Глава XXII

СВАРНЫЕ1ДЕТАЛИ1МАШИН (ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ)

§ 1. Детали тяжелого и энергетического машиностроения

Б тяжелых машинах габариты, вес и сечения деталей часто оказываются настолько велики, что получение заготовок требуе-¹ мого размера и формы с помощью ковки или литья вызывает большие трудности. Преодолепие этих трудностей обеспечивается

Рис. 22-Е. Рама вертикальной клети

расчленением крупной сложной детали па более простые по фор­ме элементы меньшего веса с последующим соединением свар­кой. При этом технологичность составной детали во многом определяется выбором расположения и конструктивного оформ­ления стыков между отдельными элементами. Поэтому вопросы

680

расчленения крупной детали необходимо решать с учетом как Методов получения заготовок отдельных элементов, так и прие­мов их сборки, сварки и последующей механической и термиче­ской обработки.

Для машиностроения наиболее характерными деталями явля­ется рамы, станины, валы и колеса. Рассмотрим примеры их изготовления применительно к машинам тяжелого и энергетиче­ского оборудования в условиях индивидуального или мелкосе­рийного производства.

На рис. 22-1 показана рама вертикальной клети прокатно­го стана, составленная из че­тырех литых заготовок ста­ли 35Л. Места стыков выбра­ны из условия симметрии сва­рочных деформаций и относи­тельной простоты формы каж­дого элемента. Сложное очер­тание двутаврового сечения в месте стыка заменено сплош­ным (разрезы Л—Л, Б—БЛ и целях удобства выполнения его элсктрошлаковой сваркой пластинчатыми электродами. Несмотря на заметное увели­чение количества наплавлен­ного металла, такое конструк­тивное оформление стыка ока­зывается более технологич­ным, чем выполнение номи­нального сечения многослойной сваркой. Это наглядно подтвер­ждается данными диаграммы рис. 22-2, сопоставляющей стои­мость выполнения 1 м длины стыкового шва металла большой толщины различными методами.

На рис. 22-3 показана другая рама, подготовленная к элект­рошлаковой сварке плавящимся мундштуком. Можно видеть, что сборка под сварку выполняется в горизонтальном положении с помощью скоб, стыки свариваются попарно.

Станины тяжелых прессов изготовляют с помощью сварки сравнительно недавно, и поэтому опыт их конструирования еще не велик. Вначале наблюдалось стремление в сварном исполне­нии повторять формы литых конструкций. Характерным для это­го случая является пример, приведенный на рис. 22-4, где рас­сматриваются четыре варианта конструкции поперечины пресса усилием 4500 Т. Последний вариант (рис. 22-4,г), который наи­более отличается от первоначальной литой конструкции, является наиболее легким и технологичным.

Рис. 22-2.

200 300 W гащтв тшдлла.т

Диаграмма стоимости я длины шва

681

Рис. 22-3. Рама щековой дробилки, собранная под злектрошлзковую кварку пл

мундштуком

В СССР сварные соединения станин тяжелых прессов обычно заполняют с полным проплавлением присоединяемого элемента /рис. 22-5, а). В ГДР, на заводе «Пельс», выпускающем сварные _сТанины прессов средней мощности с 1929 г., ограничиваются минимальными размерами швов (рис. 22-5,6), однако при этом производится плотная подгонка мест сопряжений листов и по­становка разгрузочных заплечиков, штифтов, шипов и пазов. Дополнительные затраты на подгоночные работы компенсируют­ся снижением трудоемкости сварочных работ. Кроме того, малый объем наплавленного металла позволяет в этом случае обхо­диться без последующей термообработки конструкций.

На рис. 21-7 показана сварная станина пресса усилием 4000 Т, выполненная из толстолистового проката, массивной литой тра­версы и кованой трубы. Сварные соединения— стыковые, тавро­вые и угловые; большинство из них выполняются электрошлако-вой сваркой. Последнее обстоятельство определяет некоторые особенности конструкции и последовательность выполнения сбо-рочно-сварочных операций. Угловые и тавровые соединения эле­ментов собираются при помощи косынок и диафрагм, стыко­вые — при помощи скоб. В местах, недоступных для постановки формующих медных охлаждаемых-подкладок, применяют остаю­щиеся стальные пластины. Последовательность выполнения сбо-рочно-сварочных операций выбирается так, чтобы концы каждо­го из электрошлаковых швов можно было вывести за пределы тела детали. Поэтому общей сборке сложной детали обычно предшествует сборка и сварка относительно простых узлов. При si ом, для уменьшения угловых сварочных деформаций, жела­тельно, чтобы каждый собранный под сварку узел имел замкну­тое сечение. Применительно к станине пресса усилием 4000 Т (рис. 21-7) последовательность и содержание основных сборочно-епарочных операций показана на рис. 22-6. Первым узлом явля­ется тумба /. Сначала в замкнутое сечение собирают ее боковые сгенки, и электрошлаковые швы (1) и (2) выполняют с полным проплавлением привариваемого элемента (рис. 22-6,а). Затем устанавливают горизонтальные листы тумбы и выполняют пер­вые нары-швов (3) и (4) (рис. 22-6,6). Участки первых пар швов, препятствующие установке карманов и выводу усадочных раковин вторых пар швов, удаляются из зазора огневой резкой. Готовая тумба входит в сборку второго, более крупного узла — стойку (рис. 22-6,s). Замкнутое сечение образуется присоедине­нием элементов полустоек: 2 и 3; швы (5), (6), (7) и (8) выпол­няются электрошлаковой сваркой. Формирование корпуса стани­ны завершается сборкой стоек с траверсой 4 и сваркой электро-тдаковых швов (9), (10), (11) и (12) (рис, 22-6,г). Затем в но-лустойках 3 огневой резкой вырезают пазы под трубу 5. Следует заметить, что образование пазов резкой не плоских заготовок, <^! уже сваренного узла с удалением части шва, является приемом,

683

Рис, 22-4. Различные конструктивные решения изготовления поперечин пресеа усилием 4500 Т:

а) ли гая поперечина; 6) сварно-литая поперечина; в) ссаркая с радиальными ребрамн; с) сварная с изогнутыми секциями

а)

Рис. 22-5. Снарные соединения станин, прессов, выполненных из толстолистового проката:

а) тяжелых прессов в СССР; б) прессов яа заводе «Пельс* (ГДР)

з w

7 8

Рис. 22-6, Последовательность сборочно-сваро^!шы\ опера­ций при изготовлении станины пресса усилием 4000 Т

характерным для конструкций, выполняемых электрошла ковой сваркой. Целесообразность такого приема объясняется трудоемкостью подготовки и зачистки стыков в местах начале и конца каждого электрошлакового шва. В этом случае выпол-нить длинный непрерывный шов с последующим удалением его части резкой оказывается выгоднее, чем выполнять два более» коротких шва. Завершение сборки и сварки станины требует ряда кантовочных операций. Так, установка трубы 5 и лап 9 и 10 и сварка полуавтоматом под флюсом многослойных швов (14)' и (15) производится, как показано на рис. 22-6,(5, а установка' крышек 6, 7 и, 8 и выполнение электрошлаковых швов (16)' и многослойных швов (17), (18), (19), (20), (21) и (22) — на-рис. 22-6, е.

При изготовлении деталей тяжелых машин завершающими операциями являются термическая и механическая обработка

7770

Рпс. 22-7. Схема вала турбины Красноярской ГЭС

после сварки. Рамы и станины с толщиной свариваемых элемен­тов более 100 мм, как правило, подлежат термообработке. При этом для деталей, эксплуатирующихся в условиях нормальных температур и изготовленных из сталей, сохраняющих высокие пластические свойства в зоне термического влияния, можно ограничиться проведением высокого отпуска. При более жестких условиях сварную деталь для улучшения свойств сварных соеди­нений обычно перед высоким отпуском подвергают нормали­зации.

Точность размеров станин и рам в основном обеспечивается путем последующей механической обработки.

Характерными примерами сварных налов большого размера могут служить валы мощных турбин. Конструкция валов гидрав­лических турбин проста, это массивная труба с одним или двумя фланцами. Заготовки обечаек обычно получают ковкой, заготов­ки фланцев —также ковкой или иногда в виде стальных отли­вок. Так, валы Красноярской ГЭС (рис, 22-7) выполнены из

686

_к0вяиых заготовок Ст. 25ГС. На сборку среднего стыка обечай-_кп 2 поступали после черновой механической обработки с при­пуском 20 мм на сторону. Сборка стыка под электрошлаковую сварку выполнялась с переменным зазором: 33 мм под карманом 1,-\я наведения сварочной ванны и 38 мм в плоскости, поверну­той на 90° от кармана в направлении вращения. Приемы сборки ,i сварки кольцевых стыков эл^ктрошлаковой сваркой были рас­смотрены выше применительно к изготовлению толстостепных сосудов. После выполнения среднего стыка (рис. 22-7), спарен­ные обечайки проходили высокий отпуск и подвергались проме­жуточной механической обработке. Затем выполнялись сборка к сварка стыков с фланцами / и 3, Чистовую механическую обработку, обеспечивающую точность размеров готового нала, производили после нормализации и высокого отпуска.

Отличительной особенностью выполнения кольцевых стыков весьма большого сечения является трудность обеспечения непре­рывности процесса сварки от начала до заварки замка. Такая непрерывность необходима как из соображений качественного выполнении шва (при нарушении процесса неизбежно возникно­вение несплавления кромок и возможно образование трещин), так и соблюдения величины и направления ожидаемой свароч­ной деформации излома осей стыкуемых деталей. Так как время сварки может составлять десятки часов, то возникает опасность отказа аппаратуры и прежде всего выхода из строя мундштуков, направляющих электродную проволоку п сварочную ванну. Сме­нить мундштуки без остановки процесса сварки невозможно, а остановить процесс недопустимо. Поэтому для сварки кольце­вых швов большого сечения используют специальную установку (рис. 22-8) с двумя дублирующими сварочными головками. При выходе работающей головки из строя, ее место тотчас занимает вторая головка и процесс сварки прерывается лишь на весьма непродолжительное время.

Валы газовых и паровых турбин изготовляют из жаропроч­ных сталей, что затрудняет получение заготовок большого раз­мера с помощью литья и ковки. Поэтому крупные валы свари­вают из поковок относительно небольшого размера и простой формы. Так, на рис. 22-9 показан ротор газовой турбины, состав­ленный из отдельных дисков и концевых частей. При разработке. конструкции и технологии изготовления подобных изделий основными требованиями являются жесткое ограничение вели­чины сварочных деформаций искривления продольной оси ротора и получение надежного проплавлепия швов при их односторон­ней сварке. Необходимость соблюдения жесткого допуска па искривление продольной оси ротора от сварки вызывается нали­чием внутренних замкнутых полостей, смещение которых отно­сительно оси вращения вызывает неуравновешенность. При рабо­те на высоких числах оборотов такая неуравновешенность оовер-

687

шешю недопустима, а ее устранение ограничено недоступность!*! внутренних полостей для механической обработки. Поэтомш необходима точная сборка и прецизионная технология сварки! Кованые заготовки дисков после механической обработки центрируются относительно друг друга направляющими пояска-1 ми, требуемая величина зазора в разделке обеспечивается поста-я новкой проставок. Собранные элементы плотно стягиваютсящ

Рис. 22-8. Установка с дублирующими головками для электрошда-ковои сварки кольцевых швов:

1— тележка, 2—колонна; 3 — сварочные головки; 4 — механизм переброса головок; 5 —подвеска крепления ползуна

между собой тягами / (рис. 22-9) с компенсирующими усадку пружинами 2, и в вертикальном положении ротор подается на сварку.

Однопроходная сварка не может обеспечить симметрии сва­рочных деформаций из-за неравномерности поперечной усадки по периметру кольцевого шва, поэтому сварку выполняют во много слоев. Полный провар в корне шва достигается специаль­ной конструкцией разделки или применением остающихся коль­цевых подкладок.

Оригинальную конструкцию стыка применяют в ЧССР (рис. 22-10). Посадочная ступенька и упорное кольцо из мало­углеродистой стали толщиной 2 мм обеспечивают высокую точ­ность сборки ротора и необходимую податливость стыка при сварке. Это весьма важно с позиции предупреждения образо­вания трещин в соединении. Притупление разделки выбрано из

688

условия получения полного провара корня шва. Специальные наклонные каналы уменьшают жесткость кромок при выполне­нии корневого слоя и тем самым предотвращают образование _s нем трещин, а также обеспечивают лучшие условия для ультра­звукового контроля сварного соединения.

Рис. 22-9. Сварной ротор Рис. 2-1 L Схема сварки ро-

газовой турбины " тора газовой турбины

Первые слои швов выполняют при вращении ротора 3 от мо­тора / через редуктор 2. Вертикальное расположение оси рото­ра 3 имеет цель исключить влияние силы тяжести (рис. 22-11). Для обеспечения симметрии сварочных деформаций каждый корневой шов выполняют одновременно двумя диаметрально расположенными сварочными головками 4 вольфрамовым элект­родом в аргоне. Затем в этом же положении ряд слоев

44 823 689

укладывают плавящимся электродом в среде С0₂. После запод; непия той части разделки, которая необходима для обеспечения определенной жесткости ротора, он переносится в центровой вра­щатель с горизонтальным расположением оси, и основная чаш

Л-А ______________JLMHl5i________________

Рис. 22-12. Чертеж рабочего колеса турбины Красноярской ГЭС

разделки заполняется многослойной сваркой под флюсом в ниж­нем положении. Такая технология позволяет предотвратить искривление настолько, что биение спаренного .вала не превы­шает 0,5 мм на длине 5 м.

690

Сварные колеса в тяжелом и энергетическом машинострое­нии достаточно разнообразны. Среди них рабочие колеса мощ­ных гидротурбин выделяются как размерами, так и сложностью процесса изготовления. Так, например, рабочее колесо турбины Красноярской ГЭС (рис, 22-12) имеет диаметр свыше 8 м, что п л много превышает габарит подвижного состава железных дорог. Поэтому возможность его изготовления целиком в усло­виях Ленинградского металлического завода, без расчленения па монтажные блоки, была обеспечена только благодаря нали­чию водного пути от места расположения завода-изготовителя до места монтажа.

Рабочее колесо состоит из верхнего и нижнего ободов и ло­пастей. Последовательность и содержание основных этапов процесса его изготовления показаны на рис. 22-13. Верхний обод выполнен из двух литых заготовок стали 20ГС-Л с максималь­ной толщиной 500 мм. Отливки проходили предварительную ме­ханическую обработку по всем поверхностям, за исключением поверхности по наружному диаметру. Затем заготовки собирали it кольцо и устанавливали в вертикальное положение под элект­рошлаковую сварку, причем для компенсации неравномерности поперечной усадки по длине шва зазор в нижней части стыка задавали в пределах 25—27 лик, а в верхней 50—54 мм. После сварки верхний обод подвергался высокому отпуску и поступал пи механическую обработку, где внутренняя поверхность обода, примыкающая к лопастям, обрабатывалась окончательно, а ос­тальные поверхности с припуском. Лопасти рабочего колеса выполнялись кокильной отливкой из стали 20ГС-Л. Требуемая точность формы обеспечивалась рубочными и наплавочными работами с проверкой по пространственному шаблону и после­дующей шлифовкой. Для повышения стойкости против кавнта-цнонного износа часть выпуклой поверхности лопастей подвер­галась наплавке ленточным электродом безникелевой стали 30Х10ГЮ под флюсом. После шлифовки наплавленной поверх­ности и механической обработки торца, примыкающего к верх­нему ободу, лопасти поступают на сборку.

Сборка начинается с разметки гладкой внутренней поверх­ности верхнего обода под установку лопастей по шагу и профи­лю. Отказ от использования приливов-пеньков (рис. 22-13,6), которые в известной степени задавали положение лопастей, по­зволяет повысить точность их размещения и облегчить обработку поверхности обода. Четырнадцать лопастей последовательно устанавливали на верхний обод с соблюдением зазора в стыке: снизу 37 и вверху 47 мм, и закрепляли с помощью приварки скоб и технологических жесткостей (рис. 22-13,в). Затем на верхнем ободе закреплялась ось с цапфами и с се помощью собранный узел устанавливали на стойках специального кантователя (рис. 22-13,г). Этим обеспечивалась возможность поворота узла

691

Примечание : стык содаропш а) Половина Верхнего с переменным зооором

. одода - 2 шт. _ппгГ Отлиоко из стали 20)1 Ноомализодана Пооерлнпсть стыка Фрезерована

Леса

Стоика

*)

Примечание . стык собирать с переменным зазором

trr

и

Примечание - жесткости приЗарить по периметру прилегания ш8$м h Ш

CIS L-700 175*75*31-900 £^

Распорный диск

в положение, удобное для выполнения каждого стыка электрон! шлаковой сваркой плавящимся мундштуком. Плавный переход от тела лопасти к телу верхнего обода задавали соответствую! щей формой медных подкладок, охлаждаемых водой, их креп! ление с помощьго'клиньев показано на рис. 22-13,(3. После свар'З ки и промежуточного высокого отпуска производили обработку! торцов лопастей под сопряжение с нижним ободом на карусель^ пом станке (рис. 22-13, е) и подготовку кромок под К-образнукй разделку. -J

Нижний обод собирали из четырех штампованных заготовок] стали 22К толщиной 190 лш, как показано на рис. 22-13, ж. Пос-i ле попарного выполнения стыков электрошлаковой сваркой) и высокого отпуска обод подвергали механической обработке^ с оставлением припуска 15 мм по внешнему диаметру на чисто­вую обработку. Общую сборку колеса производили, как показа­но па рис. 22~13,з. При помощи гидравлических домкратов ниж­ний обод поднимали и вводили в сопряжение с кромками лопа­стей. Сварка производилась одновременно 2—4 сварщиками диаметрально противоположных 'стыков полуавтоматами в сре-.де СОг. Сваренное колесо проходило полный цикл термообработ­ки: нормализацию и высокий отпуск, после чего выполнялась окончательная механическая обработка.

Применительно к изготовлению радиально-осевых колес круп­ных гидротурбин возможны и другие конструктивно-технологи­ческие решения, отличающиеся от только что рассмотренного выше. Так, рабочее колесо Плявиньской ГЭС выполнялось из двух частей, исходя из необходимости перевозки по железной дороге, причем заводская сварка осуществлялась преимущест­венно вручную обмазанным электродом. Такая технология изго­товления представлена на рис. 22-14.

'Все элементы этого колеса выполнялись литьем из стали 20ГС-Л. Нижний и верхний ободы отливались из двух частей и до поступления на общую сборку проходили нормализацию и фрезеровку плоскостей разъема, а после спаривания подвер­гались предварительной обточке, с чистовой обработкой внутрен­них поверхностей, сопрягаемых с лопастями. После разметки этих поверхностей и огневой вырезки пазов под лопасти ободы разбирались на две половины для передачи на общую сборку. Отливки лопастей после отжига подвергали механической обра­ботке для обеспечения требуемой геометрической формы и со­стояния поверхности. Кроме того, их торцы подрезали огневой резкой и подрубали так, чтобы при сборке под сварку они вхо­дили в соответствующие пазы верхнего и нижнего ободов. Так ' как рабочее колесо изготовлялось из двух половин, то две лопа­сти, попадающие в плоскость разъема, делались разрезными я впоследствии сваривались при монтаже.

694

Для совпадения плоскостей разъема обеих половин колеса необходимы точная сборка каждой из половин и предотвращение-искажений этой плоскости при сварке и термообработке. Обес­печение этого достигалось приваркой половин ободов по плоско­сти разъема к плоскости достаточно жесткой технологической плиты (рис, 22-14,6). Затем в пазы ободов заводили хвостовики лопастей и прихватывали, разрезные лопасти, кроме того, при­хватывали к плите по плоскости разъема. Сборка завершалась установкой дополнительных технологических элементов жестко­сти (рис. 22-14,8).

Приварка лопастей к ободам производилась способом «попе­речной горки» электродами типа Э50А путем заполнения раз­делки в пазах с последующей зачисткой корня шва и выведением галтельных переходов (рис. 22-14,г). Для предотвращения обра­зования трещин применяли предварительный, сопутствующий и заключительный подогрев многопламенными газовыми горел­ками до температуры 120—200° С. При выполнении свар­ных соединений полуколесо вместе с технологической пли­той кантовали в три различных пространственных поло­жения.

Освобождение сваренного полуколеса от связей с жесткой: плитой производили только после завершения сварки и прохож­дения высокого отпуска для снятия остаточных сварочных на­пряжений. Затем выпуклые части лопастей каждого полуколеса подвергали облицовке полосами кавитацнонно стойкой стали 1Х18Н9Т размером 500X50X3 мм. Эти полосы приваривали к лопастям полуавтоматами в среде СОг, швы зачищали запод­лицо с поверхностью облицовки (рис. 22-14,д). Заводское изго­товление завершалось окончательной механической обра­боткой колеса, временно собранного из двух половин (рис. 22-14,е).

На место монтажа колеса доставлялись по железной дороге в разобранном виде. Конструкцией колеса предусмотрено соеди­нение стыков верхнего обода на болтах, а нижнего —с помощью сварки. Такое решение определяется, с одной стороны, невозмож­ностью осуществить болтовое соединение нижнего обода из-за жесткого ограничения габаритов стыка, а с другой стороны.— стремлением избежать искажений окончательно обработанной поверхности верхнего обода, которой он присоединяется к флан­цу вала гидротурбин. Стыки нижнего обода сваривались ручной сваркой способом «поперечной горки» одновременно четырьмя: сварщиками попарно «дуга в дугу». Подогрев до температуры 120—200°С производили с помощью индукторов (рис. 22-14,ж). Эти же индукторы использовали для высокого отпуска стыков обода после сварки. Стыки разъемных лопастей свари­вали многослойной сваркой вручную без подогрева-, (рис. 22-14,3).

695

д)

Зоны „в.

■				-еэ
г i
и	»,		-^у-	-^э-
			- си-	-s-

i /

^^//т'Расположение одлицо

§ОЧНЬ№ ПОЛОС

Асёестоёое полотно

Индуктор 2 шт

Расклинить на 3-%мм

^г1-одразные скобы Чшт Подк

Рис. 22-14. Технология изготовления рабочего колеса турбины П