цьому ж розділі приведено короткий зміст роботи та основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі наведено огляд літературних даних, що до існуючих способів зварювання та паяння трубчастих конструкцій - стикових з'єднань труб, з'єднань труб з фланцями та вузлів Т-подібних з'єднань труб. Показано доцільність удосконалення та застосування процесу “зваркопаяння” для виконання швів у вузлах Т-подібних з'єднань тонкостінних труб і у з'єднаннях фланців з трубами.

При виконанні швів дуговими методами зварювання у вузлах Т-подібних з'єднань тонкостінних труб і у з'єднаннях фланців з трубами, з'являються труднощі за декількома причинами, зокрема, з перегрівом основного металу заготівок значно вище точки Ас3 лінії діаграми стану залізо-вуглець, що у свою чергу призводить до появи у ЗТВ крихких та тріщино-утворюючих структур, а також до зміни геометричної форми зварної конструкції під дією термічних напружень. Для уникнення цього, у подальшому застосовують термообробку місць з`єднання та нормалізацію структури металу, а також виправлення зварної конструкції, що не завжди є можливим. Це негативно впливає на експлуатаційні показники виготовленого у такий спосіб зварного вузла. Застосування паяння для виконання швів стримується обмеженою площею паяння, яка є вкрай мала у існуючих конструкціях вузлів Т-подібних з'єднань тонкостінних труб, і при цьому міцність такого вузла буде визначатися міцністю застосованого припою, а не міцністю основного металу зварної конструкції. Відомі конструкції вузлів Т-подібних з'єднань тонкостінних труб, які пристосовані під застосування технології паяння. Вони вимагають значної механічної обробки крайок, з метою розвинення площі паяної поверхні заготівок, і значних економічних витрат на проведення підготовчих операцій для забезпечення капілярних зазорів.

Технологічний процес “зварювання-паяння під тиском”-(ЗПТ) застосовує докладання тиску з метою впливу на лінію шву і крайки деталей, що з'єднуються, при досягненні ними у зоні з'єднання температури, яка в основному нижче точки Ас3 лінії діаграми стану залізо-вуглець і визначається температурою плавлення застосованої активуючої речовини. Докладання тиску викликає у свою чергу пластичне деформування зони з'єднання і розвинення площі шву. На підставі аналізу літературних джерел сформульовані задачі досліджень.

В другому розділі розглянуті нові варіанти конструкцій вузлів Т-подібних з'єднань тонкостінних труб і з'єднань фланців з трубами з урахуванням основних критеріїв процесу ЗПТ (температури процесу, яка визначається температурою плавлення активуючої речовини, тиском, що викликає течію металу, та ступенем пластичної деформації) рис.2.1.

Одним з основних параметрів процесу ЗПТ є ступінь пластичної деформації. Відомо, що ступінь деформації, який застосовується у зваркопаянні, має широкий діапазон і сягає від 15%....65% і більше, в залежності від матеріалу заготівок та необхідного ступеню контактного тиску для витиснення легкоплавкої фази застосованої активуючої речовини. При розробці нових варіантів конструкцій вузлів Т-подібних з'єднань тонкостінних труб та з'єднань фланців з трубами була врахована і ступінь пластичної деформації, що призводить у процесі ЗПТ до формоутворення швів з розвинутою площею і відповідно підвищеною міцністю.

Розглянуто умови процесу деформування крайок при формуванні шву. Користуючись формулою гранично-напруженого стану вузла Т-подібного з'єднання труб (формула Е.Ф. Гарфа), розраховане необхідне подовжнє зусилля, яке застосовується як зусилля осадження у процесі ЗПТ для деформування крайок-деталей, які з'єднуються (рис.2.2).

(2.1)

де Р - зусилля осадження, Н; _Т -межа текучості для даної марки сталі при даній температурі, МПа; m - коефіцієнт, який враховує вплив напружень у поясі - лінії спряжування труб (у шві Т-подібного з'єднання m = 1); К - коефіцієнт, який враховує збільшення периметра спряжування при значеннях Ф_1Н, Ф_2Н ; К-коефіцієнт, який враховує вплив кута між основною і відвідної трубами, (при підведенні відвідної труби до основної під прямим кутом К = 1); К - коефіцієнт, який враховує конструкцію вузла та вид навантаження, (для вузлів Т-подібних з'єднань труб, які виготовленні під прямим кутом і які з'єднані по лінії спряжування, К = 1); Ф_1Н - діаметр основної труби , мм; Ф_2Н- діаметр відвідної труби - мм; ₁ - товщина стінки основної труби, мм. При виконанні швів у Т-подібних вузлах з труб 19 1,5 і 22 1 мм зусилля осадження Р склало для I варіанту конструкції Т-подібного вузла - 5450 Н; II - 6200 Н; III - 5300 Н відповідно.

При дослідженні процесу деформації крайок та формуванні швів у вузлах Т-подібних з'єднань труб визначалася межа міцності не тільки шву у вузлі Т- подібного з'єднання, але і конструктивна межа міцності самої зварної конструкції. З проведених розрахунків і досліджень стає доцільнім розробка і виконання швів саме у вузлах Т-подібних з'єднань з труб рівного діаметру. Конструкції вузлів з труб рівних діаметрів мають найбільшу міцність.

У з'єднаннях фланців з трубами, при дослідженні процесу деформації крайок у шві, також визначалося необхідне зусилля осадження. При проведенні теоретичних розрахунків, автором встановлена залежність - формула для визначення зусилля Р_п, яке діє по нормалі до площі контактного зминання, і зусилля Р, яке необхідно докласти до зварювального пуансону вздовж його осі для забезпечення заданої деформації зони шву (рис.2.3):

; (2.2)

. (2.3)

де Р_n -зусилля, яке діє по нормалі, Н; _Т -межа текучості для даної марки сталі при даній температурі, МПа; R_1ВН - радіус внутрішньої поверхні труби, мм; l - величина переміщення при осадженні по осі труби (переміщення зварювального пуансону), мм; L - довжина шву, мм; L = 2 (R_1ВН+ 0,5 1 ctg ); - кут між віссю труби (фланця) і нормаллю, яка проведена до поверхні зварювального пуансону -у градусах. Для розглянутих з'єднань фланця 160 мм із товщиною стінки 4 мм і трубою 58 3,5 мм зусилля осадження Р склало 24000 Н для I варіанту з'єднання і 78000 Н для II варіанту з'єднання фланця з трубою. З формул (2.2) і (2.3) та проведених експериментів видно, що величина зусилля осадження Р суттєво залежить від кута і від розміру зони необхідної деформації. Також на результати розрахунків за цими формулами впливають розміри зовнішнього діаметру проточки на трубі та форма проточки на внутрішньому діаметрі фланця, бо це зв'язано з вибором кута і розміром зони необхідної деформації (рис.2.3).

З метою дослідження технології "зварювання-паяння під тиском” була розроблена експрес-методика визначення параметрів технологічного процесу ЗПТ та показників якості отриманих швів, принципова схема якої наведена на рис.2.4.

Це дозволяє створити різні ступені деформації шву та коло шовної зони шляхом задавання перевищення діаметра циліндричної вставки над осьовим діаметром отвору шпильки, і дозволяє обійтися без виконання швів у натурних деталях металоконструкцій, а також визначити сумісність застосування тих чи інших активуючих речовин з основним металом заготівок, які з'єднуються.

Отримано формулу для визначення контактного тиску р_к, який утвориться у шву зразка по спільній суміжній поверхні після запресування циліндричної вставки.

 (2.4)

де Е - модуль пружності основного металу, МПа; d_ВТ - діаметр циліндричної вставки, мм; d_ОТВ - діаметр отвору в шпильці, мм; d₁ - зовнішній діаметр шпильки, мм; d₂ - зовнішній діаметр шайби, мм.

Показано можливість і рішення зворотної задачі; за заданим значенням контактного тиску р_к, визначити діаметр контактної поверхні - d_k, величину натягу -, і відповідно геометричні розміри циліндричної вставки в уніфікованому зразку

= d_к - d₁ = - d₁ ; (2.5)

де - натяг, мм; d_k - діаметр контактної поверхні, мм; р_k - контактний тиск, МПа.

cos(60 + /3) + d₁/3 (2.6)

де

Одним з основних елементів процесу ЗПТ є процес нагрівання. Забезпечення заданого розподілу температурного поля є необхідною технологічною умовою. В умовах формування шву найбільш доцільним є застосування індукційного нагрівання, як найбільш економічного та керованого в умовах серійного виробництва і нейтрального до застосування різних активуючих речовин.

У третьому розділі розглянуті особливості індукційного нагрівання в умовах процесу ЗПТ. Зроблено припущення, що має місце подібний характер розподілу електромагнітного поля при індукційному нагріванні як для з'єднання фланця з трубою так і для Т-подібного з'єднання труб. Це дозволило виконати розрахункову трансформацію шву від кільцевого до сідлоподібного замкнутого шву та дозволило застосувати загальні підходи при використанні методу синтезу електромагнітного поля і індуктора.

Необхідність використання цього методу обумовлена наступним. Відомо, що вирішальне значення для отримання якісного з'єднання має досягнення заданого розподілу температури у зоні з'єднання крайок заготівок. Розподіл температури залежить від геометричних та енергетичних характеристик індукційної системи. Тому, при розробці індукційних пристроїв, головними задачами є визначення координат місця розташування, розмірів і електричних параметрів індуктора, який забезпечує заданий режим нагрівання, зварного зазору, поверхні крайок та коло шовної зони заготівок, які з'єднуються.

Для виконання цієї задачі, нами удосконалено метод синтезу індукційних пристроїв за заданими технологічними умовами процесу ЗПТ, конкретно - у напрямку розподілу температури та питомої потужності у двомірному просторі (шву та коло шовній зоні) заготівок, які з'єднуються. Метод синтезу реалізується при застосуванні спеціальних граничних умов на поверхні шву деталей, що нагріваються. Ці умови зв'язують заданий розподіл питомої потужності у зварному зазорі з величинами векторів електромагнітного поля на поверхні деталей та коло шовній зоні. Це дозволяє сформулювати задачу визначення параметрів індукційної системи у вигляді крайової задачі для зовнішньої відносно поверхні місця нагрівання області (шву та коло шовній зоні), у якій розташовані визначальні джерела електромагнітного поля наступним чином: створити на поверхні (r_Н, z_Н,) крайок деталей, які нагріваються, потрібне електромагнітне поле, яке описується векторним потенціалом магнітного поля А_Н (r_Н, z_Н), і яке зумовлене електромагнітним полем індуктора А (r_Н, z_Н), параметри якого необхідно визначити. Поставлена задача вирішується шляхом мінімізації функціоналу

(3.1)

який визначається вздовж контуру поперечного перерізу поверхні зварного шву, або на його частині, яка піддається нагріванню. У функціоналі індекс “i” відноситься до струму, який визначається, та координатам індуктора. Інформація щодо параметрів індуктора, у загальному вигляді закладена у відомих формулах розрахунків його електромагнітного поля A (I_i, r_i, z_i). Для визначення А (r_Н, z_Н) необхідно задати необхідний за умовами реалізації технологічного процесу ЗПТ закон розподілу температури у зоні шву, за яким можливо визначити пропорційний йому розподіл питомої потужності вздовж поверхні, яка нагрівається. Це дозволяє зв'язати вихідні дані, які визначаються за умовами технологічного процесу ЗПТ, з електротехнічною частиною задачі синтезу індукційної системи. Це завжди можливо зробити, так як існує функціональна залежність тангенціальних компонент напружень електричного Е_Н і магнітного Н_Н полів проникаючого у поверхню, що нагрівається, електромагнітного поля з питомою потужністю Р_Н, яка задається дійсною складовою вектора Пойтінга на поверхні, яка нагрівається, або яка задається з теплового розрахунку. Примітним при рішенні задачі є те, що по-перше; розподіл потужності Р_Н, (і А_Н) можливо задавати не тільки вздовж однієї з поверхонь, але і вздовж усього периметру поперечного перерізу деталей, які з'єднуються, що є неприпустимо при застосуванні інших методів рішення аналогічних задач, і по-друге; розподіл потужності можливо задавати у окремих обраних точках (колокації), тобто дискретно. Зокрема для конкретної задачі, яка розглядалася, застосовувалася наступна форма функціонала:

(3.2)

де j - номер точки колокації; N - кількість точок колокації; x_j- координати точок колокації; g - зазор між індуктором та поверхнею фланця. Усі геометричні розміри віднесені до внутрішнього радіусу труби, а величини значень потенціалу віднесені до максимальної величини потенціалу, яка задана на поверхні фланця а₀; J = ₀I /А ₀.

При цьому рішення задачі можливо здійснювати любим із методів мінімізації різниці сумарного поля індуктору та заданого електромагнітного поля на поверхні фланця, яка нагрівається.

Для перевірки розрахунків значень питомої потужності Р_Н, визначених за методом синтезу індукційних пристроїв, було використано термометричний метод, у ході якого були проведені дослідження теплових полів у точках колокації, позначених 1; 2; 3; 4; 5; 6 (рис. 3.1), у яких визначалася поверхнева потужність Р_Н.

Згідно з цим методом потужність визначається за даними термічного циклу у даній точці за формулами р = cvtga, або р = cv(tga₁ +tga₂), де р - втрата потужності на одиницю об'єму тіла, Вт/м³; с- теплоємність, Вт сек / кг °С; - щільність тіла, кг/м³; tg₀ - тангенс кута ₀ нахилу прямої, дотичної до кривої нагрівання, у початковій точці кривої - є мірою одиничної активної потужності, що виділяється у даній точці тіла.

Порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними показало, що їх розбіжність порівняно з експериментом складає не більш 5 %.

На підставі розрахунків обрані параметри індуктора, виготовлено лабораторне устаткування та лабораторну установка для проведення експериментів. При використанні лабораторної установки, виконані експерименти, які підтвердили можливість фізичного моделювання процесу ЗПТ при індукційному нагріванні на режимах та параметрах індуктора, які були визначені за допомогою синтезу - зіставлення енергетичної граничної умови - А, і створюваного плоским одновитковим індуктором векторного потенціалу - А_Н на поверхні з'єднання, що дає можливість визначити геометричні розміри індуктора та його електричні параметри.

Досліджено також і вплив дестабілізуючих факторів на реалізацію технологічного процесу ЗПТ вузлів Т-подібних з'єднань труб та з'єднань фланців з трубами.

У четвертому розділі досліджено службові властивості виконаних за технологічним процесом ЗПТ, вузлів Т-подібних з'єднань тонкостінних труб та з'єднань фланців з трубами та зроблено порівняльні оцінки. Так у таблиці 4.1 наведено результати випробувань зразків (трійників) трьох варіантів конструкцій вузлів Т-подібних з'єднань тонкостінних труб на відрив.

Напруження руйнування _Р для варіанта II конструкції трійника перевищило теоретичне розрахункове напруження руйнування _T на 2,8%, а стосовно варіанта I, (варіант I - виготовлений за традиційною технологією) на 28%.

Напруження руйнування _Р для варіанта III конструкції трійника перевищило теоретичне розрахункове напруження руйнування _T на 60,8%, а стосовно варіанта I напруження руйнування _Р збільшено у 2 рази, а відносно варіанта II у 1,5 рази і при цьому руйнування трійника варіанта I, який виготовлено за традиційною технологією паяння, здійснилося за 4 с.

Таблиця 4.1 Результати випробувань зразків Т-подібних з'єднань труб на відрив.

Варіант	Теоретичні дані	Дані експерименту
	NT, H	T, МПа	NP, H	Р, МПа	КУ=NP / NT	Час t раз.
I	4145,5	200	4400,5	210,3	1,01	4
II	5181,7	250	5333,0	257,2	1,03	63
III	5534,1	250	8333,3	402,0	1,51	82

Такий малий час руйнування пояснюється самою конструкцією з'єднання, де площа шву має мінімальні розміри у порівнянні з трійниками варіантів II і III. При цьому міцність шву визначається міцністю застосованого припою, а не міцністю металу шву. Щодо зразків трійників варіантів II і III, то час їхнього руйнування значно збільшено у 15...20 разів, і значення руйнівних навантажень перевищують розрахункові навантаження у 1,03-1,5 рази для варіантів II та III відповідно. Значно виросла здатність швів протидіяти навантаженням.

Подібний характер руйнування спостерігався і при випробуваннях зразків (трійників) трьох варіантів вузлів Т-подібних з'єднань труб на зріз.

Таблиця 4.2 Результати випробування зразків Т-подібних з'єднань труб на зріз.

Вар.	FСР H	k=(FCРi/FСР1)100%
I	3200	100
II	8600	268
III	19100	596

При випробуваннях на зріз характер руйнування також не є крихким, і подібний до руйнувань, які відбувалися при випробуваннях на відрив. Відмінність у зусиллях на зріз, (більш ніж у 2,6 разів) для зразків варіанта II і (більш ніж у 5 разів) для зразків варіанта III з'єднання, у порівнянні з традиційним зразком (варіант I), визначається відмінностями у формі швів у конструкціях вузлів Т-подібних з'єднань труб, виконаних з застосуванням технологічного процесу ЗПТ.

Застосований технологічний процес ЗПТ дозволяє виконувати шви з розвинутою площею і підвищеною міцністю. Гідростатичний тиск при випробуваннях у зразках з'єднань фланців з трубами, які виготовлені за технологічним процесом ЗПТ, значно перевищив стандартний випробувальний тиск. (Р _роб = 1,6 МПа Р _{ипробув} = 9...12 МПа Р _{руйнування} > 80 МПа).

Було проведено аналіз структури шву та коло шовної зони отриманих з'єднань. Його результати показали, що спостерігається збагачення сталевих деталей міддю у зонах шву, які прилягають до контактної поверхні з'єднання. Прошарок шву, який закристалізувався, має переривчасту структуру вздовж поверхні спряжування крайок, які з'єднуються, і візуально не визначається більш ніж на 25% від їхньої загальної межі. Тут з'єднання крайок деталей відбувається у твердій фазі. Збагачений міддю матеріал прошарку шву, який закристалізувався, проникає по границях зерен, а також у тіло деталей на глибину до 0,4 мм заповнюючи недосконалі зони поверхні крайок При проведенні більш докладного металографічного аналізу не встановлено видимих дефектів у шві. Було зроблено аналіз мікротвердості зон шву. Відбитки наносилися з зусиллям 50 г. У тих місцях, де не спостерігається видимий шов (з'єднання у твердій фазі), а також виявляються ізольовані вкраплення не видавленого прошарку товщиною до 2,5 мкм (рис.4.1) зафіксована твердість HV=2540 МПа, що перевищує твердість основного металу на 9,4%. При проведенні виміру твердості у місцях, де спостерігається шов до 18 мкм поблизу його центральної частини, зафіксована твердість HV=2190 МПа, що менше, ніж твердість основного металу на 6 %. Мікроструктура цієї ж зони шву при більшому збільшенні (рис.4.2) свідчить про відсутність несплавів, несуцільностей, пористих включень і інших дефектів. Показання мікротвердості свідчать про подібність та схожість властивостей металу шву з основним металом, а форма відбитків про відсутність крихких структур.

Був зроблений мікрорентгеноспектральний аналіз шву щодо розподілу основних компонентів активуючої речовини (латуні Л-63 та бури). У місцях, де не спостерігається видимий шов, а також виявляються ізольовані вкраплення не видавленого прошарку (рис. 4.1), ваговий склад елементів у центрі шва складає: Сu=0,018%; Zn=0,015%; Fe=99,97%. Мікроструктура такого шву наведена на рис. 4.3. У місцях, де спостерігається шов поблизу його центральної частини (рис. 4.2) ваговий зміст у центрі шву складає: Сu = 1,510 %; Zn = 1,698 %; Fe = 96,792 %. Мікроструктура такого шву наведена на рис. 4.4.

Було встановлено, що метал шву являє собою сплав на основі основного металу деталей, які з'єднуються - заліза. Це свідчить про залежність хімічного складу металу шву, який закристалізувався, від ступеня пластичної деформації та контактного тиску, який діє на розплавлений прошарок у шві в умовах кристалізації у стиснутих умовах. Тиск також сприяє витіканню легкоплавкої фази частково прореагованої активуючої речовини у грат. Розкладання тиску в тангенціальному та осьовому напрямках у свою чергу приводить до локалізації прошарку на окремих ділянках шву та її проникненню по мікротріщинах.

Таким чином, було встановлено, що застосування технологічного процесу ЗПТ дозволяє виконувати з'єднання з тонкостінних деталей, при якому отримується розвинення площі зварного шву, зменшується його товщина аж до зникнення лінії шву приблизно у 25…30 %. Загальне формоутворення зони шву протікає безпосередньо у процесі зустрічної взаємної деформації нагрітих крайок деталей при осадженні, у стиснутому просторі між “матрицею” і пуансоном.

Застосування удосконаленого методу синтезу індукційних пристроїв дозволяє шляхом розрахунків з необхідною точністю визначити електричні параметри і геометричні розміри індуктора, що забезпечує технологічні вимоги процесу ЗПТ, і значно спрощує впровадження і використання індукційного устаткування у виробництві.

Використання експрес методики та розроблених зразків дозволяє прискорити дослідження шляхом фізичного моделювання і зменшити обсяги експериментів з натурними зразками.

ВИСНОВКИ

1. Для вирішення поставленої задачі було досліджено різновид зварювання у твердій фазі, під робочою назвою “зварко-паяння” (у ході виконання робіт процес введено до ДСТУ 3761.2-98 як “зварювання-паяння під тиском” -ЗПТ).

2. Запропонована у р. 2 експрес-методика дозволяє визначити можливості що до реалізації технологічності процесу ЗПТ даних матеріалів, показники міцності і якості металу отриманих швів, дає можливість визначити необхідну ступень деформації шву, і дозволяють обійтися без виконання натурних швів у металоконструкції.

3. Встановлено, що ступінь деформації крайок, яка забезпечує виконання якісних швів методом ЗПТ у з'єднаннях фланців з трубами знаходиться у межах 2,5…5,5 %. Площа шву збільшується до 5%.

4. Більше ніж 25% зони шву не візуально не виявлено. Метал цієї зони складається з спільних зерен, які утворені з металу заготівок. Залишки спостерігаємої частини металу шву, з елементами не вичавленого прошарку, являє собою сплав, основу якого складає метал з'єднуємих деталей. При цьому наявність прошарку з сплаву Fe-Cu-Zn не знижує характеристики міцності шву, а товщина прошарку у порівнянні співпадає з глибиною штрихуватості поверхні кромок заготівок, і складає не більше 18 мкм.

5. Запропоновано метод розрахунку індукційних пристроїв, їх електричних параметрів, геометричних розмірів індуктора в залежності від заданих технологічних умов процесу ЗПТ. Враховується розподіл температури, питомої потужності або векторного потенціалу магнітного поля на двохмірній поверхні шву та коло шовної зони. При цьому температурний інтервал проведення процесу ЗПТ із застосуванням активуючої речовини на основі міді має діапазон 980…1200 ⁰С, а значення питомої потужності має діапазон 0,2...0,8 кВт/см². Це дозволяє розробити з необхідною точністю індукційне устаткування для процесу ЗПТ конкретних зварних вузлів.

6. Встановлено, що виконання швів у вузлах Т-подібних з'єднаннях тонкостінних труб методом ЗПТ з мало вуглецевих конструкційних сталей, зокрема Б-20 ГОСТ 8733-87, дозволяє отримувати якісні шви з високими експлуатаційними показниками. При проведені тестування зразків на відрив, напруження руйнування збільшено відносно нормативних напружень з коефіцієнтом підсилення К_{у відриву} до 1.5 рази, а при тестуванні на зріз збільшення коефіцієнта підсилення К_{у зрізу} більше, ніж у 2,6 рази. Так напруження зрізу у шві ф_СР відповідають нижньому значенню межі текучості основного металу у_Т ? 200…245 МПа. Це свідчить про те, що міцність шву досягла міцності основного металу.

...