Сварка и свариваемые материалы. Том 2. Технология и оборудование
.pdfРис. 8.4. Электрошлаковая наплавка:
а и б — плоских поверхностей в вертикальном н горизонтальном положениях; в — ци линдрических поверхностей трубчатым электродом; г — концевого инструмента; д — цилиндрических поверхностей при горизонтальной оси наплавляемого изделия
Рис. 8.5. Типы стыковых сварных соединений: |
|
|
||
а и б — с равными н разными толщинами |
свариваемых кромок; |
в — с уменьшением од |
||
ной кромки до размеров |
сопрягаемой; |
г — с увеличением |
толщины |
более тонкой |
кромки; д — с фигурной разделкой кромок; |
е — «замковое» соединение; |
ж— Х-образное |
||
соединение; з — соединение |
монолитной кромки с набором пластин |
|
||
сварку; ж— сварку пластинчатыми электродами с бифилярной схемой подключения электродов к источнику питания [4], при меняется для сварки сталей крайне редко. Наиболее распро странен этот способ при сварке меди и алюминия. Толщина пластинчатых электродов составляет 20—40 мм.
Все указанные способы можно использовать для наплавки (при ремонте) [1, 3, 4) (рис. 8.4).
ЭШС можно получить стыковые (рис. 8.5), угловые и тав ровые (рис. 8.6) и практически все виды швов (рис. 8.7).
При стыковом соединении между двумя прямыми кромками для возможности осуществления электрошлакового процесса предусматривается, как правило, зазор величиной Ь (см. рис. 8.5—8.7), являющийся одним из важнейших технологических параметров режима сварки. Различают зазоры расчетный Ьр— это фиктивная величина, на основании которой подсчитываются размеры свариваемых деталей, и больший, сборочный 6С— с учетом деформации соединяемых частей конструкции при сварке. Все конструктивные элементы сварных соединений и швов определены ГОСТ 15164—78.
При ЭШС стыковых соединений с разной толщиной кромок либо утончают более толстую, либо к тонкой приваривают до полнительную пластину до сравнения толщин.
Угловые и тавровые соединения (см. рис. 8.6) встречаются на практике значительно реже стыковых и, как правило, при изготовлении станин прессов из проката. При ЭШС трубчатым плавящимся мундштуком применяют V- или К-образную раз делку примыкающего элемента соединения. Трубчатым мунд штуком можно также сваривать крестообразные соединения.
Прямолинейные швы (см. рис. 8.7) свариваются в верти кальном положении. Возможный наклон не должен превышать 15—20°. Кольцевые швы могут выполняться не только на ци линдрической, но и на конической и сферической поверхно стях.
При сварке заготовок с фасонными кромками типа тавров, швеллеров или цилиндров существующее сечение дополняют до
прямоугольного специальными планками. Толщина |
планок |
в этом случае находится в пределах 60—200 мм. |
|
8.1.3. Преимущ ества и недостатки |
|
ЭШС отличает в ы с о к а я п р о и з в о д и т е л ь н о с т ь , |
которая |
возрастает почти в геометрической прогрессии от толщины свариваемого металла. Это обусловлено не только высоким ко эффициентом наплавки, который почти в два раза превышает таковой для электродуговой сварки (ЭДС) под флюсом и до стигает 30 г/(А -ч), но и тем, что металл практически любой толщины сваривается за один проход.
Р а с х о д |
ф л ю с а |
при ЭШС меньше, чем при ЭДС, в 10— |
20 раз и составляет |
~5 % расхода электродной проволоки. |
|
Р а с х о д |
э л е к |
т р о э н е р г и и в полтора — два раза |
меньше, чем при ЭДС под флюсом, и в четыре раза меньше, чем при ручной ЭДС.
При вертикальном положении шва значительно облегчается всплытие газовых пузырей и частиц шлака и удаление их из металла. Поэтому склонность к образованию пор и других не плотностей при ЭШС во много раз ниже, чем при дуговой мно гопроходной сварке.
Наиболее существенным недостатком ЭШС является необ ходимость последующей ВТО сварного соединения для восста новления высоких служебных характеристик сварной конструк ции. Известно, что в процессе ЭШС металл шва и околошовной зоны подвергается значительному перегреву. Это способствует снижению пластических свойств сварного соединения, особенно при отрицательных температурах. Весь опыт ЭШС показывает, что вопросы необходимости применения ВТО, повышения каче ства сварных соединений и производительности процесса сле дует решать комплексно путем рационального выбора свари ваемых и сварочных материалов, приемов и режимов сварки П.5].
8.1.4. Технологические возможности
В настоящее время ЭШС внедрена более чем на девяноста предприятиях нашей страны, в тяжелом и энергетическом ма шиностроении, в химическом машиностроении, в судо- и авиа строении.
|
|
|
Т А Б Л И Ц А 8. 1 |
||
КОМПЛЕКСНЫЕ ЗАТРАТЫ НА СВАРКУ 1 м ШВА |
|
||||
РАЗНЫМИ |
СПОСОБАМИ* |
|
|
||
Сварка |
|
Затраты, руб., при А, мм |
|
||
40 |
60 |
80 |
120 |
||
|
|||||
Электрошлаковая |
12,2 |
14,0 |
17,3 |
21,8 |
|
Автоматическая в С02 в узкий щелевой |
11,3 |
|
|
|
|
зазор |
14,0 |
17,8 |
23,5 |
||
Электронно-лучевая |
8,8 |
11,7 |
12,9 |
21,3 |
|
Однодуговая под флюсом в узкий ще |
13,5 |
|
|
|
|
левой зазор (22—24 мм) на подкладке |
17,0 |
20,6 |
29,3 |
||
Вертикальная с принудительным фор- |
|
|
|
|
|
мнрованнем порошковой проволокой |
13,7 |
17,8 |
21,9 |
47,6 |
|
* Данные авторов.
На предприятиях страны, освоивших ЭШС, работают сотни аппаратов сварочного оборудования; средняя их загрузка со ставляет ~ 30 %.
ЭШС соединяют стали разных классов и марок, жаропроч ные и никелевые сплавы, титан, алюминий, медь и сплавы на их основе [1].
Внедрение ЭШС открыло возможность получения заготовок и изделий любой формы, практически неограниченных размеров из отливок, поковок и проката сравнительно малых размеров и простой формы. Причем разработанные методы точной компен сации деформаций позволяют изготовлять сварные крупногаба ритные конструкции с заданными размерами.
Диапазон толщин свариваемых металлов 2—300 см. Пока зано, что ЭШС наиболее экономична при толщине металла
40 мм (табл. 8.1).
8.2. Технология и техника сварки
8.2.1. Реком ендации по вы бору сварочных материалов
В табл. 8.2 приведены некоторые наиболее распространенные сочетания сварочных проволок и марок свариваемых металлов, которые обеспечивают сварным соединениям после ВТО меха нические свойства на уровне свойств основного металла [6]. Все приведенные сочетания можно выполнять с применением флю сов АН-8 и АН-99 кроме сталей 25ХНЗМФА и 0Х18Н10Т. При
|
|
|
|
Т А Б Л И Ц А 8. 1 |
|
БЛАГОПРИЯТНЫЕ СОЧЕТАНИЯ ОСНОВНЫХ |
|
||||
И |
ПРИСАДОЧНЫХ |
МАТЕРИАЛОВ* |
|
||
Свариваемые стали |
|
Марка проволоки |
Н, мм |
||
класс |
|
марка |
|||
|
|
|
|||
Конструкционная |
Ст.2, |
Ст.З, |
МСт.З |
Св-08А, Св-08ГА |
40—300 |
Котельная |
15К, |
20К, |
22К |
Св-10Г2, Св-10Г2С |
40—160 |
Среднеуглеродистая: |
20Л, |
25Л, |
35Л |
Св-10Г2, Св-10Г2С |
40—1000 |
литая |
|||||
кованая |
Сталь 30, Сталь 40 |
Св-10Г2 |
40—500 |
||
Низколегированная |
09Г2С |
|
Св-10Г2С |
40—160 |
|
|
12ХМ |
|
Св-10Х2М, 18ХМА |
40—120 |
|
|
20ГСЛ, 25ГСЛ |
Св-08Г2С |
200—1000 |
||
Среднелегированная |
08ГДНФ, |
16ГНМА |
Св-08ХН2М |
100—800 |
|
20ХНМФ, 20Х2МА |
Св-08ХЗГ2СМ |
200—800 |
|||
|
30ХГСА |
|
Св-08ХН2М |
200—800 |
|
Высоколегированная |
25ХНЗМФА |
Св-20ХНЗМФ |
До 2000 |
||
08Х18Н10Т |
Св-04Х19Н11МЗ |
40—350 |
|||
* Данные авторов.
сварке этих сталей применяется флюс 48-0Ф-6. Химический со став этих флюсов регламентируется ГОСТ 9087—80. В 1970-х годах в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР был разработан но вый флюс АН-9 состава, %: 254-30 CaF2, 204-35 СаО, 104-15 А120 з, 15-ь20 Si02, 6=10 Zr02, который обладает металлурги ческими свойствами на уровне флюса 48-0Ф-6, а технологиче скими— на уровне флюса АН-8.
8.2.2. Выбор параметров режима
Основные величины, определяющие весь ход ЭШС и ее резуль тат: падение напряжения на участке электрод — шлаковая ванна ысв, скорость подачи электродной проволоки ve, свароч ный ток /св, скорость сварки оСв, глубина шлаковой ванны ha, сухой вылет электродной проволоки /с, скорость поперечных ко лебаний электродов в сварочном зазоре ик, число электродов п, сечение электрода Fe(2Fe), зазор между кромками Ь, расстоя ние между электродными проволоками d, толщина пластины плавящегося мундштука бм, длительность остановки электрод ных проволок у ползунов t, толщина свариваемого металла s.
Правильный выбор параметров ЭШС и поддержание их на заданном уровне обеспечивают получение качественного свар ного соединения. Одной из важных характеристик сварного со единения является коэффициент формы шва ф, который равен отношению ширины шва (ширины металлической ванны Ьм) к глубине металлической ванны Лм (см. рис. 8.1). Это соотно шение характеризует склонность шва к образованию кристал лизационных трещин, одного из наиболее распространенных дефектов ЭШС. Среднее значение ф= 1,54-4,0.
Значение ф возрастает либо с увеличением Ьм, либо с умень шением Л„. На возрастание Ьм наиболее влияет увеличение исв и уменьшение Нв.
На уменьшение Лм влияет только снижение /св, которое оп ределяется значениями ve и п. Величину осв для электрошлаковой сварки проволочным электродом , и с плавящимся мундшту ком определяют по графикам (рис. 8.8, 8.9).
Величину сварочного тока, А, можно ориентировочно опре
делить по формуле: |
|
/ Св = (0,022ие+ 90) п + 1,2 (осв+ 0,48ип) 6„6П, |
(8.1) |
где i>n— скорость подачи пластины; Ь„ и бп — ширина и тол щина, см; (размерности оСв, ve, vn— даны в см/ч). Формула универсальна и пригодна для сварки проволочным электродом (второе слагаемое превращается в нуль, так как нет пластин), плавящимся мундштуком (в этом случае о„=0) и пластинча тыми электродами (в этом случае первое слагаемое равно нулю, так как нет проволок).
Рис. 8.8. Зависимость скорости сварки (/) и напряжения |
(2) |
от толщины свариваемого металла |
|
С к о р о с т ь п о д а ч и э л е к т р о д н о й п р о в о л о к и |
|
t>e = vCBFJ2Fe, |
(8.2) |
где FH= bcs, см2; 2Fe= 0,071 п, см2.
Опыт применения ЭШС показал, что такие элементы ре жима, как h3, /с, ок и t, практически не зависят от толщины*
*св,
Рис. 8.9. Зависимость скорости (/) и напряжения сварки (2, 3) от толщины метвлла при толщине мундштука 10 (2) и 5 мм (J)
с в а р и в а е м о г о м е т а л л а и и м е ю т с л е д у ю щ и е з н а ч еhaн =и я4:0 -г - 4 - 5 0 м м , / с = 8 0 4 - 9 0 м м , « к = 4 0 м /ч , £ = 4 4 - 5 с .
О р и е н т и р о в о ч н ы е з н а ч е н и я м е ж д у п а р а л л е л ь н ы м и к р о м к а м
с в а р и в а е м ы х э л е м е н т о в : |
|
|
|
|
||
5, см |
1,6—3,0 |
3— 8 |
8— 50 |
50— 100 |
100— 200 |
|
Ь0 , |
мм |
18 |
22 |
26 |
30 |
30 |
Ъс, |
мм |
19— 20 |
24— 25 |
28— 32 |
36—40 |
40—42 |
В ы бор количества электродных проволок
И х ч и с л о з а в и с и т о т т о л щ и н ы с в а р и в а е м о г о м е т а л л а .
Э Ш С |
п р о в о л о ч н ы м и |
э л е к т р о д а мЭ тии.м с п о с о б о м |
^ 5 0 - м м |
м е т а л л с в а р и в а е т с я о д н и м , а < ; 1 2 0 - м м — д в у м я э л |
|
т р о д а м и б е з к о л е б а н и й . С к о л е б а н и я м и э л е к т р о д о в м о ж н о с в р и в а т ь м е т а л л т о л щ и н о й < 1 5 0 с м — о д н о й , 10 — 2 5 с м — д в у м
1 2 — 4 5 с м — т р е м я э л е |
к т р о д н ы м и п р о в о л о к а м и [7]. |
П р и с в а р к е д в у м я |
и л и т р е м я э л е к т р о д а м и д л я п о л у ч е н |
р а в н о м е р н о г о п о т о л щ и н е ш в а п р о в а р а р а с с т о я н и е м е ж д у с р о ч н ы м и п р о в о л о к а м и
d — — 2 Д ,) /п ,
где A i = 2 1 ± l |
м м ; Да зависит от глубины |
канавки в ползунах; |
||||||
Д 2 = 4 4 - 5 мм при глубине |
< 2 , 5 |
м м , |
Д 2 = |
0при глубине канавки |
||||
8 — 10 |
м м . |
в я щ и м |
с |
я м |
у н д |
ш т у |
к оПмр .и |
в ы б о р е ч и с л а |
Э Ш |
С п л а |
|||||||
э л е к т р о д н ы х |
п р о в о л о к |
н е о б х о д и м о |
у ч и т ы в а т ь т о л щ и н у п |
|||||
с т и н ы |
п л а в я щ е г о с я |
м у н д ш т у к а |
6 М. Ч е м |
м е н ь ш е б и и б л и |
||||
э л е к т р о д н ы е п р о в о л о к и , т е м р а в н о м е р н е е б у д е т п о л у ч е н п р о в к р о м о к . Ч и с л о э л е к т р о д о в о п р е д е л я ю т п о ф о р м у л е :
n = [ ( s - 4 0 ) / d ] + l ,
ок р у г л я я
ли ч и н ы d
з а т е мп д о е д и н и ц . О п т и м а л ь н у ю и м а к с и м а л ь н у ю в е в ы б и р а ю т и з с л е д у ю щ и х с о о т н о ш е н и й :
8М, |
мм |
4— 6 |
8— |
10 |
12— 14 |
18— 20 |
|
d, мм |
50— 110 |
90— |
120 |
1 2 0 -1 |
5 0 |
150— 180 |
|
< W |
. мм |
120 |
130 |
160 |
|
200 |
|
Н а и б о л е е ш и р о к о е р а с п р о с т р а н е н и е в п р о м ы ш л е н н о с т и п л у ч и л а с в а р к а п р и б м= 5 и л и 10 м м .
Э Ш С п л а с т и н ч а т ы м э л е к т р о д о Пм р.и с в а р к е с т а л е й э т и м с п о с о б о м ш и р и н а п л а с т и н ы д о л ж н а б ы т ь р а в н а т о
щ и н е с в а р и в а е м о г о м е т а л л а . П р и и с п о л ь з о в а н и и д в у х и л и т р п л а с т и н д л я б о л е е р а в н о м е р н о й з а г р у з к и т р е х ф а з н о й с е т и с в р о ч н о г о т р а н с ф о р м а т о р а о б щ а я ш и р и н а н а б о р а т а к ж е д о л ж р а в н я т ь с я т о л щ и н е с в а р и в а е м о г о м е т а л л а м и н у с 1 5 — 2 0 ( з а з о р м е ж д у п л а с т и н а м и ) . Т о л щ и н а п л а с т и н ч а т ы х э л е к т р о д б п = 1 0 -т -12 м м .
О п т и м а л ь н а я |
с к о р о с т ь |
п о д а ч и |
п л а с т и н ч а т ы х |
э л е к т р о д |
vn. 9= 1,2-г-3,5 м /ч , |
vc м о ж н о |
в ы б р а т ь |
п о р и 8с .9. |
|
Примеры расчета режимов ЭШС
Необходимо разработать режим ЭШС проволочным электродом прямо линейного стыка из стали 20ГСЛ толщиной 230 мм. По рис. 8.8 выбираем Уев= 0,5 м/ч и Мсв= 51 В для металла толщиной 230 мм. Для сварки берем две электродные проволоки Св-08Г2С. Тогда по (8.3) будем иметь
4 = (230 + 21 — 2• 5)/2 — 241/2 « 120 мм,
а по (8.2) определим скорость подачи электродов
ve = 0,5-69/0,142 ==243 |
м/ч, |
а также Fn = sbc= 23 • 3=69 |
см2; 2/\? = 0,071 «2=0,142 см2. |
Теперь для выбора источника питания или определения его загрузки по (8.1) определяем суммарную величину сварочного тока на двух электродах:
/св = (0,022-24 300 + 90) 2 = 625-2 = 1250 А.
Необходимо сварить две 650-мм поковки из 20Х2МА плавящимся мунд штуком. По рис. 8.9 выбираем уСв=0,45 м / ч и исв = 46 В для металла толщи ной 650 мм (при толщине плавящегося мундштука 5 мм). Далее по (8.4) определяем число электродов, выбрав 4=100 мм:
п = (650 — 40)/100 + 1 = 6,1 + 1 =7,1 « 7 .
Подставив п в (8.4), уточним d:
7 = 610/4+ 1; 64 = 610; 4 « 102 мм.
Определим по (8.2) скорость подачи электродных проволок, приняв ве личину сварочного зазора 33 мм (на 3 мм меньше величины сборочного)
ve = 0,45«(F„ - F„)/0,497 = 0,45 (214,5 - 32,5)/0,497 « 164 м/ч,
а также F H= sb = 65-3,3 = 214,5 см2,
F u = s6M= 65-0,5 =* 32,5 см2.
Суммарный сварочный ток определяем по (8.1):
/ св = (0,022-16400 + 90) 7 + 1,2-45-0,5-61 = 451-7+ 1647 « 4800 А.
8.2.3. Подготовка деталей к сварке
Она подразделяется на предварительную и непосредственную. Предварительно подготовляют отдельные детали к сборке. Главное в предварительной подготовке — придание сваривае мым кромкам соединяемых деталей требуемой геометрической формы и чистоты обработки сопрягаемых частей, особенно бо ковых поверхностей, по которым будут перемещаться или на ко торые будут установлены формирующие шов устройства.
Для сварки деталей из конструкционных сталей толщиной ^200 мм кромки подготавливают обычно газопламенной резкой,
при толщине>200 мм — меха
нической |
обработкой, |
кромки |
|
легированных сталей |
и |
цвет |
|
ных металлов — также |
меха |
||
нической обработкой. |
|
резке |
|
При |
газопламенной |
||
величина отдельных гребешков и выхватов не должна превы шать 2—3 мм, а максимальное отклонение от прямоугольности реза — 4 мм.
В литых и кованых заго товках поверхность под пол зуны подвергается механиче ской обработке с шерохова тостью поверхности 12,5 мкм на ширину минимум 80 мм от торца кромки. Если заготовки выполнены из проката, по верхность под ползуны может быть зачищена от окалины и
«карман»; |
В — выводные планкн, V** |
заусенцев |
переносным |
на |
“ (ь в —&н |
|
ждачным кругом. Кромки коль |
||
|
|
цевых швов, |
как правило, |
об |
рабатываются механическим способом.
Непосредственная подготовка деталей к сварке заключается в сборке деталей под сварку.
Практика применения ЭШС показала, что в большинстве случаев для надежной компенсации деформаций соединяемых частей и сохранения заданной величины сварочного зазора сборка осуществляется с клиновидным зазором, расширяю щимся кверху (рис. 8.10). В зависимости от марки стали, спо соба ЭШС, ее режима и условий закрепления угол раскрытия деталей при сборке может составлять 1—2°. Соединяемые де тали фиксируют скобами или планками, привариваемыми вдоль стыка через 50—80 см.
По окончании сварки (перед термической обработкой) входной карман н выводные планки срезаются газопламенной резкой.
8.2.4. Техника выполнения прямолинейных швов проволочными электродами
Собранное под сварку изделие устанавливается на сварочном стенде. На переднюю и заднюю подвески сварочного аппарата устанавливаются ползуны с соблюдением заданного «сухого»